fail-fast机制

fail-fast 机制是java集合(Collection)中的一种错误机制。它只能被用来检测错误，因为JDK并不保证fail-fast机制一定会发生。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。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。

这种“ 及时失败” 的迭代器井不是一种完备的处理机制，而只是“ 善意地” 捕获并发错误，因此只能作为并发问题的预警指示器。

ArrayList也采用了快速失败的机制，通过记录modCount参数来实现。在面对并发的修改时，迭代器很快就会完全失败，而不是冒着在将来某个不确定时间发生任意不确定行为的风险。
这里其实就是fail-fast机制的实现原理了，将修改计数器的变化与容器关联起来：首先在构造迭代器的时候，将当前的修改计数器的值保存，之后进行遍历的时候，每访问一个数据，都要检查当前集合的修改次数是否合法，如果有其他线程修改了集合，那么modCount就会被修改，当前修改计数器的值与之前保存的值（即期望值）不同，那么将抛出ConcurrentModificationException。

public class FailFastTest {

    static final List<Integer> list = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            exec.execute(() -> {
                add((int)(Math.random() * 10));
                print();
            });
        }
    }

    private static void add(int number) {
        list.add(number);
    }

    private static void print() {
        Iterator iterator = list.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            System.out.println(iterator.next());
        }
    }
}

以上代码会抛出java.util.ConcurrentModificationException异常

Iterator<String> it = list.iterator();
        while(it.hasNext()){
            if("cc".equals(it.next())){
                list.add("kk");
            }
        }
		
以上代码会抛出java.util.ConcurrentModificationException异常,迭代器和list同时对集合进行操作
解决办法：事情让一个“人”做 --》引入新的迭代器：ListIterator
迭代和添加操作都是靠ListIterator来完成的：
 ListIterator<String> it = list.listIterator();
        while(it.hasNext()){
            if("cc".equals(it.next())){
                it.add("kk");
            }
        }

深入ArrayList源码看fast-fail的原理

首先看下ArrayList中的内部类Itr的域

private class Itr implements Iterator<E> {
    //迭代器下一个元素的索引
    int cursor;

    //迭代器上一个元素的索引
    int lastRet = -1;

    //在创建一个迭代器时，将当前ArrayList的修改次数赋值给expectedModCount保存
    int expectedModCount = modCount;
}

在上面的示例中，我们可以看到一般的迭代过程是

Iterator iterator = list.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
        System.out.println(iterator.next());
    }

iterator()、hasNext()、next()三个方法：

• iterator()：没有做任何处理，不过构造时三个域会进行初始化-
  Itr() {}
• hasNext()：判断下一个元素索引是否等于ArrayList的大小，等于说明没有元素了

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

重点看next()方法

public E next() {
    checkForComodification();                               //1
    int i = cursor;                                         //2
    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];
}

在获取下一个元素之前，先调用checkForComodification()进行了检查，检查当前集合的修改次数是不是跟之前保存的相同，如果相同则表示没有被其他线程修改，

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

modCount：modCount 是 AbstractList 的属性值：`protected transient int modCount = 0; 他是一个修改次数计数器，实例化一个集合之后，每次修改（源码的注释成为结构性修改），比如set，add，clear等，计数器都会加1。

这里其实就是fail-fast机制的实现原理了，将修改计数器的变化与容器关联起来：首先在构造迭代器的时候，将当前的修改计数器的值保存，之后进行遍历的时候，每访问一个数据，都要检查当前集合的修改次数是否合法，如果有其他线程修改了集合，那么modCount就会被修改，当前修改计数器的值与之前保存的值（即期望值）不同，那么将抛出ConcurrentModificationException。

fail-fast的解决办法

使用java.util.concurrent.*下的工具类
通过前面的实例、源码分析，我想各位已经基本了解了fail-fast的机制，下面我就产生的原因提出解决方案。这里有两种解决方案：

方案一：Collections.synchronizedList
在遍历过程中所有涉及到改变modCount值得地方全部加上synchronized或者直接使用Collections.synchronizedList，这样就可以解决。但是不推荐，因为增删造成的同步锁可能会阻塞遍历操作。

方案二：使用CopyOnWriteArrayList来替换ArrayList。推荐使用该方案。
读多写少的并发场景
ArrayList 的一个线程安全的变体，其中所有可变操作（add、set 等等）都是通过对底层数组进行一次新的复制来实现的。 该类产生的开销比较大，但是在两种情况下，它非常适合使用。
1：在不能或不想进行同步遍历，但又需要从并发线程中排除冲突时。
2：当遍历操作的数量大大超过可变操作的数量时。遇到这两种情况使用CopyOnWriteArrayList来替代ArrayList再适合不过了。

