Java集合中fail-fast和fail-safe机制详解

在使用集合时候，大家应该都遇到过或听过并发修改异常（ConcurrentModificationException），这其实是Java集合中的一种fail-fast机制，为了避免触发fail-fast机制，Java中还提供了一些采用fail-safe机制设计的集合类，本篇文章就系统的介绍一下这两种机制。

一、fail-fast机制

1.1 什么是fail-fast机制

简单的说，这就是系统设计的一种理念，就是在编码的时候优先考虑异常情况，一旦发生异常，就立即终止，并上报（抛异常），比如最经典的除0异常：

public int divide(int i,int j){
    if(j==0){
        throw new RuntimeException("被除数不能为零");
    }
    return i/j;
}

上述就是一个fail-fast的理念，快速失败，不做无用功。

1.2 Java集合中的fail-fast机制

fail-fast机制是Java集合的一种并发检测机制，在进行foreach遍历时，都会提取保存modCount的值，然后每执行一次遍历add/remove操作前会进行比较，如果不一致就会抛出ConcurrentModificationException异常。

ps：除了JUC目录下的并发集合，Collection中所有Iterator的实现类（比如ArrayList、HashMap等）都是fail-fast的设计。

下面以ArrayList为例，来看下效果：

public static void main(String[] args) {
    List list=new ArrayList<>();
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        list.add(i+"");
    }
    System.out.println("list = " + list);
    
    for (String str : list) {
        //list.add("hello"); 同样会抛异常
        list.remove(str);
    }
}

这是什么原因造成的呢？不要着急，在深入原理之前，我们先看下这个增强for的语法糖具体时如何实现的，我们使用jad工具，对编译后的class进行反编译，就会得到如下代码：

public static void main(String args[])
{
    List list = new ArrayList();
    for(int i = 0; i < 10; i++)
        list.add((new StringBuilder()).append(i).append("").toString());
​
    String str;
    for(Iterator iterator = list.iterator(); iterator.hasNext(); list.remove(str))
        str = (String)iterator.next();
​
}

不难发现，增强for是Iterator实现的，通过报错信息我们也可以定位到是在checkForComodification()方法中，该方法是在iterator.next()方法中调用的源码如下：

final void checkForComodification() {
   if (modCount != expectedModCount)
       throw new ConcurrentModificationException();
}

modCount我们并不陌生，无论是在HashMap还是ArrayList中都可以看到，它表示的是集合实际被修改的次数，而expectedModCount则是ArrayList中的一个内部类——Itr中的成员变量，部分源码如下：

private class Itr implements Iterator {
   int cursor;       // index of next element to return
   int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
   int expectedModCount = modCount;
   //...
}

该类实现了Iterator接口，expectedModCount表示的是这个迭代器预期该集合被修改的次数，该值随着Itr被创建才会初始化，expectedModCount = modCount。

这下就真相大白了！上述测试代码在增强for遍历之前，modCount和expectedModCount的值都是10，第一轮遍历，可以正常remove，因为此时大家都是10。第一轮遍历之后，由于调用的是ArrayList的remove方法，modCount就变为了11，此时expectedModCount还是10，所以在进行第二轮遍历的时候，由于它俩不相等了，所以就发生了ConcurrentModificationException异常。

二、fail-safe机制

为了避免触发fail-fast机制，我们可以使用JUC包下的集合类，该包下的集合都是fail-safe的，在遍历的时候不是直接在原集合上访问的，而是先copy一份原集合的副本，然后在副本的基础上的再进行遍历，下面我们用CopyOnWriteArrayList举例：

public static void main(String[] args){
    List list=new CopyOnWriteArrayList<>();
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        list.add(i+"");
    }
    
    for (String str : list) {
        list.remove(str);
    }
    System.out.println("list = " + list);
}

fail-safe集合的所有集合都是先拷贝一份副本，然后在副本上进行操作的，而且这些操作（add/remove）都是通过锁来控制并发的，所以在迭代的过程中不需要fail-fast的并发检测。

三、如何避免fail-fast机制

有同学可能有疑问，上面不是说了吗，用JUC下的集合类，当然这只是其中的一个避免方式，再说JUC下的都是线程安全的，而我们实际场景中还是非线程安全集合用的比较多，那么它们如何避免呢？

细心的同学可能会注意到我在fail-fast代码的例子中，用的是fori（普通集合遍历）来初始化list的，它并没有出现并发修改的异常，因为它本质上使用的ArrayList的remove方法，该方法不会进行并发检测。除此之外，还有几种方式也可以避免fail-fast机制。

3.1 普通for循环

public static void main(String[] args) {
    List list=new ArrayList<>();
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        list.add(i+"");
    }
    System.out.println("list = " + list);
    for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
       list.remove(i);
       i--;
    }
    System.out.println("list = " + list);
}

以下结果如果是这个，就不再赘述了：

list = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
list = []

3.2 迭代器

public static void main(String[] args) {
    List list=new ArrayList<>();
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        list.add(i+"");
    }
    System.out.println("list = " + list);
    Iterator itr = list.iterator();
    while (itr.hasNext()){
        itr.next();
        //这里用迭代器就没啥问题了
        itr.remove();
    }
    System.out.println("list = " + list);
}

我们可以看下迭代器remove的源码（ArrayList中Itr内部类的方法）：

public void remove() {
    if (lastRet < 0)
        throw new IllegalStateException();
    checkForComodification();
    try {
        ArrayList.this.remove(lastRet);
        cursor = lastRet;
        lastRet = -1;
        //保持同步
        expectedModCount = modCount;
    } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
        throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

3.3 copy一份副本

将原来的copy出一个副本，注意要遍历原来的list，然后进行remove：

public static void main(String[] args) {
​
    List list=new ArrayList<>();
​
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        list.add(i+"");
    }
    System.out.println("list = " + list);
    List list1=new ArrayList<>(list);
    for (String s : list) {
        list1.remove(s);
    }
    System.out.println("list = " + list1);
}

3.4 Stream流

通过Stream的filter方法进行remove，因为Stream每次处理后都会生成一个新的Stream，不存在并发问题：

public static void main(String[] args) {
​
    List list=new ArrayList<>();
​
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        list.add(i);
    }
    System.out.println("list = " + list);
    List integers = list.stream().filter(i -> i < 5).collect(Collectors.toList());
    System.out.println("list = " + integers);
}

list = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
list = [0, 1, 2, 3, 4]

3.5 removeIf方法

也是过滤删除，jdk 1.8开始，List提供了一个removeIf方法用于删除所有满足特定条件的元素：

public static void main(String[] args) {
    List list=new ArrayList<>();
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        list.add(i);
    }
    System.out.println("list = " + list);
    list.removeIf(i->i>5);
    System.out.println("list = " + list);
}

list = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
list = [0, 1, 2, 3, 4, 5]

 End：希望对大家有所帮助，如果有纰漏或者更好的想法，请您一定不要吝啬你的赐教。