由ArrayList来深入理解Java中的fail-fast机制
1.fail-fast简介
“快速失败”也就是fail-fast，它是Java集合的一种错误检测机制。某个线程在对collection进行迭代时，不允许其他线程对该collection进行结构上的修改。
例如：假设存在两个线程（线程1、线程2），线程1通过Iterator在遍历集合A中的元素，在某个时候线程2修改了集合A的结构（是结构上面的修改，而不是简单的修改集合元素的内容），那么这个时候程序就会抛出ConcurrentModificationException异常，从而产生fail-fast。
迭代器的快速失败行为无法得到保证，它不能保证一定会出现该错误，因此，ConcurrentModificationException应该仅用于检测bug。
Java.util包中的所有集合类都是快速失败的，而java.util.concurrent包中的集合类都是安全失败的；
快速失败的迭代器抛出ConcurrentModificationException，而安全失败的迭代器从不抛出这个异常。
2fail-fast示例
示例代码：(FastFailTest.java)
importjava.util.*;
importjava.util.concurrent.*;
/*
*@descjava集合中Fast-Fail的测试程序。
*
*fast-fail事件产生的条件：当多个线程对Collection进行操作时，若其中某一个线程通过iterator去遍历集合时，该集合的内容被其他线程所改变；则会抛出ConcurrentModificationException异常。
*fast-fail解决办法：通过util.concurrent集合包下的相应类去处理，则不会产生fast-fail事件。
*
*本例中，分别测试ArrayList和CopyOnWriteArrayList这两种情况。ArrayList会产生fast-fail事件，而CopyOnWriteArrayList不会产生fast-fail事件。
*(01)使用ArrayList时，会产生fast-fail事件，抛出ConcurrentModificationException异常；定义如下：
*privatestaticList<String>list=newArrayList<String>();
*(02)使用时CopyOnWriteArrayList，不会产生fast-fail事件；定义如下：
*privatestaticList<String>list=newCopyOnWriteArrayList<String>();
*
*@authorskywang
*/
publicclassFastFailTest{
privatestaticList<String>list=newArrayList<String>();
//privatestaticList<String>list=newCopyOnWriteArrayList<String>();
publicstaticvoidmain(String[]args){
//同时启动两个线程对list进行操作！
newThreadOne().start();
newThreadTwo().start();
}
privatestaticvoidprintAll(){
System.out.println("");
Stringvalue=null;
Iteratoriter=list.iterator();
while(iter.hasNext()){
value=(String)iter.next();
System.out.print(value+",");
}
}
/**
*向list中依次添加0,1,2,3,4,5，每添加一个数之后，就通过printAll()遍历整个list
*/
privatestaticclassThreadOneextendsThread{
publicvoidrun(){
inti=0;
while(i<6){
list.add(String.valueOf(i));
printAll();
i++;
}
}
}
/**
*向list中依次添加10,11,12,13,14,15，每添加一个数之后，就通过printAll()遍历整个list
*/
privatestaticclassThreadTwoextendsThread{
publicvoidrun(){
inti=10;
while(i<16){
list.add(String.valueOf(i));
printAll();
i++;
}
}
}
}
运行结果
运行该代码，抛出异常java.util.ConcurrentModificationException！即，产生fail-fast事件！
结果说明
(01)FastFailTest中通过newThreadOne().start()和newThreadTwo().start()同时启动两个线程去操作list。
ThreadOne线程：向list中依次添加0,1,2,3,4,5。每添加一个数之后，就通过printAll()遍历整个list。
ThreadTwo线程：向list中依次添加10,11,12,13,14,15。每添加一个数之后，就通过printAll()遍历整个list。
(02)当某一个线程遍历list的过程中，list的内容被另外一个线程所改变了；就会抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。
3.fail-fast解决办法
fail-fast机制，是一种错误检测机制。它只能被用来检测错误，因为JDK并不保证fail-fast机制一定会发生。若在多线程环境下使用fail-fast机制的集合，建议使用“java.util.concurrent包下的类”去取代“java.util包下的类”。
所以，本例中只需要将ArrayList替换成java.util.concurrent包下对应的类即可。即，将代码
privatestaticList<String>list=newArrayList<String>();
替换为
privatestaticList<String>list=newCopyOnWriteArrayList<String>();
则可以解决该办法。
4.fail-fast原理
产生fail-fast事件，是通过抛出ConcurrentModificationException异常来触发的。
那么，ArrayList是如何抛出ConcurrentModificationException异常的呢?
我们知道，ConcurrentModificationException是在操作Iterator时抛出的异常。我们先看看Iterator的源码。ArrayList的Iterator是在父类AbstractList.java中实现的。代码如下：
packagejava.util;
publicabstractclassAbstractList<E>extendsAbstractCollection<E>implementsList<E>{
...
