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fail-fast机制与ConcurrentModificationException

在软件开发中，fail-fast机制是一种强大的异常处理方式，能够及时发现潜在的系统故障。这种机制通过在异常发生时立即停止正常操作并报告错误，帮助开发者快速定位问题。然而，在Java的集合类应用中，fail-fast机制可能会引发ConcurrentModificationException（以下简称CME），这通常让程序员感到困惑，特别是在明明没有使用多线程的情况下。接下来，我们将深入探讨这个问题的本质及其解决方案。

fail-fast机制的定义

fail-fast机制的核心思想是在系统设计中优先考虑异常情况。一旦检测到潜在的错误或异常，系统会立即停止正常操作，并通过异常报告错误。这种机制通常用于防止程序在执行过程中因潜在错误而继续运行，从而避免数据不一致或其他严重后果。

一个简单的例子：

public int divide(int divisor, int dividend) {    if (dividend == 0) {        throw new RuntimeException("dividend can't be null");    }    return divisor / dividend;}

在上面的代码中，方法首先检查被除数是否为零，如果是，则立即抛出异常。这就是典型的fail-fast机制的应用。这种做法的好处是可以提前识别一些错误，并对这些错误进行针对性处理。

Java集合类中的fail-fast机制

在Java中，fail-fast机制尤其常见于集合类的使用。当多个线程试图对同一个集合进行结构修改时，集合会检测到这种并发修改，并通过抛出ConcurrentModificationException来警告程序员。这种机制默认是启用的。

CME的触发条件

CME通常在以下情况下发生：

CME的复现

我们可以通过以下代码来复现CME：

List
   
     userNames = new ArrayList<>();userNames.add("Hollis");userNames.add("hollis");userNames.add("HollisChuang");userNames.add("H");for (String userName : userNames) {    if (userName.equals("Hollis")) {        userNames.remove(userName);    }}System.out.println(userNames);
   

在上述代码中，foreach循环遍历集合并尝试删除"Hollis"元素。运行该代码会抛出CME，提示并发修改。

CME的原理

CME的触发源于集合的modCount和expectedModCount两个变量的不一致。modCount记录集合的修改次数，而expectedModCount是迭代器在创建时预期的修改次数。当迭代器检测到modCount与expectedModCount不一致时，就会抛出CME。

modCount与expectedModCount的作用

• modCount：每当对集合进行修改操作（如add、remove、clear等）时，modCount会被递增。
• expectedModCount：当创建一个迭代器时，expectedModCount会被设置为当前的modCount。迭代器在每次调用next()时会检查modCount是否等于expectedModCount。

如果modCount与expectedModCount不一致，迭代器会抛出CME。

CME的触发条件

当在增强for循环中对集合进行修改操作时，集合会检测到并发修改，并通过抛出CME来警告程序员。这种机制的目的是防止在集合结构发生变化的情况下继续进行迭代，避免潜在的逻辑错误。

如何解决CME问题

为了避免CME带来的不便，可以使用一些特殊的集合类，这些集合类支持在foreach循环中进行元素的添加或删除操作，而不会抛出CME。这些集合类被称为fail-safe集合。

CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList是一个典型的fail-safe集合类。它的工作原理是基于写时复制的策略，确保在并发环境下可以安全地进行读写操作。

CopyOnWriteArrayList的特点

CopyOnWriteArrayList的实现原理

CopyOnWriteArrayList在写操作时会创建一个新的数组副本，然后在副本上进行操作。这样，在读操作时，直接访问副本中的数据，不会受到原集合的修改影响。

CopyOnWriteArrayList的使用示例

CopyOnWriteArrayList
   
     userNames = new CopyOnWriteArrayList<>();userNames.add("Hollis");userNames.add("hollis");userNames.add("HollisChuang");userNames.add("H");for (String userName : userNames) {    if (userName.equals("Hollis")) {        userNames.remove(userName);    }}System.out.println(userNames);
   

在上述代码中，使用CopyOnWriteArrayList进行增强for循环中的元素删除操作，运行时不会抛出CME。CopyOnWriteArrayList通过复制原集合，确保在读操作时不会受到并发修改的影响。

Copy-On-Write机制

Copy-On-Write（COW）是一种优化策略，通过延迟修改来减少对内存的占用。其核心思想是从共享的数据结构中延迟地创建新的副本，并在副本上进行修改，而不是直接修改原始数据结构。

COW的优点

COW的缺点

总结

fail-fast机制是一种强大的异常处理机制，能够及时发现系统的潜在错误。然而，在Java的集合类中，fail-fast机制可能会在增强for循环中进行元素修改时抛出ConcurrentModificationException。为了避免这种情况，可以使用CopyOnWriteArrayList等fail-safe集合类，它们支持在foreach循环中进行元素的添加或删除操作，而不会抛出CME。