Java集合快速失敗與安全失敗解析

Posted on 2021-11-16 by WalkonNet

Java集合快速失敗與安全失敗

前言

我們在開發過程中有沒有在遍歷集合的時候遇到過ConcurrentModificationException這樣的異常，那麼什麼樣的原因導致這種異常呢？本篇博客將帶領大傢去瞭解一下Java集合fail-fast快速失敗機制與fail-safe安全失敗機制。

正文

fail-fast與fail-safe

fail-fast快速失敗機制：是Java集合中的一種機制，在用迭代器遍歷一個集合對象時，如果遍歷過程中對集合對象的內容進行瞭修改（增加、刪除、修改），則會拋出ConcurrentModificationException。
fail-safe安全失敗機制：java.util.concurrent包下的容器都是安全失敗，在遍歷時不是直接在集合內容上訪問的，而是先copy原有集合內容,在拷貝的集合上進行遍歷，因此采用安全失敗的容器可以在多線程下並發使用，並發修改。

fail-fast快速失敗機制

public class test {
    public static void main(String[] args) {
        testForHashMap();
    }
    private static void testForHashMap() {
        HashMap<String,String> hashMap =new LinkedHashMap<>();
        hashMap.put("1","a");
        hashMap.put("2","b");
        hashMap.put("3","c");
        Iterator<Map.Entry<String,String>> iterator=hashMap.entrySet().iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            hashMap.put("bloom","bloom");
            System.out.println(iterator.next());
        }
    }
}

快速失敗機制下修改集合元素觸發快速失敗，輸出結果：

遍歷集合時,新增或者刪除元素，將拋ConcurrentModificationException異常

在這裡插入圖片描述

fail-safe安全失敗機制

public class test {   
    public static void main(String[] args) {
        testForHashTable();
    }
    private static void testForHashTable() {
        Hashtable<String,String> hashtable =new Hashtable();
        hashtable.put("4","d");
        hashtable.put("5","e");
        hashtable.put("6","f");
        Enumeration<String> iterator1=hashtable.elements();
        while (iterator1.hasMoreElements()) {
            hashtable.put("bloom","bloom");
            System.out.println(iterator1.nextElement());
        }
    }
}

安全失敗機制下修改集合元素，輸出結果

我們可以在遍歷集合的同時，新增、刪除元素

在這裡插入圖片描述

小結一下

fail-fast，它是Java集合的一種錯誤檢測機制。

在用迭代器遍歷一個集合對象時，如果遍歷過程中不應該對集合對象的內容進行瞭修改（增加、刪除、修改），可以新建一個新的集合進行操作。

快速失敗&安全失敗（最全的總結）

public static void main(String[] args) {
Hashtable<String, String> table = new Hashtable<String, String>();
table.put("a", "aa");
table.put("b", "bb");
table.put("c", "cc");
table.remove("c");
Iterator<Entry<String, String>> iterator = table.entrySet().iterator();
while (iterator.hasNext()) {
System.out.println(iterator.next().getValue());
//采用iterator直接進行修改 程序正常
iterator.remove();
//直接從hashtable增刪數據就會報錯
table.put("d", "dd");
//直接從hashtable增刪數據就會報錯，hashtable，hashmap等非並發集合，如果在迭代過程中增減瞭數據，就是快速失敗
table.remove("c");
}
System.out.println("-----------");
Lock lock = new ReentrantLock();
//即使加上lock，還是會跑出ConcurrentModificationException異常
lock.lock();
HashMap<String, String> hashmap = new HashMap<String, String>();
hashmap.put("a", "aa");
hashmap.put("b", "bb");
hashmap.put("c", "cc");
Iterator<Entry<String, String>> iterators = hashmap.entrySet().iterator();
while (iterators.hasNext()) {
System.out.println(iterators.next().getValue());
// 正常
iterators.remove();
//直接從hashtable增刪數據就會報錯。
//hashtable，hashmap等非並發集合，如果在迭代過程中增減瞭數據，會快速失敗 (一檢測到修改，馬上拋異常) 
//java.util.ConcurrentModificationException
hashmap.remove("c");
}
System.out.println("-----------");
lock.unlock();
ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<String, String>();
map.put("a", "aa");
map.put("b", "bb");
map.put("c", "cc");
Iterator<Entry<String, String>> mapiterator = map.entrySet().iterator();
while (mapiterator.hasNext()) {
System.out.println(mapiterator.next().getValue());
map.remove("c");// 正常 並發集合不存在快速失敗問題
map.put("c", "cc");// 正常 並發集合不存在快速失敗問題
}
System.out.println("-----------");
}