//AbstractList中唯一的属性
//用来记录List修改的次数：每修改一次(添加/删除等操作)，将modCount+1
protectedtransientintmodCount=0;
//返回List对应迭代器。实际上，是返回Itr对象。
publicIterator<E>iterator(){
returnnewItr();
}
//Itr是Iterator(迭代器)的实现类
privateclassItrimplementsIterator<E>{
intcursor=0;
intlastRet=-1;
//修改数的记录值。
//每次新建Itr()对象时，都会保存新建该对象时对应的modCount；
//以后每次遍历List中的元素的时候，都会比较expectedModCount和modCount是否相等；
//若不相等，则抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。
intexpectedModCount=modCount;
publicbooleanhasNext(){
returncursor!=size();
}
publicEnext(){
//获取下一个元素之前，都会判断“新建Itr对象时保存的modCount”和“当前的modCount”是否相等；
//若不相等，则抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。
checkForComodification();
try{
Enext=get(cursor);
lastRet=cursor++;
returnnext;
}catch(IndexOutOfBoundsExceptione){
checkForComodification();
thrownewNoSuchElementException();
}
}
publicvoidremove(){
if(lastRet==-1)
thrownewIllegalStateException();
checkForComodification();
try{
AbstractList.this.remove(lastRet);
if(lastRet<cursor)
cursor--;
lastRet=-1;
expectedModCount=modCount;
}catch(IndexOutOfBoundsExceptione){
thrownewConcurrentModificationException();
}
}
finalvoidcheckForComodification(){
if(modCount!=expectedModCount)
thrownewConcurrentModificationException();
}
}
...
}
从中，我们可以发现在调用next()和remove()时，都会执行checkForComodification()。若“modCount不等于expectedModCount”，则抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。
要搞明白fail-fast机制，我们就要需要理解什么时候“modCount不等于expectedModCount”！
从Itr类中，我们知道expectedModCount在创建Itr对象时，被赋值为modCount。通过Itr，我们知道：expectedModCount不可能被修改为不等于modCount。所以，需要考证的就是modCount何时会被修改。
接下来，我们查看ArrayList的源码，来看看modCount是如何被修改的。
packagejava.util;
publicclassArrayList<E>extendsAbstractList<E>
implementsList<E>,RandomAccess,Cloneable,java.io.Serializable
{
...
//list中容量变化时，对应的同步函数
publicvoidensureCapacity(intminCapacity){
modCount++;
intoldCapacity=elementData.length;
if(minCapacity>oldCapacity){
ObjectoldData[]=elementData;
intnewCapacity=(oldCapacity*3)/2+1;
if(newCapacity<minCapacity)
newCapacity=minCapacity;
//minCapacityisusuallyclosetosize,sothisisawin:
elementData=Arrays.copyOf(elementData,newCapacity);
}
}
//添加元素到队列最后
publicbooleanadd(Ee){
//修改modCount
ensureCapacity(size+1);//IncrementsmodCount!!
elementData[size++]=e;
returntrue;
}
//添加元素到指定的位置
publicvoidadd(intindex,Eelement){
if(index>size||index<0)
thrownewIndexOutOfBoundsException(
"Index:"+index+",Size:"+size);
//修改modCount
ensureCapacity(size+1);//IncrementsmodCount!!
System.arraycopy(elementData,index,elementData,index+1,
size-index);
elementData[index]=element;
size++;
}
//添加集合
publicbooleanaddAll(Collection<?extendsE>c){
Object[]a=c.toArray();
intnumNew=a.length;
//修改modCount
ensureCapacity(size+numNew);//IncrementsmodCount
System.arraycopy(a,0,elementData,size,numNew);
size+=numNew;
returnnumNew!=0;
}
//删除指定位置的元素
publicEremove(intindex){
RangeCheck(index);
//修改modCount
modCount++;
EoldValue=(E)elementData[index];
intnumMoved=size-index-1;
if(numMoved>0)
System.arraycopy(elementData,index+1,elementData,index,numMoved);
elementData[--size]=null;//Letgcdoitswork
returnoldValue;
}
//快速删除指定位置的元素
privatevoidfastRemove(intindex){
//修改modCount
modCount++;
intnumMoved=size-index-1;
if(numMoved>0)
System.arraycopy(elementData,index+1,elementData,index,
numMoved);
elementData[--size]=null;//Letgcdoitswork
}
//清空集合
publicvoidclear(){
//修改modCount
modCount++;
//Letgcdoitswork
for(inti=0;i<size;i++)
elementData[i]=null;
size=0;
}
...
