深入理解ConcurrentModificationException并发修改异常

梦里梦外; 2023-05-28 06:41 5阅读 0赞

## 深入理解ConcurrentModificationException并发修改异常 ##

> 我是一个双非二本院校软件工厂专业的学生，自学Java6个月
> 
> 接下来一段时间，我将以复习的形式，总结所学知识，同时进行输出，形成自己的知识体系。
> 
> 鸡汤：那么多学技术的都可以成功，凭什么你不行？
> 
>

**我们先来看两个案例：**

/**
     * @ClassName: ConcurrentModificationExceptionDemo
     * @description: 并发修改异常案例1
     * @author: XZQ
     * @create: 2020/3/27 22:41
     **/
    public class ConcurrentModificationExceptionDemo1 {
        public static void main(String[] args) {
            final ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
            list.add(1);
            list.add(2);
            list.add(3);
    
            final Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
    
            while (iterator.hasNext()) {
                if (iterator.next().equals(1)) {
                    list.remove(1);
                }
            }
        }
    }

public class ConcurrentModificationExceptionDemo2 {
        public static void main(String[] args) {
            final ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
            list.add(1);
            list.add(2);
            list.add(3);
    
            for (Integer i : list) {
                if (i.equals(1)) {
                    list.remove(i);
                }
            }
        }
    }

**程序执行结果：**

Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
        at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:901)
        at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:851)
        at com.xzq.collectionsafe.ConcurrentModificationExceptionDemo.main(ConcurrentModificationExceptionDemo.java:18)
    
    Process finished with exit code 1

可以看到，上面的代码出现了并发修改异常，乍一看好像由没有什么毛病，相信很多同学都遇到过这个问题，我决定深入探究一下出现异常的原因以及如何解决。

### 一、ConcurrentModificationException出现原因 ###

出现异常，我们可以先看控制台显示的异常信息，由上面的异常信息可以看到异常出现在checkForComodification(ArrayList.java:901)

找到checkForComodification()方法如下

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

可以看到是因为 modCount != expectedModCount 导致，修改的次数 不等于 期待修改的次数 那为什么会出现这样的情况？

先来看看ArrayList的iterator()方法的具体实现，查看源码发现在ArrayList的源码中并没有iterator()这个方法，那么很显然这个方法应该是其父类或者实现的接口中的方法，我们在其父类AbstractList中找到了iterator()方法的具体实现，下面是其实现代码：

public Iterator<E> iterator() {
        return new Itr();
    }

从这段代码可以看出返回的是一个指向Itr类型对象的引用，我们接着看Itr的具体实现，在AbstractList类中找到了Itr类的具体实现，它是AbstractList的一个成员内部类，下面这段代码是Itr类的所有实现：

private class Itr implements Iterator<E> {
        int cursor = 0; //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
        int lastRet = -1;//表示上一个访问的元素的索引
        int expectedModCount = modCount;//表示对ArrayList修改次数的期望值，它的初始值为modCount。 
      
        public boolean hasNext() {
               return cursor != size();
        }
      
        public E next() {
               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();
        }
    }

**成员变量分析：**

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AbstractList类中的一个成员变量

protected transient int modCount = 0;

该值表示对List的修改次数，查看ArrayList的add()和remove()方法就可以发现，每次调用add()方法或者remove()方法就会对modCount进行加1操作。

当调用list.iterator()返回一个Iterator之后，通过Iterator的hashNext()方法判断是否还有元素未被访问，我们看一下hasNext()方法，hashNext()方法的实现很简单：

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

如果下一个访问的元素下标不等于ArrayList的大小，就表示有元素需要访问，这个很容易理解，如果下一个访问元素的下标等于ArrayList的大小，则肯定到达末尾了。

然后通过Iterator的next()方法获取到下标为0的元素，我们看一下next()方法的具体实现：

public E next() {
        checkForComodification();
     try {
        E next = get(cursor);
        lastRet = cursor++;
        return next;
     } catch (IndexOutOfBoundsException e) {
        checkForComodification();
        throw new NoSuchElementException();
     }
    }