CopyOnWriteArrayList

写入时复制（CopyOnWrite）思想

　　写入时复制（CopyOnWrite，简称COW）思想是计算机程序设计领域中的一种优化策略。其核心思想是，如果有多个调用者（Callers）同时要求相同的资源（如内存或者是磁盘上的数据存储），他们会共同获取相同的指针指向相同的资源，直到某个调用者视图修改资源内容时，系统才会真正复制一份专用副本（private copy）给该调用者，而其他调用者所见到的最初的资源仍然保持不变。这过程对其他的调用者都是透明的（transparently）。此做法主要的优点是如果调用者没有修改资源，就不会有副本（private copy）被创建，因此多个调用者只是读取操作时可以共享同一份资源。

CopyOnWriteArrayList的实现原理

　　在使用CopyOnWriteArrayList之前，我们先阅读其源码了解下它是如何实现的。以下代码是向CopyOnWriteArrayList中add方法的实现（向CopyOnWriteArrayList里添加元素），可以发现在添加的时候是需要加锁的，否则多线程写的时候会Copy出N个副本出来。

/**
     * Appends the specified element to the end of this list.
     *
     * @param e element to be appended to this list
     * @return <tt>true</tt> (as specified by {@link Collection#add})
     */
    public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //获得锁
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        //复制一个新的数组
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        //插入新值
        newElements[len] = e;
        //将新的数组指向原来的引用
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        //释放锁
        lock.unlock();
    }
}

读的时候不需要加锁，如果读的时候有多个线程正在向CopyOnWriteArrayList添加数据，读还是会读到旧的数据，因为写的时候不会锁住旧的CopyOnWriteArrayList。

public E get(int index) {
    return get(getArray(), index);
}

JDK中并没有提供CopyOnWriteMap，我们可以参考CopyOnWriteArrayList来实现一个，基本代码如下：

import java.util.Collection;
import java.util.Map;
import java.util.Set;
 
public class CopyOnWriteMap<K, V> implements Map<K, V>, Cloneable {
    private volatile Map<K, V> internalMap;
 
    public CopyOnWriteMap() {
        internalMap = new HashMap<K, V>();
    }
 
    public V put(K key, V value) {
 
        synchronized (this) {
            Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
            V val = newMap.put(key, value);
            internalMap = newMap;
            return val;
        }
    }
 
    public V get(Object key) {
        return internalMap.get(key);
    }
 
    public void putAll(Map<? extends K, ? extends V> newData) {
        synchronized (this) {
            Map<K, V> newMap = new HashMap<K, V>(internalMap);
            newMap.putAll(newData);
            internalMap = newMap;
        }
    }
}

实现很简单，只要了解了CopyOnWrite机制，我们可以实现各种CopyOnWrite容器，并且在不同的应用场景中使用。

几个要点

• 实现了List接口
• 内部持有一个ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
• 底层是用volatile transient声明的数组 array
• 读写分离，写时复制出一个新的数组，完成插入、修改或者移除操作后将新数组赋值给array

volatile （挥发物、易变的）：变量修饰符，只能用来修饰变量。volatile修饰的成员变量在每次被线程访问时，都强迫从共享内存中重读该成员变量的值。而且，当成员变量发生变 化时，强迫线程将变化值回写到共享内存。这样在任何时刻，两个不同的线程总是看到某个成员变量的同一个值。
transient （暂短的、临时的）：修饰符，只能用来修饰字段。在对象序列化的过程中，标记为transient的变量不会被序列化。

增删改查

public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //获得锁
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        //复制一个新的数组
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        //插入新值
        newElements[len] = e;
        //将新的数组指向原来的引用
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        //释放锁
        lock.unlock();
    }
}

   
public void add(int index, E element) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        if (index > len || index < 0)
            throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index+
                                                ", Size: "+len);
        Object[] newElements;
        int numMoved = len - index;
        if (numMoved == 0)
            newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        else {
            newElements = new Object[len + 1];
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            System.arraycopy(elements, index, newElements, index + 1,
                             numMoved);
        }
        newElements[index] = element;
        setArray(newElements);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

public E remove(int index) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //获得锁
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        E oldValue = get(elements, index);
        int numMoved = len - index - 1;
        if (numMoved == 0)
            //如果删除的元素是最后一个，直接复制该元素前的所有元素到新的数组
            setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
        else {
            //创建新的数组
            Object[] newElements = new Object[len - 1];
            //将index+1至最后一个元素向前移动一格
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                             numMoved);
            setArray(newElements);
        }
        return oldValue;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

public E set(int index, E element) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    //获得锁
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        E oldValue = get(elements, index);

        if (oldValue != element) {
            int len = elements.length;
            //创建新数组
            Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len);
            //替换元素
            newElements[index] = element;
            //将新数组指向原来的引用
            setArray(newElements);
        } else {
            // Not quite a no-op; ensures volatile write semantics
            setArray(elements);
        }
        return oldValue;
    } finally {
        //释放锁
        lock.unlock();
    }
}

