基于源码理解通透Iterator迭代器的Fail-Fast快速失败与Fail-Safe安全失败机制

原创/朱季谦

在Java编程当中，Iterator迭代器是一种用于遍历如List、Set、Map等集合的工具。这类集合部分存在线程安全的问题，例如ArrayList，若在多线程环境下，迭代遍历过程中存在其他线程对这类集合进行修改的话，就可能导致不一致或者修改异常问题，因此，针对这种情况，迭代器提供了两种处理策略：Fail-Fast（快速失败）和Fail-Safe（安全失败）。

先简单介绍下这两种策略——

1. Fail-Fast（快速失败）机制
快速失败机制是指集合在迭代遍历过程中，其他多线程或者当前线程对该集合进行增加或者删除元素等操作，当前线程迭代器读取集合时会立马抛出一个ConcurrentModificationException异常，避免数据不一致。实现原理是迭代器在创建时，会获取集合的计数变量当作一个标记，迭代过程中，若发现该标记大小与计数变量不一致了，就以为集合做了新增或者删除等操作，就会抛出快速失败的异常。在ArrayList默认启用该机制。

2. Fail-Safe（安全失败）机制
安全失败机制是指集合在迭代遍历过程中，若其他多线程或者当前线程对该集合进行修改（增加、删除等元素）操作，当前线程迭代器仍然可以正常继续读取集合遍历，而不会抛出异常。该机制的实现，是通过迭代器在创建时，对集合进行了快照操作，即迭代器遍历的是原集合的数组快照副本，若在这个过程，集合进行修改操作，会将原有的数组内容复制到新数组上，并在新数组上进行修改，修改完成后，再将集合数组的引用指向新数组，，而读取操作仍然是访问旧的快照副本，故而实现读写分离，保证读取操作的线程安全性。在CopyOnWriteArrayList默认启用该机制。

基于这两个策略，分别写一个案例来说明。

一、迭代器的Fail-Fast（快速失败）机制原理

Fail-Fast（快速失败）机制案例，用集合ArrayList来说明，这里用一个线程就能模拟出该机制——

  public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("张三");
        list.add("李四");
        list.add("王五");
        Iterator iterator = list.iterator();
        while(iterator.hasNext()) {
            //第一次遍历到这里，能正常打印，第二次遍历到这里，因上一次遍历做了list.add("李华")操作，集合已经改变，故而出现Fail-Fast（快速失败）异常
            String item = (String)iterator.next();
            list.add("李华");
            System.out.println(item);
        }
        System.out.println(list);
    }

执行这段代码，打印日志出现异常ConcurrentModificationException，说明在遍历过程当中，操作 list.add("李华")对集合做新增操作后，就会出现Fail-Fast（快速失败）机制，抛出异常，阻止继续进行遍历——

张三
Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
	at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:911)
	at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:861)
	at ListExample.IteratorTest.main(IteratorTest.java:23)

这里面是怎么实现该Fail-Fast（快速失败）机制的呢？

先来看案例里创建迭代器的这行代码Iterator iterator = list.iterator()，底层是这样的——

 public Iterator<E> iterator() {
        return new Itr();
    }

Itr类是ArrayList内部类，实现了Iterator 接口，说明它本质是ArrayList内部一个迭代器。这里省略部分暂时无关紧要的代码，只需关注hasNext()和next()即可——

  private class Itr implements Iterator<E> {
        int cursor;       // 迭代计数器
        int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
        int expectedModCount = modCount;
        //判断是否已经迭代到最后一位
        public boolean hasNext() {
            return cursor != size;
        }
			
    		//取出当前遍历到集合元素
			  public E next() {
          	//判断集合是否有做新增或者删除操作
            checkForComodification();
            int i = cursor;
            if (i >= size)
                throw new NoSuchElementException();
            Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length)
                throw new ConcurrentModificationException();
            cursor = i + 1;
            return (E) elementData[lastRet = i];
        }
    		......
        final void checkForComodification() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
        }
}

再进入案例里的这行代码 String item = (String)iterator.next()底层，也就是Itr类的public E next() {......}方法。

