Java集合中的fail-fast(快速失敗)機制詳解

簡介

我們知道Java中Collection接口下的很多集合都是線程不安全的, 比如 java.util.ArrayList不是線程安全的, 因此如果在使用迭代器的過程中有其他線程修改瞭list,那麼將拋出ConcurrentModificationException,這就是所謂fail-fast策略。

這一策略在源碼中的實現是通過 modCount 域,modCount 顧名思義就是修改次數,對ArrayList 內容的修改都將增加這個值,那麼在迭代器初始化過程中會將這個值賦給迭代器的 expectedModCount。在迭代過程中,判斷 modCount 跟 expectedModCount 是否相等,如果不相等就表示已經有其他線程修改瞭 list
註意到 modCount 聲明為 volatile,保證線程之間修改的可見性。

modCount和expectedModCount

modCount和expectedModCount是用於表示修改次數的,其中modCount表示集合的修改次數,這其中包括瞭調用集合本身的add, remove, clear方法等修改方法時進行的修改和調用集合迭代器的修改方法進行的修改。而expectedModCount則是表示迭代器對集合進行修改的次數。

設置expectedModCount的目的就是要保證在使用迭代器期間,list對象隻能有這一個迭代器對list進行修改。

在創建迭代器的時候會把對象的modCount的值傳遞給迭代器的expectedModCount:

 private class ListItr implements ListIterator<E> {
  private Node<E> lastReturned;
  private Node<E> next;
  private int nextIndex;
  private int expectedModCount = modCount;

如果創建多個迭代器對一個集合對象進行修改的話,那麼就會有一個modCount和多個expectedModCount,且modCount的值之間也會不一樣,這就導致瞭moCount和expectedModCount的值不一致,從而產生異常:

public E next() {
  checkForComodification();
  if (!hasNext())
  throw new NoSuchElementException();

  lastReturned = next;
  next = next.next;
  nextIndex++;
  return lastReturned.item;
 }

上面的代碼中的checkForComodification會檢查modCount和expectedModCount的值是否一致,不一致則拋出異常。

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

modCount是如何被修改的

 // 添加元素到隊列最後
 public boolean add(E e) {
  // 修改modCount
  ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!!
  elementData[size++] = e;
  return true;
 }


 // 添加元素到指定的位置
 public void add(int index, E element) {
  if (index > size || index < 0)
   throw new IndexOutOfBoundsException(
   "Index: "+index+", Size: "+size);

  // 修改modCount
  ensureCapacity(size+1); // Increments modCount!!
  System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
    size - index);
  elementData[index] = element;
  size++;
 }

 // 添加集合
 public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
  Object[] a = c.toArray();
  int numNew = a.length;
  // 修改modCount
  ensureCapacity(size + numNew); // Increments modCount
  System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
  size += numNew;
  return numNew != 0;
 }


 // 刪除指定位置的元素
 public E remove(int index) {
  RangeCheck(index);

  // 修改modCount
  modCount++;
  E oldValue = (E) elementData[index];

  int numMoved = size - index - 1;
  if (numMoved > 0)
   System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
  elementData[--size] = null; // Let gc do its work

  return oldValue;
 }


 // 快速刪除指定位置的元素
 private void fastRemove(int index) {

  // 修改modCount
  modCount++;
  int numMoved = size - index - 1;
  if (numMoved > 0)
   System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
        numMoved);
  elementData[--size] = null; // Let gc do its work
 }

 // 清空集合
 public void clear() {
  // 修改modCount
  modCount++;

  // Let gc do its work
  for (int i = 0; i < size; i++)
   elementData[i] = null;

  size = 0;
 }

也就是在對集合進行數據的增刪的時候都會執行modcount++, 那麼如果一個線程還在使用迭代器遍歷這個list的時候就會發現異常, 發生 fail-fast(快速失敗)

fail-fast(快速失敗)和fail-safe(安全失敗)比較

Iterator的快速失敗是基於對底層集合做拷貝是淺拷貝,因此,它受源集合上修改的影響。java.util包下面的所有的集合類都是快速失敗的

而java.util.concurrent包下面的所有的類都是使用鎖實現安全失敗的。

快速失敗的迭代器會拋出ConcurrentModificationException異常,而安全失敗的迭代器永遠不會拋出這樣的異常。

fail-fast解決什麼問題

fail-fast機制,是一種錯誤檢測機制。

它隻能被用來檢測錯誤,因為JDK並不保證fail-fast機制一定會發生。隻是在多線程環境下告訴客戶端發生瞭多線程安全問題.
所以若在多線程環境下使用fail-fast機制的集合,建議使用“java.util.concurrent包下的類”去取代“java.util包下的類”。

如何解決fail-fast事件

ArrayList對應的CopyOnWriteArrayList進行說明。我們先看看CopyOnWriteArrayList的源碼:

public class CopyOnWriteArrayList<E>
 implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {

 ...

 // 返回集合對應的迭代器
 public Iterator<E> iterator() {
  return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
 }

 ...

 private static class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
  private final Object[] snapshot;

  private int cursor;

  private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
   cursor = initialCursor;
   // 新建COWIterator時,將集合中的元素保存到一個新的拷貝數組中。
   // 這樣,當原始集合的數據改變,拷貝數據中的值也不會變化。
   snapshot = elements;
  }

  public boolean hasNext() {
   return cursor < snapshot.length;
  }

CopyOnWriteArrayList是自己實現Iterator, 並且CopyOnWriteArrayList的Iterator實現類中,沒有所謂的checkForComodification(),更不會拋出ConcurrentModificationException異常

CopyOnWriteArrayList在進行新建COWIterator時,將集合中的元素保存到一個新的拷貝數組中。這樣,當原始集合的數據改變,拷貝數據中的值也不會變化。

總結

到此這篇關於Java集合中的fail-fast(快速失敗)機制的文章就介紹到這瞭,更多相關Java集合fail-fast(快速失敗)機制內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet!