大白话之 fail-fast | fail-safe：为什么会有这个机制？它有什么作用？

前言

阅读本篇文章，你需要了解下列知识：

• 多线程的实现（看过来）
• Iterator 的使用
• ArrayList 的使用和如何实现 Iterator

为什么会有这个机制？

举个栗子

1. 有一杯水、两个人（黄渤和红雷）
2. 黄渤拿起了水杯，开始喝水
3. 红雷到达案发现场，想抢走水杯喝水
4. 黄渤很生气，并锤了红雷一顿

映射关系

将上面的栗子翻译一下：

1. 有一个 ArrayList、两个线程（Thread1 和 Thread2）
2. Thread1 请求并开始使用 Iterator 遍历 ArrayList
3. Thread2 随后紧跟请求对 ArrayList 进行修改
4. 由于 Thread1 正在遍历 ArrayList，ArrayList 对 Thread2 扔出 ConcurrentModificationException

继承关系

Tip 如果下面的知识让你难以搞懂，可以直接跳过，在深入学习接口和继承后，再回来看一遍。

看起来有些困难？没关系。

ArrayList继承了Iterable接口，实现了基于Iterator的遍历功能。

ArrayList 实现 Iterator 的部分源码如下：

    /**
     * An optimized version of AbstractList.Itr
     */
    private class Itr implements Iterator<E> {
        int cursor;       // index of next element to return
        int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
        int expectedModCount = modCount;

        // prevent creating a synthetic constructor
        Itr() {}

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

        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E next() {
            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];
        }

        public void remove() {
            if (lastRet < 0)
                throw new IllegalStateException();
            checkForComodification();

            try {
                ArrayList.this.remove(lastRet);
                cursor = lastRet;
                lastRet = -1;
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }

        @Override
        public void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
            Objects.requireNonNull(action);
            final int size = ArrayList.this.size;
            int i = cursor;
            if (i < size) {
                final Object[] es = elementData;
                if (i >= es.length)
                    throw new ConcurrentModificationException();
                for (; i < size && modCount == expectedModCount; i++)
                    action.accept(elementAt(es, i));
                // update once at end to reduce heap write traffic
                cursor = i;
                lastRet = i - 1;
                checkForComodification();
            }
        }

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

throw new ConcurrentModificationException(); 在 Itr 类中被赋予了四次条件执行：

它有什么作用？

当多个线程同时对一个对象进行高频率的增删改查时，可能会出现数据异常。

实例

例子很简单，我们创建两个线程，Thread1 访问修改 ArrayList，Thread2 在 Thread1 尚未访问完毕时同时对 ArrayList 进行访问修改：

打开你的 IDE，新建类 Main.java 并复制下方代码：

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Date;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;

public class Main {
    //需要操作的ArrayList
    private static List arrayList = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) {
        //将类Thr实例化为两个线程
        Thread thread1 = new Thr();
        Thread thread2 = new Thr();
        //同时启动两个线程进行操作
        thread1.start();
        thread2.start();
    }

    private static void printAll(String threadName) {
        System.out.println("由线程" + threadName + "遍历后，当前ArrayList的内容：");
        //获取ArrayList的Iterator枚举器
        Iterator iterator = arrayList.iterator();
        //将ArrayList中全部内容遍历并打印
        while(iterator.hasNext()) {
            System.out.print(iterator.next());
        }
        System.out.println();
    }

    static class Thr extends Thread {
        public void run() {
            System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "开始运行！当前时间" + new SimpleDateFormat("mm:ss:SS").format(new Date()));
            //将0-5写入到ArrayList中，每次写入打印一次ArrayList中全部的内容
            for (int i = 0; i < 5; i++) {
                //将i写入到ArrayList
                arrayList.add(i);
                //打印ArrayList中全部的内容
                printAll(Thread.currentThread().getName());
            }
        }
    }

}

运行结果：

线程Thread-0开始运行！当前时间14:04:358
线程Thread-1开始运行！当前时间14:04:359
由线程Thread-1遍历后，当前ArrayList的内容：
0由线程Thread-0遍历后，当前ArrayList的内容：
00
由线程Thread-0遍历后，当前ArrayList的内容：
001
由线程Thread-0遍历后，当前ArrayList的内容：
0012
由线程Thread-0遍历后，当前ArrayList的内容：
0Exception in thread "Thread-1" 00123
由线程Thread-0遍历后，当前ArrayList的内容：
0java.util.ConcurrentModificationException
01234
	at java.base/java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:1042)
	at java.base/java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:996)
	at failfast.Main.printAll(Main.java:28)
	at failfast.Main$Thr.run(Main.java:41)

请注意 你的运行结果可能和我的运行结果会有以下两种偏差：

1. 两个线程的启动顺序、启动时间
2. 可能不会产生报错（由于两个线程读取 ArrayList 的时间恰巧错开）

你可能发现了一个规律：

结果是随机的，最重要的是 ConcurrentModificationException 是不稳定的。即使两个线程同时访问，也有一部分可能性不会抛出 ConcurrentModificationException。

为什么呢？让我们看看官方对 fail-fast机制 的解释：

下方解释部分来源于 https://www.cnblogs.com/kubidemanong/articles/9113820.html

迭代器的 fail-fast 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，是不能够保证错误一定被抛出的。但是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 fail-fast 行为应该仅用于检测程序中的 Bug。

避免 fail-fast

ArrayList 使用 fail-fast机制 自然是因为它增强了数据的安全性。但在某些场景，我们可能想避免 fail-fast机制 产生的错误，这时我们就要将 ArrayList 替换为使用 fail-safe 机制的 CopyOnWriteArrayList：

将：

private static List arrayList = new ArrayList<>();

修改为：

private static List arrayList = new CopyOnWriteArrayList<>();

CopyOnWriteArrayList 在 Iterator 的实现上没有设计抛出 ConcurrentModificationException 的代码段，所以便避免了 fail-fast机制 错误的抛出。我们将它称之为 fail-safe机制。

后语

本篇篇幅较长，涉及的知识点较乱。如果你有问题，可以在下方评论中提出；如果你发现本篇文章中存在误导内容，也请在评论中及时告知，谢谢！