fail-fast 机制是java集合(Collection)中的一种错误机制。当多个线程对同一个集合的内容进行操作时，就可能会产生fail-fast事件（其实本质不是为了防止多线程修改，后面会讲到）。
例如：当某一个线程A通过iterator去遍历某集合的过程中，若该集合的内容被其他线程所改变了；那么线程A访问集合时，就会抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。
import java.util.*;
import java.util.concurrent.*;
/*
* @desc java集合中Fast-Fail的测试程序。
*
* fast-fail事件产生的条件：当多个线程对Collection进行操作时，若其中某一个线程通过iterator去遍历集合时，该集合的内容被其他线程所改变；则会抛出ConcurrentModificationException异常。
* fast-fail解决办法：通过util.concurrent集合包下的相应类去处理，则不会产生fast-fail事件。
*
* 本例中，分别测试ArrayList和CopyOnWriteArrayList这两种情况。ArrayList会产生fast-fail事件，而CopyOnWriteArrayList不会产生fast-fail事件。
* (01) 使用ArrayList时，会产生fast-fail事件，抛出ConcurrentModificationException异常；定义如下：
* private static List<String> list = new ArrayList<String>();
* (02) 使用时CopyOnWriteArrayList，不会产生fast-fail事件；定义如下：
* private static List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();
*
* @author skywang
*/
public class FastFailTest {
private static List<String> list = new ArrayList<String>();
//private static List<String> list = new CopyOnWriteArrayList<String>();
public static void main(String[] args) {
// 同时启动两个线程对list进行操作！
new ThreadOne().start();
new ThreadTwo().start();
}
private static void printAll() {
System.out.println("");
String value = null;
Iterator iter = list.iterator();
while(iter.hasNext()) {
value = (String)iter.next();
System.out.print(value+", ");
}
}
/**
* 向list中依次添加0,1,2,3,4,5，每添加一个数之后，就通过printAll()遍历整个list
*/
private static class ThreadOne extends Thread {
public void run() {
int i = 0;
while (i<6) {
list.add(String.valueOf(i));
printAll();
i++;
}
}
}
/**
* 向list中依次添加10,11,12,13,14,15，每添加一个数之后，就通过printAll()遍历整个list
*/
private static class ThreadTwo extends Thread {
public void run() {
int i = 10;
while (i<16) {
list.add(String.valueOf(i));
printAll();
i++;
}
}
}
}
运行该代码，抛出异常java.util.ConcurrentModificationException！即，产生fail-fast事件！
再来一个例子
String[] stringArray = {"a","b","c","d"};
List<String> strings = Arrays.asList(stringArray);
Iterator<String> iterator = strings.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
if(iterator.next().equals("c")) {
strings.remove("c");
}
}
更加常见的是在foreach(本质一样，都是调用Iterator时，操作了原始的strings)语句中：
for(String s : strings) {
if(s.equals("c")) {
strings.remove("c");
}
}
产生fail-fast事件，是通过抛出ConcurrentModificationException异常来触发的。那么，ArrayList是如何抛出ConcurrentModificationException异常的呢?
ConcurrentModificationException是在操作Iterator时抛出的异常。我们先看看Iterator的源码。ArrayList的Iterator是在父类AbstractList.java中实现的。代码如下：
package java.util;
public abstract class AbstractList<E> extends AbstractCollection<E> implements List<E> {
...
// AbstractList中唯一的属性
// 用来记录List修改的次数：每修改一次(添加/删除等操作)，将modCount+1
protected transient int modCount = 0;
// 返回List对应迭代器。实际上，是返回Itr对象。
public Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}
// Itr是Iterator(迭代器)的实现类
private class Itr implements Iterator<E> {
int cursor = 0;
int lastRet = -1;
// 修改数的记录值。
// 每次新建Itr()对象时，都会保存新建该对象时对应的modCount；
// 以后每次遍历List中的元素的时候，都会比较expectedModCount和modCount是否相等；
// 若不相等，则抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。
int expectedModCount = modCount;
public boolean hasNext() {
return cursor != size();
}
public E next() {
// 获取下一个元素之前，都会判断“新建Itr对象时保存的modCount”和“当前的modCount”是否相等；
// 若不相等，则抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。
checkForComodification();
try {
E next = get(cursor);
lastRet = cursor++;
return next;
} catch (IndexOutOfBoundsException e) {
checkForComodification();
throw new NoSuchElementException();
}
}
public void remove() {
if (lastRet == -1)
throw new IllegalStateException();
checkForComodification();
try {
AbstractList.this.remove(lastRet);
if (lastRet < cursor)
cursor--;
lastRet = -1;
expectedModCount = modCount;
} catch (IndexOutOfBoundsException e) {
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
final void checkForComodification() {
if (modCount != expectedModCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}
}
...