注意next()里的这个方法 checkForComodification()，进入到方法里，可以看到，ConcurrentModificationException异常正是在这个方法里抛出来的，它做了一个判断，判断modCount是否等于expectedModCount，若不等于，就抛出快速失败异常。

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

那么，问题就简单了，研究ArrayList快速失败机制，本质只需要看modCount和expectedModCount是什么，就知道ArrayList的Fail-Fast（快速失败）机制是怎么处理的了。

在内部类Itr中，定义int expectedModCount = modCount，说明expectedModCount是在迭代器new Itr()创建时，就将此时的modCount数值赋值给变量expectedModCount，意味着，在整个迭代器生命周期内，这个expectedModCount是固定的了，从变量名就可以看出，它表示集合预期修改的次数，而modCount应该就是表示列表修改次数。假如迭代器创建时，modCount修改次数是5，那么整个迭代器生命周期内，预期的修改次数expectedModCount就只能等于5。

请注意最为关键的一个地方，modCount是可以变的。

先看一下在ArrayList里，这个modCount是什么？

这个modCount是定义在ArrayList的父类AbstractList里的——

/**
 *这个列表在结构上被修改的次数。结构修改是指改变列表，或者以其他方式扰乱它，使其迭代进步可能产生不正确的结果。
 *
 *该字段由迭代器和列表迭代器实现使用，由{@code迭代器}和{@code listtiterator}方法返回。
 *如果该字段的值发生了意外变化，迭代器(或列表)将返回该字段迭代器)将抛出{@code ConcurrentModificationException} 
 *在响应{@code next}， {@code remove}， {@code previous}，{@code set}或{@code add}操作。这提供了快速故障行为。
 *
 */
protected transient int modCount = 0;

根据注释，可以得知，这是一个专门记录列表被修改的次数，在ArrayList当中，涉及到add新增、remove删除、fastRemove、clear等涉及列表结构改动的操作，，都会通过modCount++形式，增加列表在结构上被修改的次数。

modCount表示列表被修改的次数。

我们在案例代码里，做了add操作——

while(iterator.hasNext()) {
    String item = (String)iterator.next();
    list.add("李华");
    System.out.println(item);
}

进入到ArrayList的add方法源码里，可以看到，在add新增过程中，按照ensureCapacityInternal =》ensureExplicitCapacity执行顺序，最后通过modCount++修改了变量modCount——

public boolean add(E e) {
    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    elementData[size++] = e;
    return true;
}


 private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
 }

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    modCount++;

// overflow-conscious code
	if (minCapacity - elementData.length > 0)
    grow(minCapacity);
}

总结一下，迭代器创建时，变量expectedModCount是被modCount赋值，在整个迭代器等生命周期中，变量expectedModCount值是固定的了，但在第一轮遍历过程中，通过list.add("李华")操作，导致modCount++，最终就会出现expectedModCount != modCount。因此，在迭代器进行第二轮遍历时，执行到 String item = (String)iterator.next()，在next()里调用checkForComodification() 判断expectedModCount是否还等于modCount，这时已经不等于，故而就会抛出ConcurrentModificationException异常，立刻结束迭代器遍历，避免数据不一致。

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

以上，就是集合迭代器的Fail-Fast机制原理。

二、迭代器的Fail-Safe（安全失败）机制原理

Fail-Fast（快速失败）机制案例，用集合CopyOnWriteArrayList来说明，这里用一个线程就能模拟出该机制——

   public static void main(String[] args) {
        CopyOnWriteArrayList<String> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
        list.add("张三");
        list.add("李四");
        list.add("王五");
        Iterator iterator = list.iterator();
        while(iterator.hasNext()) {
            String item = (String)iterator.next();
            list.add("李华");
            System.out.println(item);
        }
        System.out.println("最后全部打印集合结果：" + list);
    }

执行这段代码，正常打印结果，说明在迭代器遍历过程中，对集合做了新增元素操作，并不影响迭代器遍历，新增的元素不会出现在迭代器遍历当中，但是，在迭代器遍历完成后，再一次打印集合，可以看到新增的元素已经在集合里了——

