Java中的fail-fast机制

目录

1.问题由来

2.什么是fail-fast机制

3.为什么使用foreach遍历集合删除倒数第二个元素不会报错

4.如何避免出现fail-fast

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1.问题由来

       阿里开发规范里有一条：不要在foreach循环里进行元素的remove/add操作。remove元素请使用Iterator方式，如果并发操作，需要对Iterator对象加锁。这是为什么呢？看下面一个Demo：

public static void main(String[] args) {
    List list = new ArrayList<>();
    list.add("1");
    list.add("2");
    list.add("3");
    for (String item : list) {
        if ("1".equals(item)) {
            list.remove(item);
        }
    }
    System.out.println(list);
}

       当我们使用foreach去遍历集合的同时执行remove（或者add）时，我们可以看到控制台抛出ConcurrentModificationException异常（在删除集合中倒数第二个元素的时候不会抛出此异常，这个问题先埋个坑，我们下面会解释），而我们使用迭代器去remove的时候：

public static void main(String[] args) {
    List list = new ArrayList<>();
    list.add("1");
    list.add("2");
    list.add("3");
    Iterator iterator = list.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
        String item = iterator.next();
        if("1".equals(item)){
            iterator.remove();
        }
    }
    System.out.println(list);
}

       使用迭代器删除的时候就不会抛出ConcurrentModificationException异常，这是因为如果使用增强for遍历集合时，尝试对集合结构进行改变会触发Java集合的错误检测机制：fail-fast 。

2.什么是fail-fast机制

       fail-fast即快速失败，它是Java集合的一种错误检测机制。当多个线程对集合（非fail-safe的集合类）进行结构上的改变的操作时，有可能会触发fail-fast机制，这时就会抛出ConcurrentModificationException（当方法检测到对象的并发修改，但不允许这种修改时就抛出该异常）。注：即使不是多线程环境，如果单线程违反了规则，同样也有可能会抛出改异常。我们再仔细分析一下上面foreach控制台打印的堆栈信息：

       两个报错是在ArrayList内部类Itr的next()和checkForComodification()方法，还有一个是笔者的测试类可忽略。我们进入next方法看一下：

       可以看到第一行就是这个checkForComodification()方法，我们点进去看一下：

       找到抛出异常的位置了，modCount != expectedModCount时，就会抛出ConcurrentModificationException。想搞清楚为什么这两个值会不相等，我们首先要了解这两个变量都是什么，翻阅源码可知：

    （1）modCount是ArrayList中的一个成员变量。它表示该集合实际被修改的次数。

    （2）expectedModCount 是 ArrayList中的一个内部类——Itr中的成员变量。expectedModCount表示这个迭代器期望该集合被修改的次数。其值是在ArrayList.iterator方法被调用的时候初始化的。只有通过迭代器对集合进行操作，该值才会改变。

       我们再看下ArrayList的remove方法：

       可以看到ArrayList的remove()只修改了modCount，并没有对expectedModCount做任何操作，add方法同理，在ensureExplicitCapacity()中对modCount进行了修改：

       总结：之所以会抛出ConcurrentModificationException异常，是因为我们的代码中使用了增强for去遍历集合，而在增强for底层是通过iterator进行遍历的，但是元素的add()/remove()却是直接使用的集合类自己的方法。这就导致iterator在遍历的时候，会发现有一个元素在自己不知不觉的情况下就被添加或删除了，就会抛出此异常来提示用户，可能产生了并发修改。

3.为什么使用foreach遍历集合删除倒数第二个元素不会报错

       上面foreach遍历集合的那段代码改一下：

public static void main(String[] args) {
    List list = new ArrayList<>();
    list.add("1");
    list.add("2");
    list.add("3");
    for (String item : list) {
        if ("2".equals(item)) {
            list.remove(item);
        }
    }
    System.out.println(list);
}

 

       发现竟然不抛异常了，其实这个问题出在迭代器内部类的hasNext()方法上，先看一下迭代器的三个属性：

    （1）cursor --迭代器的游标，元素的索引值，初始值为0

    （2）lastRet --返回最后一个元素的索引值、如果没有找到则返回-1

    （3）expectedModCount --修改次数的期望值，可以看到在迭代器初始化时，这个属性就被赋值为当前修改次数的值了。

       在迭代过程中，每一次迭代cursor都会+1，而itr.hasNext()会判断是否存在下一个元素、irt.next()获取下一个元素的值，最终直到不存在下一个元素，则迭代结束。跟进源码发现，itr.hasNext()判断方法并不会调用checkForComodification方法来检查list在迭代中是否有被修改，只是判断游标和长度是否相等，不等时则认为存在下一个元素，只有在调用next()方法才会尝试抛出checkForComodification异常：

       现在我们带入删除集合中倒数第二个元素的场景，当倒数第二个元素迭代完成，开始迭代最后一个元素时，此时cursor是2，size由于在迭代过程倒数第二个元素移除了，所以size-1也是2, 此时cursor和size相等，不会再进入下一个迭代，也就不会进入next()方法，因此不会触发checkForComodification方法的fail-fast机制。

4.如何避免出现fail-fast

    （1）直接使用普通for循环进行操作

    （2）使用Iterator提供的remove方法进行操作

    （3）使用一些fail-safe的集合类，例如CopyOnWriteArrayList