fail-fast与fail-safe在Java集合中的应用

fail-fast与fail-safe简介

如果一个系统，当有异常或者错误发生时就立即中断执行，这种设计称之为fail-fast。相反如果我们的系统可以在某种异常或者错误发生时继续执行，不会被中断，这种设计称之为fail-safe。

fail-fast与fail-safe在Java迭代器中的设计

在Java中，最典型的fail-fast与fail-safe就是关于迭代器的设计。通常情况下，那些线程不安全的集合类产生的迭代器都是fail-fast的，而线程安全的集合类产生的迭代器是fail-safe的。fail-fast的迭代器会在迭代过程中，如果你修改了集合类里的内容，则会抛出ConcurrentModificationException异常。fail-safe的迭代器则可以在迭代过程中任意修改集合类的内容，不会有异常抛出。

Java的fail-fast迭代器

前面说过，线程安全的集合类产生的迭代器是基于fail-fast设计的，例如ArrayList。这种迭代器迭代过程中是直接访问原数据信息的，所以当原集合内容修改了后，迭代器不能保证正确的迭代过程。代码示例如下：

    public static void failFast() {

        List<String> list = new ArrayList<>();

        list.add("item-1");
        list.add("item-2");
        list.add("item-3");
        list.add("item-4");

        Iterator<String> it = list.iterator();

        while (it.hasNext()) {
            String item = it.next();
            System.out.println(item);
            list.add("itme-5"); // 下次迭代时会抛出ConcurrentModificationException异常
        }

    }

通过分析ArrayList源码可以看出，当对ArrayList做添加或者删除元素的操作时，都会修改modCount这个变量，而ArrayList的迭代器每次迭代的时候，又都回去检查当前modCount和迭代器产生时的expectedModCount变量是否相等，如果不等就会抛出ConcurrentModificationException异常。

protected transient int modCount = 0;

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    // 上面那个方法调用后会修改modCount
    ....
}


// ArrayList的迭代器

private class Itr implements Iterator<E> {

    public E next() {
        checkForComodification();
        ...
    }

    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }
    
    ...
}

Java的fail-safe迭代器

对于那些线程安全的集合类，在调用iterator方法产生迭代器的时候，会将当前集合的素有元素都做一个快照，即复制一份副本。每次迭代的时候都是访问这个快照内的元素，而不是原集合的元素。代码示例如下：

    public static void failSafe() {

        List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();

        list.add("item-1");
        list.add("item-2");
        list.add("item-3");
        list.add("item-4");

        Iterator<String> it = list.iterator();

        while (it.hasNext()) {
            String item = it.next();
            System.out.println(item);
            list.add("itme-5");
        }

        System.out.println(list.size()); // 会打印出来8，迭代四次，四个新元素插入到了集合中。
    }

这种设计的好处是保证了在多线程操纵同一个集合的时候，不会因为某个线程修改了集合，而影响其他正在迭代访问集合的线程。缺点是，迭代器不能正确及时的反应集合中的内容，而且一定程度上也增加了内存的消耗。

迭代器小提示

如果用Java的for loop来访问集合，原理上还是用迭代器的方式，所以下面的代码同样会抛出ConcurrentModificationException异常。

        List<String> list = new ArrayList<>();

        list.add("item-1");
        list.add("item-2");
        list.add("item-3");
        list.add("item-4");
        
        for (String item : list) {
            System.err.println(item);
            list.add("itme-5");
        }