//直接获取index对应的元素
public E get(int index) {return get(getArray(), index);}
private E get(Object[] a, int index) {return (E) a[index];}

CopyOnWrite的应用场景

CopyOnWrite并发容器用于**读多写少**的并发场景。比如白名单，黑名单，商品类目的访问和更新场景，假如我们有一个搜索网站，用户在这个网站的搜索框中，输入关键字搜索内容，但是某些关键字不允许被搜索。这些不能被搜索的关键字会被放在一个黑名单当中，黑名单每天晚上更新一次。当用户搜索时，会检查当前关键字在不在黑名单当中，如果在，则提示不能搜索。实现代码如下：

import java.util.Map;
 
import com.ifeve.book.forkjoin.CopyOnWriteMap;
 
/**
 * 黑名单服务
 *
 * @author fangtengfei
 *
 */
public class BlackListServiceImpl {
 
    private static CopyOnWriteMap<String, Boolean> blackListMap = new CopyOnWriteMap<String, Boolean>(
            1000);
 
    public static boolean isBlackList(String id) {
        return blackListMap.get(id) == null ? false : true;
    }
 
    public static void addBlackList(String id) {
        blackListMap.put(id, Boolean.TRUE);
    }
 
    /**
     * 批量添加黑名单
     *
     * @param ids
     */
    public static void addBlackList(Map<String,Boolean> ids) {
        blackListMap.putAll(ids);
    }
 
}

代码很简单，但是使用CopyOnWriteMap需要注意两件事情：
　　1. 减少扩容开销。根据实际需要，初始化CopyOnWriteMap的大小，避免写时CopyOnWriteMap扩容的开销。
　　2. 使用批量添加。因为每次添加，容器每次都会进行复制，所以减少添加次数，可以减少容器的复制次数。如使用上面代码里的addBlackList方法。

CopyOnWrite的缺点

CopyOnWrite容器有很多优点，但是同时也存在两个问题，即内存占用问题和数据一致性问题。所以在开发的时候需要注意一下。

　　内存占用问题。因为CopyOnWrite的写时复制机制，所以在进行写操作的时候，内存里会同时驻扎两个对象的内存，旧的对象和新写入的对象（注意:在复制的时候只是复制容器里的引用，只是在写的时候会创建新对象添加到新容器里，而旧容器的对象还在使用，所以有两份对象内存）。如果这些对象占用的内存比较大，比如说200M左右，那么再写入100M数据进去，内存就会占用300M，那么这个时候很有可能造成频繁的Yong GC和Full GC。之前我们系统中使用了一个服务由于每晚使用CopyOnWrite机制更新大对象，造成了每晚15秒的Full GC，应用响应时间也随之变长。

　　针对内存占用问题，可以通过压缩容器中的元素的方法来减少大对象的内存消耗，比如，如果元素全是10进制的数字，可以考虑把它压缩成36进制或64进制。或者不使用CopyOnWrite容器，而使用其他的并发容器，如ConcurrentHashMap。

　　数据一致性问题。CopyOnWrite容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。所以如果你希望写入的的数据，马上能读到，请不要使用CopyOnWrite容器。

CopyOnWriteArrayList为什么并发安全且性能比Vector好

我知道Vector是增删改查方法都加了synchronized，保证同步，但是每个方法执行的时候都要去获得锁，性能就会大大下降，而CopyOnWriteArrayList 只是在增删改上加锁，但是读不加锁，在读方面的性能就好于Vector，CopyOnWriteArrayList支持读多写少的并发情况。

面试题：iterator(),Iterator,Iterable关系

所有实现了Collection接口的容器类(List和set), 都是用Iterator迭代器对象，实现对容器内元素的遍历操作；
Collection接口继承了Iterable接口，该接口有一个iterator()抽象方法，那么所有实现了Collection接口的集合类都有一个iterator()方法，用于返回一个实现了Iterator接口的对象。
● boolean hasNext(); //判断是否有元素没有被遍历
● Object next(); //返回游标当前位置的元素并将游标移动到下一个位置
● void remove(); //删除游标左面的元素，在执行完next之后移除

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