}
从中，我们可以发现在调用 next() 和 remove()时，都会执行 checkForComodification()。若 “modCount 不等于 expectedModCount”，则抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。
要搞明白 fail-fast机制，我们就要需要理解什么时候“modCount 不等于 expectedModCount”！从Itr类中，我们知道 expectedModCount 在创建Itr对象时，被赋值为 modCount。通过Itr，我们知道：expectedModCount不可能被修改为不等于 modCount。所以，需要考证的就是modCount何时会被修改。
接下来，我们查看ArrayList的源码，来看看modCount是如何被修改的。
package java.util;
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
...
// list中容量变化时，对应的同步函数
public void ensureCapacity(int minCapacity) {
modCount++;
int oldCapacity = elementData.length;
if (minCapacity > oldCapacity) {
Object oldData[] = elementData;
int newCapacity = (oldCapacity * 3)/2 + 1;
if (newCapacity < minCapacity)
newCapacity = minCapacity;
// minCapacity is usually close to size, so this is a win:
elementData = Arrays.copyOf(elementData, newCapacity);
}
}
// 添加元素到队列最后
public boolean add(E e) {
// 修改modCount
ensureCapacity(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
// 添加元素到指定的位置
public void add(int index, E element) {
if (index > size || index < 0)
throw new IndexOutOfBoundsException(
"Index: "+index+", Size: "+size);
// 修改modCount
ensureCapacity(size+1); // Increments modCount!!
System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
size - index);
elementData[index] = element;
size++;
}
// 添加集合
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
Object[] a = c.toArray();
int numNew = a.length;
// 修改modCount
ensureCapacity(size + numNew); // Increments modCount
System.arraycopy(a, 0, elementData, size, numNew);
size += numNew;
return numNew != 0;
}
// 删除指定位置的元素
public E remove(int index) {
RangeCheck(index);
// 修改modCount
modCount++;
E oldValue = (E) elementData[index];
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index, numMoved);
elementData[--size] = null; // Let gc do its work
return oldValue;
}
// 快速删除指定位置的元素
private void fastRemove(int index) {
// 修改modCount
modCount++;
int numMoved = size - index - 1;
if (numMoved > 0)
System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
numMoved);
elementData[--size] = null; // Let gc do its work
}
// 清空集合
public void clear() {
// 修改modCount
modCount++;
// Let gc do its work
for (int i = 0; i < size; i++)
elementData[i] = null;
size = 0;
}
...
}
从中，我们发现：无论是add()、remove()，还是clear()，只要涉及到修改集合中的元素个数时，都会改变modCount的值。
我们再系统的梳理一下fail-fast是怎么产生的
(01) 新建了一个ArrayList，名称为arrayList。
(02) 向arrayList中添加内容。
(03) 新建一个“线程a”，并在“线程a”中通过Iterator反复的读取arrayList的值。
(04) 新建一个“线程b”，在“线程b”中删除arrayList中的一个“节点A”。
(05) 这时，就会产生有趣的事件了。
在某一时刻，“线程a”创建了arrayList的Iterator。此时“节点A”仍然存在于arrayList中，创建arrayList时，expectedModCount = modCount(假设它们此时的值为N)。
在“线程a”在遍历arrayList过程中的某一时刻，“线程b”执行了，并且“线程b”删除了arrayList中的“节点A”。“线程b”执行remove()进行删除操作时，在remove()中执行了“modCount++”，此时modCount变成了N+1！
“线程a”接着遍历，当它执行到next()函数时，调用checkForComodification()比较“expectedModCount”和“modCount”的大小；而“expectedModCount=N”，“modCount=N+1”,这样，便抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。
当多个线程对同一个集合进行操作的时候，某线程访问集合的过程中，该集合的内容被其他线程所改变(即其它线程通过add、remove、clear等方法，改变了modCount的值)；这时，就会抛出ConcurrentModificationException异常，产生fail-fast事件。
解决fail-fast
说明了“解决fail-fast机制的办法”，也知道了“fail-fast产生的根本原因”。接下来，我们再进一步谈谈java.util.concurrent包中是如何解决fail-fast事件的。
还是以和ArrayList对应的CopyOnWriteArrayList进行说明。我们先看看CopyOnWriteArrayList的源码：
package java.util.concurrent;
import java.util.*;
import java.util.concurrent.locks.*;
import sun.misc.Unsafe;
public class CopyOnWriteArrayList<E>
implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
...
