java基础解析系列(八)---fail-fast机制及CopyOnWriteArrayList的原理

fail-fast机制及CopyOnWriteArrayList的原理

目录

• java基础解析系列(一)---String、StringBuffer、StringBuilder
• java基础解析系列(二)---Integer缓存及装箱拆箱
• java基础解析系列(三)---HashMap原理
• java基础解析系列(四)---LinkedHashMap的原理及LRU算法的实现
• java基础解析系列(五)---HashMap并发下的问题以及HashTable和CurrentHashMap的区别
• java基础解析系列(六)---注解原理及使用
• java基础解析系列(七)---ThreadLocal原理分析
• 这是我的博客目录，欢迎阅读

先看一个例子

class Te1 extends Thread
{
    private List<Integer> list;

    public Te1(List<Integer> list)
    {
        this.list = list;
    }

    public void run()
    {
        Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
        while(iterator.hasNext()){
            int i = iterator.next();
        }
    }
}

 class Te2 extends Thread
{
    private List<Integer> list;

    public Te2(List<Integer> list)
    {
        this.list = list;
    }
    public void run()
    {
        for (int i = 0; i < list.size(); i++)
        {
            list.remove(i);
        }
    }
}
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<Integer> list=new ArrayList();
        for (int i = 0; i <100 ; i++) {
            list.add(i);
        }
        Te1 t1=new Te1(list);
        Te2 t2=new Te2(list);
        t1.start();
        t2.start();

    }
}

• 一个线程迭代，一个线程进行删除，运行时抛出ConcurrentModificationException异常

ConcurrentModificationException

• 中文意思为并发修改异常

736     public Iterator<E> iterator() {
737         return new Itr();
738     }
743     private class Itr implements Iterator<E> {
744         int cursor;       // index of next element to return
745         int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
746         int expectedModCount = modCount;
747
748         public boolean hasNext() {
749             return cursor != size;
750         }
751
752         @SuppressWarnings("unchecked")
753         public E next() {
754             checkForComodification();
                ...
763         }
764
765         public void remove() {
766             if (lastRet < 0)
767                 throw new IllegalStateException();
768             checkForComodification();
                ...
778         }
779
780         final void checkForComodification() {
781             if (modCount != expectedModCount)
782                 throw new ConcurrentModificationException();
783         }
784     }

• ArrayList有一个内部类Itr，从源码可以看到这个类的next和remove方法里面都调用了一个chechForModification方法，而从这个方法(780行)的源码可以看到，他是通过判断modCount和expectedModCount是否相等来决定是否抛出并发修改异常
• 同时在这个内部类可以看expectedModCount初始化为modCount（746行），后面并没有修改

377     public boolean add(E e) {
378         ensureCapacity(size + 1);  // Increments modCount!!
            ...
381     }
178     public void ensureCapacity(int minCapacity) {
179         modCount++;
180         ...
189     }
439     public boolean remove(Object o) {
440         if (o == null) {
441             for (int index = 0; index < size; index++)
442                 if (elementData[index] == null) {
443                     fastRemove(index);
444                     return true;
445                 }
446         } else {
447             for (int index = 0; index < size; index++)
448                 if (o.equals(elementData[index])) {
449                     fastRemove(index);
450                     return true;
451                 }
452         }
453         return false;
454     }
460     private void fastRemove(int index) {
461         modCount++;
            ...
467     }

• 从ArrayList的add和remove方法源码可以看到，这两个方法都会导致modCount的改变
• 那么可以分析为什么之前的代码会抛出异常，线程A进行迭代，此时expectedModCount已经确定了，后面并没有进行修改，而此时线程B同时remove，从前面知道remove会导致modCount改变，此时两者不同导致抛出异常

fail-fast

A fail-fast system is nothing but immediately report any failure that is likely to lead to failure. When a problem occurs, a fail-fast system fails immediately.
In Java, we can find this behavior with iterators. In case, you have called iterator on a collection object, and another thread tries to modify the collection object, then concurrent modification exception will be thrown. This is called fail-fast.

• 中文译为快速失败，这是一种错误检测机制。
• 对上文进行翻译，当在对一个集合进行迭代的时候，其他线程尝试去修改这个集合，并发修改异常会被抛出。这就叫做快速失败。

CopyOnWriteArrayList

• CopyOnWriteArrayList可以解决fail-fast的问题，将ArrayList替换成CopyWriteArrayList进行试验。

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        CopyOnWriteArrayList<Integer> list=new CopyOnWriteArrayList();
        for (int i = 0; i <100 ; i++) {
            list.add(i);
        }
        Te1 t1=new Te1(list);
        Te2 t2=new Te2(list);
        t1.start();
        t2.start();

    }

• 结果发现并没有抛出异常，下面从源码角度来分析
• CopyOnWriteArrayList的remove方法

469     public E remove(int index) {
470         final ReentrantLock lock = this.lock;
471         lock.lock();
472         try {
473             Object[] elements = getArray();
474             int len = elements.length;
475             E oldValue = get(elements, index);
476             int numMoved = len - index - 1;
477             if (numMoved == 0)
478                 setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
479             else {
480                 Object[] newElements = new Object[len - 1];
481                 System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
482                 System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
483                                  numMoved);
484                 setArray(newElements);
485             }
486             return oldValue;
487         } finally {
488             lock.unlock();
489         }
490     }
99      final void setArray(Object[] a) {
100         array = a;
101     }

• 473行获取当前的Object数组，480行创建一个新的Object数组，再将旧的数组复制到新的数组上，484行将array指向新的数组

956     public Iterator<E> iterator() {
957         return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
958     }
991     private static class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
992
993         private final Object[] snapshot;
994
995         private int cursor;
996
997         private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
998             cursor = initialCursor;
999             snapshot = elements;
1000        }
1001
1002        public boolean hasNext() {
1003            return cursor < snapshot.length;
1004        }
1005
1010        @SuppressWarnings("unchecked")
1011        public E next() {
1012            if (! hasNext())
1013                throw new NoSuchElementException();
1014            return (E) snapshot[cursor++];
1015        }
1016

• 999行将snapshot指向当前的array
• 1011行执行next方法返回snapshot中元素，那么在遍历的过程，如果其他线程执行remove并将array指向了新创建的数组，这个snapshot并没有更新为新的数组，仍然指向的是remove之前的数组
• 从CopyOnWriteArrayList的迭代器也可以发现没有fail-fast机制.

CopyOnWriteArrayList分析

• 修改代价大，可以从源码知道，remove还是add方法，都会进行一次数组的复制，这样消耗了空间（可能导致gc的频率提高）也消耗了时间
• 读写分离，读写不一致，读的时候读的是旧的数组，写的时候写的是新的数组，所以读的时候不一定是最新的
• 读的时候不需要进行加锁，因为写的时候是写在新的数组，读的数组是旧的数组，并不会改变
• 因此，CopyOnWriteArrayList适合读多写少的场景

我觉得分享是一种精神，分享是我的乐趣所在，不是说我觉得我讲得一定是对的，我讲得可能很多是不对的，但是我希望我讲的东西是我人生的体验和思考，是给很多人反思，也许给你一秒钟、半秒钟，哪怕说一句话有点道理，引发自己内心的感触，这就是我最大的价值。（这是我喜欢的一句话，也是我写博客的初衷）

作者：jiajun 出处： http://www.cnblogs.com/-new/

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