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fail-fast与fail-safe机制

God约 1711 字大约 6 分钟

1、fail-fast是什么？

fail-fast的字面意思是“快速失败”。 当我们在遍历集合元素的时候，经常会使用迭代器，但在迭代器遍历元素的过程中，如果集合的结构被改变的话，就会抛出异常，防止继续遍历。 这就是所谓的快速失败机制！

下面我们来看看官方文档在HashMap这个集合中，它是怎么解释fail-fast的(如下图)：

意思就是说，当Iterator这个迭代器被创建后，除了迭代器本身的方法(remove)可以改变集合的结构外，其他的因素如若改变了集合的结构，都被抛出ConcurrentModificationException异常。

请在继续看官方的描述：

意思就是说：迭代器的快速失败行为是不一定能够得到保证的，一般来说，存在非同步的并发修改时，不可能做出任何坚决的保证的。但是快速失败迭代器会做出最大的努力来抛出ConcurrentModificationException。因此，编写依赖于此异常的程序的做法是不正确的。正确的做法应该是：迭代器的快速失败行为应该仅用于检测程序中的bug.

总结：fail-fast，即快速失败机制，它是java集合中的一种错误检测机制，当多个线程（or 单个线程）,在结构上对集合进行改变时，就有可能会产生fail-fast机制。

这里，我解释下什么是结构上的改变。
例如集合上的插入和删除就是结构上的改变，但是，如果是对集合中某个元素进行修改的话，并不是结构上的改变哦。

下面，我们来演示下在单线程的环境下，fail-fast抛出异常的实例：

public void orderMap(){
    HashMap<Integer, Integer> map = new HashMap<>();
    for(int i = 10; i < 100; i++){
        map.put(i, i);
    }
    List<Integer> list = new ArrayList<>();
    for(int i = 0; i < 20; i++){
        list.add(i);
    }
    Iterator<Integer> it = list.iterator();
    int temp = 0;
    while(it.hasNext()){
        if(temp == 3){
            temp++;
            list.remove(3);
        }else{
            temp++;
            System.out.println(it.next());
        }
    }
}

打印结果：

结果分析： 因为当temp==3的时候，执行list.remove()方法，集合的结构被改变了，所以再次遍历迭代器的时候，就会抛出异常。

fail-fast的工作原理

我们首先先来看下源码：

private class Itr implements Iterator<E> {
    /**
     * Index of element to be returned by subsequent call to next.
     */
    int cursor = 0;

    /**
     * Index of element returned by most recent call to next or
     * previous.  Reset to -1 if this element is deleted by a call
     * to remove.
     */
    int lastRet = -1;

    /**
     * The modCount value that the iterator believes that the backing
     * List should have.  If this expectation is violated, the iterator
     * has detected concurrent modification.
     */
    int expectedModCount = modCount;

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

    public E next() {
        checkForComodification();
        try {
            int i = cursor;
            E next = get(i);
            lastRet = i;
            cursor = i + 1;
            return next;
        } catch (IndexOutOfBoundsException e) {
            checkForComodification();
            throw new NoSuchElementException();
        }
    }

    public void remove() {
        if (lastRet < 0)
            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();
    }
}

分析： 从源码我们可以发现，迭代器在执行next()等方法的时候，都会调用checkForComodification()这个方法，查看modCount==expectedModCount?如果相等则抛出异常。

expectedModcount:这个值在对象被创建的时候就被赋予了一个固定的值modCount。也就是说这个值是不变的。也就是说，如果在迭代器遍历元素的时候，如果modCount这个值发生了改变，那么再次遍历时就会抛出异常。

什么时候modCount会发生改变呢？

这次就不带大家看源码了。其实当我们对集合的元素的个数做出改变的时候，modCount的值就会被改变，如果删除，插入。但修改则不会。

fail-fast的一些处理方法

如果我们不希望在迭代器遍历的时候因为并发等原因，导致集合的结构被改变，进而可能抛出异常的话，我们可以在涉及到会影响到modCount值改变的地方，加上同步锁 (synchronized)，或者直接使用Collections.synchronizedList来解决！

2、fail-safe是什么？

当我们对集合结构上做出改变的时候，fail-fast机制就会抛出异常。但是，对于采用fail-safe机制来说，就不会抛出异常(大家估计看到safe两个字就知道了)。

这是因为，当集合的结构被改变的时候，fail-safe机制会在复制原集合的一份数据出来，然后在复制的那份数据上遍历。

因此，虽然fail-safe不会抛出异常，但存在以下缺点：

  1. 复制时需要额外的空间和时间上的开销
  2. 不能保证遍历的是最新内容

3、总结

快速失败（fail—fast）

  • 定义：在用迭代器遍历一个集合对象时，如果遍历过程中对集合对象的内容进行了修改（增加、删除、修改），则会抛出Concurrent Modification Exception
  • 原理：迭代器在遍历时直接访问集合中的内容，并且在遍历过程中使用一个 modCount 变量。集合在被遍历期间如果内容发生变化，就会改变modCount的值。每当迭代器使用hashNext()/next()遍历下一个元素之前，都会检测modCount变量是否为expectedmodCount值，是的话就返回遍历；否则抛出异常，终止遍历
  • 注意：这里异常的抛出条件是检测到 modCount！=expectedmodCount 这个条件。如果集合发生变化时修改modCount值刚好又设置为了expectedmodCount值，则异常不会抛出。因此，不能依赖于这个异常是否抛出而进行并发操作的编程，这个异常只建议用于检测并发修改的bug
  • 场景：java.util包下的集合类都是快速失败的，不能在多线程下发生并发修改（迭代过程中被修改），比如HashMap、ArrayList 这些集合类

安全失败（fail—safe）

  • 定义：采用安全失败机制的集合容器，在遍历时不是直接在集合内容上访问的，而是先复制原有集合内容，在拷贝的集合上进行遍历
  • 原理：由于迭代时是对原集合的拷贝进行遍历，所以在遍历过程中对原集合所作的修改并不能被迭代器检测到，所以不会触发Concurrent Modification Exception
  • 缺点：基于拷贝内容的优点是避免了Concurrent Modification Exception，但同样地，迭代器并不能访问到修改后的内容，即：迭代器遍历的是开始遍历那一刻拿到的集合拷贝，在遍历期间原集合发生的修改迭代器是不知道的
  • 场景：java.util.concurrent包下的容器都是安全失败，可以在多线程下并发使用，并发修改，比如：ConcurrentHashMap
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