// 返回集合对应的迭代器
public Iterator<E> iterator() {
return new COWIterator<E>(getArray(), 0);
}
...
private static class COWIterator<E> implements ListIterator<E> {
private final Object[] snapshot;
private int cursor;
private COWIterator(Object[] elements, int initialCursor) {
cursor = initialCursor;
// 新建COWIterator时，将集合中的元素保存到一个新的拷贝数组中。
// 这样，当原始集合的数据改变，拷贝数据中的值也不会变化。
snapshot = elements;
}
public boolean hasNext() {
return cursor < snapshot.length;
}
public boolean hasPrevious() {
return cursor > 0;
}
public E next() {
if (! hasNext())
throw new NoSuchElementException();
return (E) snapshot[cursor++];
}
public E previous() {
if (! hasPrevious())
throw new NoSuchElementException();
return (E) snapshot[--cursor];
}
public int nextIndex() {
return cursor;
}
public int previousIndex() {
return cursor-1;
}
public void remove() {
throw new UnsupportedOperationException();
}
public void set(E e) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
public void add(E e) {
throw new UnsupportedOperationException();
}
}
...
}
(01) 和ArrayList继承于AbstractList不同，CopyOnWriteArrayList没有继承于AbstractList，它仅仅只是实现了List接口。
(02) ArrayList的iterator()函数返回的Iterator是在AbstractList中实现的；而CopyOnWriteArrayList是自己实现Iterator。
(03) ArrayList的Iterator实现类中调用next()时，会“调用checkForComodification()比较‘expectedModCount’和‘modCount’的大小”；但是，CopyOnWriteArrayList的Iterator实现类中，没有所谓的checkForComodification()，更不会抛出ConcurrentModificationException异常！
那既然我们可以有线程安全的集合替代品，那么为什么还要存在ArrayList等呢？因为线程安全的类通常需要通过各种手段去保持对数据访问的同步，所以通常来说效率会比较差。而如果使用者清楚自身使用场景不存在并发的场景，那么使用非线程安全的集合类在速度上有很大的优势。
如果开发者在使用时没有注意，将非线程安全的集合类用在了并发的场景下，比如线程A获取了ArrayList的iterator,然后线程B通过调用ArrayList.add()修改了ArrayList的数据，此时就有可能会抛出ConcurrentModificationException，注意，这里是有可能。
深入理解
前面我们提到当多个线程对同一个集合的内容进行操作时，就可能会产生fail-fast事件，仿佛fail-fast就是为了防止多线程问题而产生的机制，其实并非如此，其实java集合中modcount并没有volatile关键字，如果一个线程修改了modcount可能另一个线程并不能立刻感知，也就无法抛出并发修改异常了。
在真正的并发场景下，这个fast-fail机制并不能真正即使发现另外线程访问并修改ArrayList中的数据。原因如下：
modCount的定义protected transient int modCount = 0;。你没有看错，它就是一个普通的变量，那么在并发场景下由于共享对象的不可见性，有可能别的线程修改了ArrayList中的modCount，而iterator所在的线程却并没有读取到这个更新。HashMap在1.6以前确实是用了volatile来修饰了modCount来保证各个线程直接对modCount的可见性，但是在1.7里面把这个修饰去掉了，而且认为这是一个bug。所以Java7去掉volatitle,可悲啊。JDK的开发者认为为了这么个破事而需要使用volatitle简直浪费效率。
就算是使用volatitle就完事大吉了吗？nono，举个最简单的例子，线程A获取了一个集合类的Iterator,线程B调用了集合类的add(),在add()还没有执行到modCount++时，线程A获取执行，并执行结束。在这种场景下，执行结果并不确定。对于ArrayList的Iterator来说，有可能会报一个数组越界的异常...
本质上fail-fast机制是确保集合类遍历过程中集合类不会出现结构性修改（增、删元素）一般认为在遍历时出现结构性修改那么遍历将无法保证所有元素均能被遍历到（新增时）也无法顺利完成遍历（删除时）
要在遍历是进行结构性修改必须配合Iterator提供的remove()方法。
modCount本身就不是为多线程准备的，再多线程情况下诸如ArrayList之类的集合类连本身线程安全都保证不了，又有什么必要去设计一个线程安全的
modCount呢？
Since the modCount mechanism comes with no guarantees, and users of
single-threaded collections do not expect to pay the (high) price
of a volatile write on every modification operation, the volatile
modifier should be removed.
小结
fast-fail是JDK为了提示开发者将非线程安全的类使用到并发的场景下时，抛出一个异常，及早发现代码中的问题。但正如本文前面所述，这种机制却不能绝对正确地给出提示，而且老的JDK版本为了更好地支持这个机制还付出了一定的效率代价。
fast-fail存在的唯一价值可能就是给新手制造一些迷惑，给他深入探索的动力...