運行該段代碼發現，在Hashtable和HashMap的循環迭代過程中在容器對象上做“修改”操作的話，是跑出java.util.ConcurrentModificationException異常，在Iterator上做操作不會異常。但是ConcurrentHashMap在容器對象和Iterator對象上都不會拋異常，這是為什麼呢？

（1）首先來介紹兩個概念，快速失敗和安全失敗。

Iterator的安全失敗是基於對底層集合做拷貝，因此，它不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。

（2）我們查看Hashtable、HashMap、ConcurrentHashMap的在Java API底層的entrySet對象發現，三者都做瞭對當前對象的拷貝，三者的處理方式是一樣的，那區別在哪裡呢？看看獲取下一個entrySet在邏輯上的區別

這是Hashtable、HashMap的

final Node<K,V> nextNode() {
            Node<K,V>[] t;
            Node<K,V> e = next;
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            if (e == null)
                throw new NoSuchElementException();
            if ((next = (current = e).next) == null && (t = table) != null) {
                do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);
            }
            return e;
        }

這是ConcurrentHashMap的

public final Map.Entry<K,V> next() {
            Node<K,V> p;
            if ((p = next) == null)
                throw new NoSuchElementException();
            K k = p.key;
            V v = p.val;
            lastReturned = p;
            advance();
            return new MapEntry<K,V>(k, v, map);
        }
/**
         * Advances if possible, returning next valid node, or null if none.
         */
        final Node<K,V> advance() {
            Node<K,V> e;
            if ((e = next) != null)
                e = e.next;
            for (;;) {
                Node<K,V>[] t; int i, n;  // must use locals in checks
                if (e != null)
                    return next = e;
                if (baseIndex >= baseLimit || (t = tab) == null ||
                    (n = t.length) <= (i = index) || i < 0)
                    return next = null;
                if ((e = tabAt(t, i)) != null && e.hash < 0) {
                    if (e instanceof ForwardingNode) {
                        tab = ((ForwardingNode<K,V>)e).nextTable;
                        e = null;
                        pushState(t, i, n);
                        continue;
                    }
                    else if (e instanceof TreeBin)
                        e = ((TreeBin<K,V>)e).first;
                    else
                        e = null;
                }
                if (stack != null)
                    recoverState(n);
                else if ((index = i + baseSize) >= n)
                    index = ++baseIndex; // visit upper slots if present
            }
        }

ConcurrentHashMap中的迭代器主要包括entrySet、keySet、values方法。它們大同小異，這裡選擇entrySet解釋。當我們調用entrySet返回值的iterator方法時，返回的是EntryIterator，在EntryIterator上調用next方法時，最終實際調用到瞭HashIterator.advance()方法。這個方法在遍歷底層數組。

在遍歷過程中，如果已經遍歷的數組上的內容變化瞭，迭代器不會拋出ConcurrentModificationException異常。如果未遍歷的數組上的內容發生瞭變化，則有可能反映到迭代過程中。

這就是ConcurrentHashMap迭代器弱一致的表現。ConcurrentHashMap的弱一致性主要是為瞭提升效率，是一致性與效率之間的一種權衡。要成為強一致性，就得到處使用鎖，甚至是全局鎖，這就與Hashtable和同步的HashMap一樣瞭。

最後我們看看JDK中對於快速失敗的描述：

註意，此實現不是同步的。如果多個線程同時訪問一個哈希映射，而其中至少一個線程從結構上修改瞭該映射，則它必須保持外部同步。（結構上的修改是指添加或刪除一個或多個映射關系的任何操作；僅改變與實例已經包含的鍵關聯的值不是結構上的修改。）這一般通過對自然封裝該映射的對象進行同步操作來完成。

如果不存在這樣的對象，則應該使用 Collections.synchronizedMap 方法來“包裝”該映射。最好在創建時完成這一操作，以防止對映射進行意外的非同步訪問，如下所示： Map m = Collections.synchronizedMap(new HashMap(…));由所有此類的“collection 視圖方法”所返回的迭代器都是快速失敗的：在迭代器創建之後，如果從結構上對映射進行修改，除非通過迭代器本身的 remove 方法，其他任何時間任何方式的修改，迭代器都將拋出 ConcurrentModificationException。因此，面對並發的修改，迭代器很快就會完全失敗，而不冒在將來不確定的時間發生任意不確定行為的風險。

註意，迭代器的快速失敗行為不能得到保證，一般來說，存在非同步的並發修改時，不可能作出任何堅決的保證。快速失敗迭代器盡最大努力拋出 ConcurrentModificationException。因此，編寫依賴於此異常的程序的做法是錯誤的，正確做法是：迭代器的快速失敗行為應該僅用於檢測程序錯誤。

以上為個人經驗，希望能給大傢一個參考，也希望大傢多多支持WalkonNet。

Java集合快速失敗與安全失敗解析

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