fail-fast（快速失败）机制和fail-safe（安全失败）机制的介绍和区别

fail-fast和fail-safe的区别： 
fail-safe容许在遍历的过程当中对容器中的数据进行修改，而fail-fast则不容许。

fail-fast ( 快速失败 )
fail-fast:直接在容器上进行遍历，在遍历过程当中，一旦发现容器中的数据被修改了，会马上抛出ConcurrentModificationException异常致使遍历失败。java.util包下的集合类都是快速失败机制的, 常见的的使用fail-fast方式遍历的容器有HashMap和ArrayList等。

在使用迭代器遍历一个集合对象时,好比加强for,若是遍历过程当中对集合对象的内容进行了修改(增删改),会抛出ConcurrentModificationException 异常.

fail-fast的出现场景
在咱们常见的java集合中就可能出现fail-fast机制,好比ArrayList，HashMap。在多线程和单线程环境下都有可能出现快速失败。
一、单线程环境下的fail-fast：
ArrayList发生fail-fast例子：

public static void main(String[] args) {
    List<String> list = new ArrayList<>();
    for (int i = 0 ; i < 10 ; i++ ) {
        list.add(i + "");
    }
    Iterator<String> iterator = list.iterator();
    int i = 0 ;
    while(iterator.hasNext()) {
        if (i == 3) {
             list.remove(3);
        }
        System.out.println(iterator.next());
        i ++;
    }
} 
该段代码定义了一个Arraylist集合，并使用迭代器遍历，在遍历过程当中，刻意在某一步迭代中remove一个元素，这个时候，就会发生fail-fast。

HashMap发生fail-fast：

public static void main(String[] args) {
    Map<String, String> map = new HashMap<>();
    for (int i = 0 ; i < 10 ; i ++ ) {
        map.put(i+"", i+"");
    }
    Iterator<Entry<String, String>> it = map.entrySet().iterator();
    int i = 0;
    while (it.hasNext()) {
       if (i == 3) {
           map.remove(3+"");
       }
       Entry<String, String> entry = it.next();
       System.out.println("key= " + entry.getKey() + " and value= " + entry.getValue());
          i++;
    }
}
该段代码定义了一个hashmap对象并存放了10个键值对，在迭代遍历过程当中，使用map的remove方法移除了一个元素，致使抛出了ConcurrentModificationException异常：

二、多线程环境下：

public class FailFastTest {
     public static List<String> list = new ArrayList<>();
 
     private static class MyThread1 extends Thread {
           @Override
           public void run() {
                Iterator<String> iterator = list.iterator();
                while(iterator.hasNext()) {
                     String s = iterator.next();
                     System.out.println(this.getName() + ":" + s);
                     try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                }
                super.run();
           }
     }
 
     private static class MyThread2 extends Thread {
           int i = 0;
           @Override
           public void run() {
                while (i < 10) {
                     System.out.println("thread2:" + i);
                     if (i == 2) {
                        list.remove(i);
                     }
                     try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                     i ++;
                }
           }
     }
 
     public static void main(String[] args) {
           for(int i = 0 ; i < 10;i++){
            list.add(i+"");
        }
           MyThread1 thread1 = new MyThread1();
           MyThread2 thread2 = new MyThread2();
           thread1.setName("thread1");
           thread2.setName("thread2");
           thread1.start();
           thread2.start();
     }
}
启动两个线程，分别对其中一个对list进行迭代，另外一个在线程1的迭代过程当中去remove一个元素，结果也是抛出了java.util.ConcurrentModificationException

fail-fast的原理：

fail-fast是如何抛出ConcurrentModificationException异常的，又是在什么状况下才会抛出?
咱们知道，对于集合如list，map类，咱们均可以经过迭代器来遍历，而Iterator其实只是一个接口，具体的实现仍是要看具体的集合类中的内部类去实现Iterator并实现相关方法。这里咱们就以ArrayList类为例。在ArrayList中，当调用list.iterator()时，其源码是： 

public Iterator<E> iterator() {
        return new Itr();
}
即它会返回一个新的Itr类，而Itr类是ArrayList的内部类，实现了Iterator接口，下面是该类的源码：

    /**
     * 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;
 