张三
李四
王五
最后全部打印集合结果：[张三, 李四, 王五, 李华, 李华, 李华]

Fail-Safe（安全失败）机制在CopyOnWriteArrayList体现，可以理解成，这是一种读写分离的机制。

下面就看一下CopyOnWriteArrayList是如何实现读写分离的。

先来看迭代器的创建Iterator iterator = list.iterator()，进入到list.iterator()底层源码——

public Iterator<E> iterator() {
    return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
}

这里的COWIterator是一个迭代器，关键有一个地方，在创建迭代器对象，调用其构造器时传入两个参数，分别是getArray()和0。

这里的getArray()方法，获取到一个array数组，它是CopyOnWriteArrayList集合真正存储数据的地方。

final Object[] getArray() {
    return array;
}

另一个参数0，表示迭代器遍历的索引值，刚开始，肯定是从数组下标0开始。

明白getArray()和0这两个参数后，看一下迭代器创建new COWIterator(getArray(), 0)的情况，只需关注与本文有关的代码即可，其他暂时省略——

static final class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
    //列表快照
    private final Object[] snapshot;
    //调用next返回的元素的索引
    private int cursor;

    private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
        cursor = initialCursor;
        snapshot = elements;
    }

    public boolean hasNext() {
        return cursor < snapshot.length;
    }

    ......

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E next() {
        if (! hasNext())
            throw new NoSuchElementException();
        return (E) snapshot[cursor++];
    }
}

在代码案例中，迭代器遍历过程时，通过hasNext()判断集合是否遍历完成，若还有没遍历的元素，就会调用 String item = (String)iterator.next()取出集合对应索引的元素。

从COWIterator类的next()方法中，可以看到，其元素是根据索引cursor从数组snapshot中取出来的。

这个snapshot就相当一个快照副本，在创建迭代器时，即new COWIterator(getArray(), 0)，通过getArray()将此时CopyOnWriteArrayList集合的array数组引用复制给COWIterator的数组snapshot，那么snapshot引用和array引用都将指向同一个数组地址了。

只需保证snapshot指向的数组地址元素不变，那么整个迭代器读取集合数组就不会受影响。

如何做到snapshot指向的数组地址元素不变，但是又需要同时能满足CopyOnWriteArrayList集合的新增或者删除操作呢？

先来看一下CopyOnWriteArrayList的 list.add("李华")操作，具体实现能够在这块源码里看到，主要以下步骤：

1、add方法用到了ReentrantLock锁，在进行新增过程中，通过lock锁保证线程安全。

2、Object[] elements = getArray()这里的getArray()方法，和创建迭代器传的参数getArray()是同一个，都是获取到CopyOnWriteArrayList的array数组。取出array数组以及计算其长度后，创建一个比array数组长度大1的新数组，通过Arrays.copyOf(elements, len + 1)将array数组元素全部复制到新数组newElements。

3、在新数组newElements进行新增元素操作。

4、将CopyOnWriteArrayList的array数组引用指向新数组newElements，这样array=newElements，完成新增操作。

  public boolean add(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
          	//获取到CopyOnWriteArrayList的array数组
            Object[] elements = getArray();
          	//获取array数组长度
            int len = elements.length;
            //将array数组数据，全部复制到一个长度比旧数组多1的新数组里
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
          	//在新数组里，新增一个元素
            newElements[len] = e;
          	//将CopyOnWriteArrayList的array数组引用指向新数组newElements
            setArray(newElements);
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

可见，CopyOnWriteArrayList实现读写分离的原理，就是在COWIterator迭代器创建时，将此时的array数组指向的地址复制给snapshot，相当做了一次快照，迭代器遍历该快照数组地址元素。

后续涉及到列表修改相关的操作，会将原始array数组全部元素复制到一个新数组上，在新数组里面进行修改操作，这样就不会影响到迭代器遍历原来的数组地址里的数据了。（这也表明，这种读写分离只适合读多写少，在写多情况下，会出现性能问题）

新数组修改完毕后，只需将array数组引用指向新数组地址，就能完成修改操作了。

整个过程就能完成读写分离机制，即迭代器的Fail-Safe（安全失败）机制。