【Java】ConcurrentModificationException梳理

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2024-01-06
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【Java】ConcurrentModificationException梳理

首先看一下一个例子举出 ConcurrentModificationException 的出现场景：

public static void main(String[] args) {
    List<Integer> list = new ArrayList<Integer>(){
        {
            add(1);
            add(2);
            add(3);
        }
    };
    Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
        iterator.next();
        list.add(4);
    }
}
ConcurrentModificationException 中文意思就是并发修改异常，存在于并发使用 Iterator 时出现的时候，那这个异常是为什么会出现的呢？这个涉及到 fast-fail 机制（快速失败），可以提前预料遍历失败情况，防止数组越界异常，看一下源代码：

ArrayList 源代码

ArrayList 类的源代码

看一下 remove 和 add 方法：

public boolean remove(Object o) {
    // 先判断是否为空
    if (o == null) {
        // 遍历查询
        for (int index = 0; index < size; index++)
            if (elementData[index] == null) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    } else {
        // 遍历查询
        for (int index = 0; index < size; index++)
            if (o.equals(elementData[index])) {
                fastRemove(index);
                return true;
            }
    }
    return false;
}

private void fastRemove(int index) {
    // 修改 modCount 值，变量类似版本
    modCount++;
    int numMoved = size - index - 1;
    if (numMoved > 0)
        System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                         numMoved);
    elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work
}

public void add(int index, E element) {
    rangeCheckForAdd(index);

    ensureCapacityInternal(size + 1);  // Increments modCount!!
    // 拷贝后面的值
    System.arraycopy(elementData, index, elementData, index + 1,
                     size - index);
    // 添加元素
    elementData[index] = element;
    size++;
}

private void ensureCapacityInternal(int minCapacity) {
    ensureExplicitCapacity(calculateCapacity(elementData, minCapacity));
}

private static int calculateCapacity(Object[] elementData, int minCapacity) {
    if (elementData == DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA) {
        return Math.max(DEFAULT_CAPACITY, minCapacity);
    }
    return minCapacity;
}

private void ensureExplicitCapacity(int minCapacity) {
    // 修改 modCount 值，变量类似版本
    modCount++;
    // overflow-conscious code
    if (minCapacity - elementData.length > 0) grow(minCapacity);
}
ArrayList 内部类 Itr 的源代码
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();
        }
    }

    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }
}
  • cursor：表示下一个要访问的元素的索引，从next()方法的具体实现就可看出
  • lastRet：表示上一个访问的元素的索引
  • expectedModCount：表示对ArrayList修改次数的期望值，它的初始值为modCount。
modCount 是在 ArrayList 中赋值的，并且初始值为 0，在 add 和 remove 的时候（修改元素的时候）会增加 1，

看一下 hasNext 方法，在方法中的 size 是 ArrayList 中的变量，这个 ConcurrentModificationException 异常存在的原因之一就在这个方法体现出来了，在多线程的情况下，如果使用迭代器遍历时，ArrayList数组元素变少导致 cursor > size，然后数组越界。

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

在正常情况下当 cursor == size代表已经到数组尽头了。再看一下 next 方法：

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];
}

next 方法中先是判断了 modCount 是否等于 expectedModCount，不相等则抛出 并发修改异常，否则取到游标，然后判断游标是否大于数组长度或者元素个数。最后游标加一，然后返回数的同时使 lastRet 等于i。再看一下 remove 方法：

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();
    }
}

其实就是在 remove 掉元素的时候更新下自己的 expectedModCount。注意的是remove后 lastRet 会变成 -1，也就是不能连续 remove 两次，因为在 next 中检查了 lastRet 的值不能小于 0。

解决方案

单线程的解决方案：
  • 使用 Itr 类中也给出的 remove() 方法：因为 Iterator 的 remove 会更新 expectedModCount 的值。
public static void main(String[] args) {
    List<Integer> list = new ArrayList<Integer>(){
        {
            add(1);
            add(2);
            add(3);
        }
    };
    Iterator<Integer> iterator = list.iterator();

    while (iterator.hasNext()) {
        iterator.next();
        iterator.remove();
    }
}
多线程的解决方案：
private static List<Integer> LIST = new ArrayList<Integer>(){
    {
        add(1);
        add(2);
        add(3);
    }
};
public static void main(String[] args) {

    new Thread(() -> {
        Iterator<Integer> iterator = LIST.iterator();

        while (iterator.hasNext()) {
            iterator.next();
            iterator.remove();
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }).start();

    new Thread(() -> {
        try {
            Thread.sleep(400);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        LIST.add(4);
    }).start();
}

有可能有朋友说ArrayList是非线程安全的容器，换成Vector就没问题了，实际上换成Vector还是会出现这种错误。

原因在于，虽然Vector的方法采用了synchronized进行了同步，但是实际上通过Iterator访问的情况下，每个线程里面返回的是不同的iterator，也即是说expectedModCount是每个线程私有。假若此时有2个线程，线程1在进行遍历，线程2在进行修改，那么很有可能导致线程2修改后导致Vector中的modCount自增了，线程2的expectedModCount也自增了，但是线程1的expectedModCount没有自增，此时线程1遍历时就会出现expectedModCount不等于modCount的情况了。

因此一般有2种解决办法：

  • 在使用iterator迭代的时候使用synchronized或者Lock进行同步；
  • 使用并发容器CopyOnWriteArrayList代替ArrayList和Vector。
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