        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
        @SuppressWarnings("unchecked")
        public void forEachRemaining(Consumer<? super E> consumer) {
            Objects.requireNonNull(consumer);
            final int size = ArrayList.this.size;
            int i = cursor;
            if (i >= size) {
                return;
            }
            final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
            while (i != size && modCount == expectedModCount) {
                consumer.accept((E) elementData[i++]);
            }
            // update once at end of iteration to reduce heap write traffic
            cursor = i;
            lastRet = i - 1;
            checkForComodification();
        }
 
        final void checkForComodification() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }
其中，有三个属性：

int cursor;       // index of next element to return
int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
int expectedModCount = modCount;
cursor是指集合遍历过程当中的即将遍历的元素的索引，lastRet是cursor -1，默认为-1，即不存在上一个时，为-1，它主要用于记录刚刚遍历过的元素的索引。expectedModCount这个就是fail-fast判断的关键变量了，它初始值就为ArrayList中的modCount。（modCount是抽象类AbstractList中的变量，默认为0，而ArrayList 继承了AbstractList ，因此也有这个变量，modCount用于记录集合操做过程当中做的修改次数，与size仍是有区别的，并不必定等于size）
咱们一步一步来看：

public boolean hasNext() {
      return cursor != size;
}
迭代器迭代结束的标志就是hasNext()返回false，而该方法就是用cursor游标和size(集合中的元素数目)进行对比，当cursor等于size时，表示已经遍历完成。
接下来看看最关心的next()方法，看看为何在迭代过程当中，若是有线程对集合结构作出改变，就会发生fail-fast：

@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];
}
从源码知道，每次调用next()方法，在实际访问元素前，都会调用checkForComodification方法，该方法源码以下：

final void checkForComodification() {
    if (modCount != expectedModCount)
      throw new ConcurrentModificationException();
}
能够看出，该方法才是判断是否抛出ConcurrentModificationException异常的关键。在该段代码中，当modCount != expectedModCount时，就会抛出该异常。可是在一开始的时候，expectedModCount初始值默认等于modCount，为何会出现modCount != expectedModCount，很明显expectedModCount在整个迭代过程除了一开始赋予初始值modCount外，并无再发生改变，因此可能发生改变的就只有modCount，在前面关于ArrayList扩容机制的分析中，能够知道在ArrayList进行add，remove，clear等涉及到修改集合中的元素个数的操做时，modCount就会发生改变(modCount ++),因此当另外一个线程(并发修改)或者同一个线程遍历过程当中，调用相关方法使集合的个数发生改变，就会使modCount发生变化，这样在checkForComodification方法中就会抛出ConcurrentModificationException异常。
相似的，hashMap中发生的原理也是同样的。

避免fail-fast的方法：
了解了fail-fast机制的产生原理，接下来就看看如何解决fail-fast
方法1
在单线程的遍历过程当中，若是要进行remove操做，能够调用迭代器的remove方法而不是集合类的remove方法。看看ArrayList中迭代器的remove方法的源码：

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();
  }
}
  能够看到，该remove方法并不会修改modCount的值，而且不会对后面的遍历形成影响，由于该方法remove不能指定元素，只能remove当前遍历过的那个元素，因此调用该方法并不会发生fail-fast现象。该方法有局限性。

例子：

public static void main(String[] args) {
   List<String> list = new ArrayList<>();
   for (int i = 0 ; i < 10 ; i++ ) {
       list.add(i + "");
   }
   Iterator<String> iterator = list.iterator();
   int i = 0 ;
   while(iterator.hasNext()) {
       if (i == 3) {
           iterator.remove(); //迭代器的remove()方法
       }
       System.out.println(iterator.next());
       i ++;
   }
}
方法2

使用fail-safe机制，使用java并发包(java.util.concurrent)中的CopyOnWriterArrayList类来代替ArrayList，使用 ConcurrentHashMap来代替hashMap。

fail-safe ( 安全失败 )
fail-safe:这种遍历基于容器的一个克隆。所以，对容器内容的修改不影响遍历。java.util.concurrent包下的容器都是安全失败的,能够在多线程下并发使用,并发修改。常见的的使用fail-safe方式遍历的容器有ConcerrentHashMap和CopyOnWriteArrayList等。

原理：

采用安全失败机制的集合容器，在遍历时不是直接在集合内容上访问的，而是先复制原有集合内容，在拷贝的集合上进行遍历。因为迭代时是对原集合的拷贝进行遍历，因此在遍历过程当中对原集合所做的修改并不能被迭代器检测到，因此不会触发Concurrent Modification Exception。

缺点：基于拷贝内容的优势是避免了Concurrent Modification Exception，但一样地，迭代器并不能访问到修改后的内容，即：迭代器遍历的是开始遍历那一刻拿到的集合拷贝，在遍历期间原集合发生的修改迭代器是不知道的。
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