Java並發編程系列之二十六：ConcurrentModificationException__演算法

在多線程程式的編寫中，經常能遇到ConcurrentModificationException這個異常，這個異常的意思是指出現了並發修改的情況，為了降低對程式的效能的影響，Java開發人員將捕獲的這種錯誤以“善意”的方式進行提醒。這種異常一般在對容器的元素遍曆的過程中出現了對容器的寫操作（包括增加、修改和刪除操作）時出現。仔細閱讀源碼就知道，使用迭代器遍曆元素時由一個計數器，這個計數器就是為“快速失敗”機制設計的。

那麼，問題來了，“快速失敗”（fail-fast）又是什麼鬼。就是在迭代過程中對出現並發修改的情況時拋出異常。這個異常就是ConcurrentModificationException異常。既然會出現這種異常自然得想辦法解決這種異常。因為是並發修改導致出現的這種異常，並發修改的一個最大的問題就是沒有使用同步，試想如果對需要遍曆的容器進行加鎖，那麼並發執行的線程將只有一個線程能獲得鎖，這樣就避免了並發修改出現的“快速失敗”。但是這麼解決仍然不夠完美，因為在容器規模比較大或者在單個元素執行的時間過長的時候，那麼這些線程將長時間等待。那麼，線上程競爭激烈的時候很有可能出現死結，即使不出現死結或者饑餓等情況，長時間的加鎖對系統的效能造成很大影響。在類似淘寶這樣的高並發的網站這樣設計將是一個災難。

OK，本著talk is important，show me the code as well（樓主認為溝通也是一項很重要的技能，故不是很認可之前的talk is cheap，show me the code，因為talk並不cheap）的原則，先來看看ConcurrentModificationException異常發生的一個例子：

package com.rhwayfun.patchwork.concurrency.r0408;import java.util.HashSet;import java.util.Random;import java.util.Set;import java.util.concurrent.ExecutorService;import java.util.concurrent.Executors;/** * Created by rhwayfun on 16-4-8. */public class HiddenUnSafeIterator {    private final Set<Integer> set = new HashSet<>();    public synchronized void add(Integer i){set.add(i);}    public synchronized void remove(Integer i){set.remove(i);}    public void addTenThings(){        Random random = new Random();        for (int i = 0; i < 10; i++)            add(random.nextInt(100));        System.out.println("DEBUG: added ten elements to " + set);    }    public static void main(String[] args){        final HiddenUnSafeIterator hi = new HiddenUnSafeIterator();        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);        for (int i = 0; i < 15; i++){            threadPool.execute(new Runnable() {                @Override                public void run() {                    hi.addTenThings();                }            });        }    }}

運行該程式沒果然不出意料出現了ConcurrentModificationException異常。你會發現在add(Integer i)方法上添加了synchronized進行同步啊，結果應當不會出現這個異常啊，對不對。從拋出的異常知道這樣分析是錯誤的，主要在於執行System.out.println("DEBUG: added ten elements to " + set);這個操作的時候，實際上在輸出set時，調用了AbstractCollection的toString方法，對容器的元素進行迭代，但是最本質的原因在於迭代的過程中沒有擷取HiddenUnSafeIterator的鎖，因為加在add方法上的synchronized擷取的鎖就是HiddenUnSafeIterator對象的對象層級鎖。這樣，雖然表面上是同步的，但是在迭代過程並沒有實際獲得鎖。這就是這個程式拋出ConcurrentModificationException異常的本質原因。

現在，已經知道上面的程式拋出ConcurrentModificationException異常的本質原因是沒有獲得HiddenUnSafeIterator的對象鎖。那麼只要設計程式，使得對Set容器進行迭代時能夠擷取對象鎖就可以了，在jdk中，預設為我們提供了具有同步功能的synchronizedSet方法。下面就是實現一個安全版本的迭代器，代碼修改如下：

package com.rhwayfun.patchwork.concurrency.r0408;import java.util.Collections;import java.util.HashSet;import java.util.Random;import java.util.Set;import java.util.concurrent.ExecutorService;import java.util.concurrent.Executors;/** * Created by rhwayfun on 16-4-8. */public class SafeInterator {    //修改的地方在這裡    private final Set<Integer> set = Collections.synchronizedSet(new HashSet<Integer>());    //取消了synchronized    public void add(Integer i){set.add(i);}    public void remove(Integer i){set.remove(i);}    public void addTenThings(){        Random random = new Random();        for (int i = 0; i < 10; i++)            add(random.nextInt(100));        System.out.println("DEBUG: added ten elements to " + set);    }    public static void main(String[] args){        final SafeInterator hi = new SafeInterator();        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(5);        for (int i = 0; i < 25; i++){            threadPool.execute(new Runnable() {                @Override                public void run() {                    hi.addTenThings();                }            });        }    }}

運行該程式沒有出現ConcurrentModificationException異常，說明我們之前對異常的分析是正確的。這段代碼解決ConcurrentModificationException異常的主要原因就在於在迭代容器的時候獲得了SafeInterator的對象鎖。

上面的程式雖然使用了同步解決了ConcurrentModificationException異常問題，但是試想在讀遠大於寫的情境下，對每個都需要加鎖是不是很影響效能，有沒有可以不用加鎖的方案呢。答案是就是“複製”。將容器的副本封閉線上程內部，這樣在迭代時就不用考慮並發修改的問題，因為單線程不存在這個問題。具體內容將在我的另一篇文章中闡述。