**这里是非常关键的地方：**

首先,在next()方法中会调用checkForComodification()方法(此时 expectedModCount = modCount = 0)，然后根据cursor的值获取到元素，接着将cursor的值赋给lastRet，并对cursor的值进行加1操作。初始时，cursor为0，lastRet为-1，那么调用一次之后，cursor的值为1，lastRet的值为0。注意此时，modCount为0，expectedModCount也为0。

接着往下看

程序中判断当前元素的值是否为1，若为1，则调用list.remove()方法来删除该元素。（注意，是list.remove()）

我们看一下在ArrayList中的remove()方法做了什么：

public boolean remove(Object o) {
        if (o == null) {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (elementData[index] == null) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        } else {
            for (int index = 0; index < size; index++)
                if (o.equals(elementData[index])) {
                    fastRemove(index);
                    return true;
                }
        }
        return false;
    }
     
    private void fastRemove(int index) {
        modCount++;//修改次数加一
        int numMoved = size - index - 1;//移动数组的位数
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                    numMoved);//从index+1开始向前移动numMoved位
        elementData[--size] = null; // Let gc do its work
    }

通过remove方法删除元素最终是调用的fastRemove()方法，在fastRemove()方法中，首先对modCount进行加1操作（因为对集合修改了一次），然后接下来就是删除元素的操作，最后将size进行减1操作，并将引用置为null以方便垃圾收集器进行回收工作，防止造成内存泄漏。

那么注意此时各个变量的值：对于iterator，其expectedModCount为0，cursor的值为1，lastRet的值为0。

对于list，其modCount为1，size为0。

接着看程序代码，执行完删除操作后，继续while循环，调用hasNext方法()判断，由于此时cursor为1，而size为0，那么返回true，所以继续执行while循环，然后继续调用iterator的next()方法：

注意，此时要注意next()方法中的第一句：checkForComodification()。

在checkForComodification方法中进行的操作是：

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

如果modCount不等于expectedModCount，则抛出ConcurrentModificationException异常。

很显然，此时modCount为1，而expectedModCount为0，因此程序就抛出了ConcurrentModificationException异常。

到这里，想必大家应该明白为何上述代码会抛出ConcurrentModificationException异常了。

关键点就在于：调用list.remove()方法导致modCount和expectedModCount的值不一致。

注意，使用普通for循环进行迭代实际上也会出现这种问题。

### 二、单线程环境下解决方案 ###

既然知道原因了，那么如何解决呢？

其实很简单，细心的朋友可能发现在Itr类中也给出了一个remove()方法：

public void remove() {
        if (lastRet == -1)
        throw new IllegalStateException();
           checkForComodification();
        try {
        AbstractList.this.remove(lastRet);//调用list.remove
        if (lastRet < cursor)
            cursor--;
        lastRet = -1;
        expectedModCount = modCount;//关键
        } catch (IndexOutOfBoundsException e) {
        throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

在这个方法中，删除元素实际上调用的就是list.remove()方法，但是它多了一个操作：

expectedModCount = modCount;

因此，在迭代器中如果要删除元素的话，需要调用Itr类的remove方法。

将上述代码改为下面这样就不会报错了：

public class ConcurrentModificationExceptionDemo {
        public static void main(String[] args) {
            final ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
            list.add(1);
            list.add(2);
            list.add(3);
    
            final Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
    
            while (iterator.hasNext()) {
                if (iterator.next().equals(1)) {
    //                list.remove(1);
                    iterator.remove();
                }
            }
            System.out.println(list);
        }
    }