}
从中，我们发现：无论是add()、remove()，还是clear()，只要涉及到修改集合中的元素个数时，都会改变modCount的值。
接下来，我们再系统的梳理一下fail-fast是怎么产生的。步骤如下：
(01)新建了一个ArrayList，名称为arrayList。
(02)向arrayList中添加内容。
(03)新建一个“线程a”，并在“线程a”中通过Iterator反复的读取arrayList的值。
(04)新建一个“线程b”，在“线程b”中删除arrayList中的一个“节点A”。
(05)这时，就会产生有趣的事件了。
在某一时刻，“线程a”创建了arrayList的Iterator。此时“节点A”仍然存在于arrayList中，创建arrayList时，expectedModCount=modCount(假设它们此时的值为N)。
在“线程a”在遍历arrayList过程中的某一时刻，“线程b”执行了，并且“线程b”删除了arrayList中的“节点A”。“线程b”执行remove()进行删除操作时，在remove()中执行了“modCount++”，此时modCount变成了N+1！
“线程a”接着遍历，当它执行到next()函数时，调用checkForComodification()比较“expectedModCount”和“modCount”的大小；而“expectedModCount=N”，“modCount=N+1”,这样，便抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。
至此，我们就完全了解了fail-fast是如何产生的！
即，当多个线程对同一个集合进行操作的时候，某线程访问集合的过程中，该集合的内容被其他线程所改变(即其它线程通过add、remove、clear等方法，改变了modCount的值)；这时，就会抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。
5.解决fail-fast的原理
上面，说明了“解决fail-fast机制的办法”，也知道了“fail-fast产生的根本原因”。接下来，我们再进一步谈谈java.util.concurrent包中是如何解决fail-fast事件的。
还是以和ArrayList对应的CopyOnWriteArrayList进行说明。我们先看看CopyOnWriteArrayList的源码：
packagejava.util.concurrent;
importjava.util.*;
importjava.util.concurrent.locks.*;
importsun.misc.Unsafe;
publicclassCopyOnWriteArrayList<E>
implementsList<E>,RandomAccess,Cloneable,java.io.Serializable{
...
//返回集合对应的迭代器
publicIterator<E>iterator(){
returnnew集合类中的fast-fail实现方式都差不多，我们以最简单的ArrayList为例吧。protectedtransientintmodCount=0;记录的是我们对ArrayList修改的次数，比如我们调用add(),remove()等改变数据的操作时，会将modCount++。protectedtransientintmodCount=0;记录的是我们对ArrayList修改的次数，比如我们调用add(),remove()等改变数据的操作时，会将modCount++。COWIterator<E>(getArray(),0);
}
...
privatestaticclassCOWIterator<E>implementsListIterator<E>{
privatefinalObject[]snapshot;
privateintcursor;
privateCOWIterator(Object[]elements,intinitialCursor){
cursor=initialCursor;
//新建COWIterator时，将集合中的元素保存到一个新的拷贝数组中。
//这样，当原始集合的数据改变，拷贝数据中的值也不会变化。
snapshot=elements;
}
publicbooleanhasNext(){
returncursor<snapshot.length;
}
publicbooleanhasPrevious(){
returncursor>0;
}
publicEnext(){
if(!hasNext())
thrownewNoSuchElementException();
return(E)snapshot[cursor++];
}
publicEprevious(){
if(!hasPrevious())
thrownewNoSuchElementException();
return(E)snapshot[--cursor];
}
publicintnextIndex(){
returncursor;
}
publicintpreviousIndex(){
returncursor-1;
}
publicvoidremove(){
thrownewUnsupportedOperationException();
}
publicvoidset(Ee){
thrownewUnsupportedOperationException();
}
publicvoidadd(Ee){
thrownewUnsupportedOperationException();
}
}
...
}
从中，我们可以看出:
(01)和ArrayList继承于AbstractList不同，CopyOnWriteArrayList没有继承于AbstractList，它仅仅只是实现了List接口。
(02)ArrayList的iterator()函数返回的Iterator是在AbstractList中实现的；而CopyOnWriteArrayList是自己实现Iterator。
(03)ArrayList的Iterator实现类中调用next()时，会“调用checkForComodification()比较‘expectedModCount'和‘modCount'的大小”；但是，CopyOnWriteArrayList的Iterator实现类中，没有所谓的checkForComodification()，更不会抛出ConcurrentModificationException异常！
6.总结
由于HashMap（ArrayList）并不是线程安全的,因此如果在使用迭代器的过程中有其他线程修改了map(这里的修改是指结构上的修改,并非指单纯修改集合内容的元素)，那么将要抛出ConcurrentModificationException即为fail-fast策略
主要通过modCount域来实现,保证线程之间的可见性,modCount即为修改次数,对于HashMap（ArrayList）内容的修改就会增加这个值，那么在迭代器的初始化过程中就会将这个值赋值给迭代器的expectedModCount
但是fail-fast行为并不能保证,因此依赖于此异常的程序的做法是错误的