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  • 大杂烩 -- Java中Iterator的fast-fail分析

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    Java中的Iterator非常方便地为所有的数据源提供了一个统一的数据读取(删除)的接口,但是新手通常在使用的时候容易报如下错误ConcurrentModificationException,原因是在使用迭代器时候底层数据被修改,最常见于数据源不是线程安全的类,如HashMap & ArrayList等。

    为什么要有fast-fail

    一个案例

    来一个新手容易犯错的例子:

    String[] stringArray = {"a","b","c","d"};
    List<String> strings = Arrays.asList(stringArray);
    Iterator<String> iterator = strings.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {    
      if(iterator.next().equals("c")) {        
        strings.remove("c");    
      }
    }

    更加常见的是在foreach(本质一样,都是调用Iterator时,操作了原始的strings)语句中:

    for(String s : strings) {    
      if(s.equals("c")) {        
        strings.remove("c");
      }
    }

    产生原因

    Java中的集合类(数据源)分为两种类型:线程安全,位于java.util.concurrent命名目录下,如CopyOnWriteArrayList;线程不安全:位于java.util目录下,如ArrayList,HashMap。所谓线程安全是在多线程环境下,这个类还能表现出和行为规范一致的结果,是否文绉绉的...自己google吧。

    那既然我们可以有线程安全的集合替代品,那么为什么还要存在ArrayList等呢?因为线程安全的类通常需要通过各种手段去保持对数据访问的同步,所以通常来说效率会比较差。而如果使用者清楚自身使用场景不存在并发的场景,那么使用非线程安全的集合类在速度上有很大的优势。

    如果开发者在使用时没有注意,将非线程安全的集合类用在了并发的场景下,比如线程A获取了ArrayListiterator,然后线程B通过调用ArrayList.add()修改了ArrayList的数据,此时就有可能会抛出ConcurrentModificationException,注意,这里是有可能。那为啥上面的例子里面也会报这个错误呢?上面并不存在并发的情况,搂一眼源码吧。

    Iterator源码分析

    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。
    ArrayList中会持有一个变量,声明为:
    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++

    我们通过ArrayList.iterator()返回的是一个实现了Iterator接口的ArrayListIterator

    private class ArrayListIterator implements Iterator<E> {
    
        //省略部分代码.......
        //初始化时,直接给expectedModCount赋ArrayList的修改次数
        private int expectedModCount = modCount;
    
        @SuppressWarnings("unchecked") public E next() {
               ............
            ArrayList<E> ourList = ArrayList.this;
            //简单比较一下当前iterator初始化时ArrayList.modCount的值
            //和现在的值是否一致,如果不相等,认为在获取了当前iterator之后
            //有别的位置(有可能是别的线程)修改了ArrayList,直接抛异常
            if (ourList.modCount != expectedModCount) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
              ............
        }
    }

    原理很简单,构建Iterator时将当前ArrayListmodCount存起来,以后每一次next()时,判断ArrayListmodCount值是否有变化,如果有,则是在这个过程中有代码改变了数据(前面已经提及,只有调用add() remove()等才会去修改modCount的值)。
    这也说明了为什么在例子里面我们并不是并发的场景也报错,因为我们调用ArrayList.remove()时改变了modCount的值。

    但是这个东西意义有多大呢?在我看来它有点画蛇添足的嫌疑。因为在真正的并发场景下,这个fast-fail机制并不能真正即使发现另外线程访问并修改ArrayList中的数据。原因如下:

    1. 再看看modCount的定义protected transient int modCount = 0;。你没有看错,它就是一个普通的变量,那么在并发场景下由于共享对象的不可见性,有可能别的线程修改了ArrayList中的modCount,而iterator所在的线程却并没有读取到这个更新。HashMap在1.6以前确实是用了volatile来修饰了modCount来保证各个线程直接对modCount的可见性,但是在1.7里面把这个修饰去掉了,而且认为这是一个bug-->Java7去掉volatitle,可悲啊。。。原因嘛,就是JDK的开发者认为为了这么个破事而需要使用volatitle简直浪费效率。

    2. 就算是使用volatitle就完事大吉了吗?nono,举个最简单的例子,线程A获取了一个集合类的Iterator,线程B调用了集合类的add(),在add()还没有执行到modCount++时,线程A获取执行,并执行结束。在这种场景下,执行结果并不确定。对于ArrayListIterator来说,有可能会报一个数组越界的异常...

    总结

    fast-fail是JDK为了提示开发者将非线程安全的类使用到并发的场景下时,抛出一个异常,及早发现代码中的问题。但正如本文前面所述,这种机制却不能绝对正确地给出提示,而且老的JDK版本为了更好地支持这个机制还付出了一定的效率代价。

    fast-fail存在的唯一价值可能就是给新手制造一些迷惑,给他深入探索的动力...嘿嘿

    补充:

    很多网上资料说在使用Iterator时是不能修改数据的,这样也并不完全准确。即便是支持fast-failIterator本身也提供了remove()来删除当前遍历到的元素,例如:ArrayListIterator中的remove(),前面举的栗子改成如下即可:

    while (iterator.hasNext()) {    
      if(iterator.next().equals("c")) {        
        iterator.remove("c");    
      }
    }

    啦啦啦

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