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