### 三、多线程环境下的解决方案 ###

上面的解决方案只适用于单线程，而多线程就不适用了，详情看如下代码

public class ConcurrentModificationExceptionDemo2 {
        static ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
    
        public static void main(String[] args) {
            list.add(1);
            list.add(2);
            list.add(3);
            list.add(4);
            list.add(5);
            Thread thread1 = new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
                    while (iterator.hasNext()) {
                        Integer integer = iterator.next();
                        System.out.println(integer);
                        try {
                            Thread.sleep(100);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                }
    
                ;
            };
            Thread thread2 = new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
                    while (iterator.hasNext()) {
                        Integer integer = iterator.next();
                        if (integer == 2)
                            iterator.remove();
                    }
                }
    
                ;
            };
            thread1.start();
            thread2.start();
        }
    }

**程序执行结果：**

1
    Exception in thread "Thread-0" java.util.ConcurrentModificationException
    at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:901)
    at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:851)
    at com.xzq.collectionsafe.ConcurrentModificationExceptionDemo2$1.run(ConcurrentModificationExceptionDemo2.java:26)

有可能有同学说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，但是由于Vector是继承的AbstarctList，因此通过Iterator来访问容器的话，事实上是不需要获取锁就可以访问。那么显然，由于使用iterator对容器进行访问不需要获取锁，在多线程中就会造成当一个线程删除了元素，由于modCount是AbstarctList的成员变量，因此可能会导致在其他线程中modCount和expectedModCount值不等。

就比如上面的代码中，很显然iterator是线程私有的，

初始时，线程1和线程2中的modCount、expectedModCount都为0，

当线程2通过iterator.remove()删除元素时，会修改modCount值为1，并且会修改线程2中的expectedModCount的值为1，

而此时线程1中的expectedModCount值为0，虽然modCount不是volatile变量，不保证线程1一定看得到线程2修改后的modCount的值，但是也有可能看得到线程2对modCount的修改，这样就有可能导致线程1中比较expectedModCount和modCount不等，而抛出异常。

因此一般有2种解决办法：

1）在使用iterator迭代的时候使用synchronized或者Lock进行同步；

public class ConcurrentModificationExceptionDemo2 {
        static ArrayList<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
        static Object object = new Object();
    
        public static void main(String[] args) {
            list.add(1);
            list.add(2);
            list.add(3);
            list.add(4);
            list.add(5);
            Thread thread1 = new Thread(() -> {
                synchronized (object) {
                    Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
                    while (iterator.hasNext()) {
                        Integer integer = iterator.next();
                        System.out.println(integer);
                        try {
                            Thread.sleep(100);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                }
            });
    
            Thread thread2 = new Thread(() -> {
                synchronized (object) {
                    Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
                    while (iterator.hasNext()) {
                        Integer integer = iterator.next();
                        if (integer == 2) {
                            iterator.remove();
                        }
                    }
                }
            });
    
            thread1.start();
            thread2.start();
        }
    }

2）使用并发容器CopyOnWriteArrayList代替ArrayList和Vector

public class ConcurrentModificationExceptionDemo2 {
        static List list = new CopyOnWriteArrayList<Integer>();
    
        public static void main(String[] args) {
            list.add(1);
            list.add(2);
            list.add(3);
            list.add(4);
            list.add(5);
            Thread thread1 = new Thread(() -> {
                Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    Integer integer = iterator.next();
                    System.out.println(integer);
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
    
            Thread thread2 = new Thread(() -> {
                Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    Integer integer = iterator.next();
                    if (integer == 2) {
    //                    iterator.remove();
                        list.remove(integer);
                    }
                }
            });
    
            thread1.start();
            thread2.start();
        }
    }

**注意：CopyOnWriteArrayList不支持**

while (iterator.hasNext()) { 
        iterator.remove(); 
    }

原因：CopyOnWriteArrayList在做迭代之前是做了一份”快照”,所以此时的iter是不可变的，也就是说假设在此遍历中调用iter.remove()会抛出异常 解决的方法：

CopyOnWriteArrayList<T> t1 ;
    Iterator<GameExperience> iterator = t1.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
        T t= iterator.next();
        t1.remove(t);
    }