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。

2 fail-fast示例
示例代码：(fastfailtest.java)

import java.util.*;
import java.util.concurrent.*;

/*
 * @desc java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：
 *   private static list<string> list = new arraylist<string>();
 * (02) 使用时copyonwritearraylist，不会产生fast-fail事件；定义如下：
 *   private static list<string> list = new copyonwritearraylist<string>();
 *
 * @author skywang
 */
public class fastfailtest {

 private static list<string> list = new arraylist<string>();
 //private static list<string> list = new copyonwritearraylist<string>();
 public static void main(string[] args) {

  // 同时启动两个线程对list进行操作！
  new threadone().start();
  new threadtwo().start();
 }

 private static void printall() {
  system.out.println("");

  string value = null;
  iterator iter = 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
  */
 private static class threadone extends thread {
  public void run() {
   int i = 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
  */
 private static class threadtwo extends thread {
  public void run() {
   int i = 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 new threadone().start() 和 new threadtwo().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
private static list<string> list = new arraylist<string>();
替换为
private static list<string> list = new copyonwritearraylist<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：
package java.util;

public abstract class abstractlist<e> extends abstractcollection<e> implements list<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
 protected transient int modcount = 0;

 // 返回list对应迭代器。实际上，是返回itr对象。
 public iterator<e> iterator() {
  return new itr();
 }

 // itr是iterator(迭代器)的实现类
 private class itr implements iterator<e> {
  int cursor = 0;

  int lastret = -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。
  int expectedmodcount = modcount;

  public boolean hasnext() {
   return cursor != size();
  }

  public e next() {
   // 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 {
    e next = get(cursor);
    lastret = cursor++;
    return next;
   } catch (indexoutofboundsexception e) {
    checkforcomodification();
    throw new nosuchelementexception();
   }
  }

  public void remove() {
   if (lastret == -1)
    throw new illegalstateexception();
   checkforcomodification();

   try {
    abstractlist.this.remove(lastret);
    if (lastret < cursor)
     cursor--;
    lastret = -1;
    expectedmodcount = modcount;
   } catch (indexoutofboundsexception e) {
    throw new concurrentmodificationexception();
   }
  }

  final void checkforcomodification() {
   if (modcount != expectedmodcount)
    throw new concurrentmodificationexception();
  }
 }

 ...
}

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。

package java.util;

public class arraylist<e> extends abstractlist<e>
  implements list<e>, randomaccess, cloneable, java.io.serializable
{

 ...

 // list中容量变化时，对应的同步函数
 public void ensurecapacity(int mincapacity) {
  modcount++;
  int oldcapacity = elementdata.length;
  if (mincapacity > oldcapacity) {
   object olddata[] = elementdata;
   int newcapacity = (oldcapacity * 3)/2 + 1;
   if (newcapacity < mincapacity)
    newcapacity = mincapacity;
   // mincapacity is usually close to size, so this is a win:
   elementdata = arrays.copyof(elementdata, newcapacity);
  }
 }


 // 添加元素到队列最后
 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;
 }


 // 删除指定位置的元素 
 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;
 }


 // 快速删除指定位置的元素 
 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;
 }

 ...
}

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：

package java.util.concurrent;
import java.util.*;
import java.util.concurrent.locks.*;
import sun.misc.unsafe;

public class copyonwritearraylist<e>
 implements list<e>, randomaccess, cloneable, java.io.serializable {

 ...

 // 返回集合对应的迭代器
 public iterator<e> iterator() {
  return new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。protected transient int modcount = 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++。protected transient int modcount = 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);
 }

 ...

 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;
  }

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

  public boolean hasprevious() {
   return cursor > 0;
  }

  public e next() {
   if (! hasnext())
    throw new nosuchelementexception();
   return (e) snapshot[cursor++];
  }

  public e previous() {
   if (! hasprevious())
    throw new nosuchelementexception();
   return (e) snapshot[--cursor];
  }

  public int nextindex() {
   return cursor;
  }

  public int previousindex() {
   return cursor-1;
  }

  public void remove() {
   throw new unsupportedoperationexception();
  }

  public void set(e e) {
   throw new unsupportedoperationexception();
  }

  public void add(e e) {
   throw new unsupportedoperationexception();
  }
 }

 ...

}

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