关于集合中的并发修改异常及处理方式

前言

关于集合的总结，可参考如下图：

在Java中，像ArrayList这样的集合类使用迭代器的时候，如果在遍历过程中直接修改集合（比如remove），可能会导致ConcurrentModificationException。

为什么是可能会产生导致ConcurrentModificationException？

因为在修改集合的结构化修改modeCount的过程中，如果修改了集合的索引（索引前移），则不会发生异常。

1、并发异常介绍

ConcurrentModificationException的核心原因是：迭代器检测到集合在遍历过程中被修改，导致状态不一致。

1.1、for-each的本质

在 Java 中，如果你在for-each循环（即增强型 for 循环）中直接对集合执行remove()操作，会抛出ConcurrentModificationException。

这是因为for-each循环底层依赖于迭代器（Iterator）来遍历集合，而迭代器在设计时为了保证遍历的一致性和安全性，对集合的结构修改有严格的限制。

如下所示，for-each的本质：

for (Element e : collection) {
    // do something
}

等价于：
Iterator<Element> it = collection.iterator();
while (it.hasNext()) {
    Element e = it.next();
    // do something
}

1.2、调用list.remove()的后果

在循环中直接调用list.remove()(element)或list.remove()(index)，会直接修改集合的结构，导致modCount自动递增。

此时迭代器的expectedModCount并未更新，因此在下一次调用it.next()时，会检测到不一致并抛出异常。

2、迭代器

2.1、设计原理

Java 集合框架中的迭代器（Iterator）在设计时引入了一种并发修改检查机制，用于在遍历过程中检测集合的结构是否被外部修改。

机制的核心目的保证迭代过程中集合的一致性，防止因并发修改导致的不可预期行为。

1、快速失败（Fail-Fast）策略

Java 集合的迭代器采用快速失败策略：一旦检测到并发修改，立即抛出异常，防止后续操作产生不可预知的结果。快速失败不能保证 100% 检测到所有并发修改，但能显著降低错误概率。

2、安全性与性能的权衡

并发检查机制增加了少量性能开销，但保障了迭代过程的安全性。对于高并发场景，可选择线程安全的集合类（如ConcurrentHashMap）。

2.2、并发检查机制的属性

1.modCount与expectedModCount

modCount：

• 是集合类（如ArrayList、HashMap）中的一个字段，表示集合的结构性修改次数（如添加、删除元素）。
• 每次对集合进行结构性修改（如add()、remove()），modCount会自动递增。

expectedModCount：

是迭代器内部保存的一个字段，表示迭代器创建时集合的modCount值。

• 在调用it.next()时，迭代器内部会检查当前集合的modCount是否与迭代器创建时记录的expectedModCount一致。
• 如果不一致，就会抛出ConcurrentModificationException。

2.检查逻辑

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

如果集合的modCount被修改（即modCount != expectedModCount），迭代器会抛出ConcurrentModificationException，表示检测到并发修改。

2.3、机制的工作流程

1、迭代器创建时

迭代器在创建时会记录当前集合的modCount值，并将其赋值给expectedModCount。

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

private class Itr implements Iterator<E> {
    int expectedModCount = modCount; // 记录初始状态
    ...
}

2、迭代过程中调用next()

每次调用next()方法时，迭代器会检查modCount和expectedModCount是否一致。

public E next() {
    checkForComodification(); // 检查是否被修改
    ...
}

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

3、调用iterator.remove()

如果通过迭代器的remove()方法删除集合的元素，此时迭代器iterator会同步更新modCount和expectedModCount，确保一致性。

public void remove() {
    if (modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();
    // 删除元素并更新 modCount
    ArrayList.this.remove(size - 1);
    cursor--;
    expectedModCount = modCount; // 同步更新
}

⚠️注意：如果直接使用list.remove()，modCount会增加，下次再调用的时候，会抛异常。

2.4、适用场景

1.单线程下的结构修改检测

该机制不仅适用于多线程环境，也适用于单线程中在迭代过程中直接修改集合的情况。

2.多线程下的并发修改

在多线程环境下，如果多个线程同时修改集合的元素，也可能导致modCount与expectedModCount不一致。

此时，迭代器的并发检查机制可以检测到这种冲突，但并不能完全解决线程安全问题。需要结合线程安全集合（如CopyOnWriteArrayList）或同步机制。

3、解决方案

3.1、迭代器的remove()

Iterator<Element> it = list.iterator();
while (it.hasNext()) {
    Element e = it.next();
    if (someCondition(e)) {
        it.remove(); // 安全地删除元素
    }
}

it.remove()是迭代器提供的方法，它会同步更新modCount和expectedModCount，避免异常。

3.2、普通for循环 + 控制索引

for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
    Element e = list.get(i);
    if (someCondition(e)) {
        list.remove(i);
        i--; // 删除后索引前移
    }
}

• 注意：删除元素后需要调整索引，防止跳过元素。

3.3、CopyOnWriteArrayList

如果确实需要在遍历过程中频繁修改集合，可以使用线程安全的CopyOnWriteArrayList：

List<Element> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
for (Element e : list) {
    if (someCondition(e)) {
        list.remove(e); // 不会抛出异常
    }
}

• 该集合在修改时会复制底层数组，避免直接修改共享数据，但性能开销较大。

3.4、Collections.synchronizedlist(list)

在多线程环境中使用Collections.synchronizedList时，遍历（Iteration）并修改列表的过程中，必须手动加锁，以确保线程安全。

这是因为在默认情况下，Collections.synchronizedList的同步机制仅覆盖其方法调用，但不包括迭代器（Iterator）的线程安全性。

1、为什么需要手动加锁？

• Collections.synchronizedList的同步机制
• Collections.synchronizedList返回的列表是一个线程安全的包装类，其所有方法（如add、remove、get等）都通过synchronized关键字加锁，确保单个方法调用的线程安全。

2.迭代器（Iterator）的线程安全性缺失

• 虽然列表的方法是线程安全的，但迭代器本身并不是线程安全的。
• 例如：如果线程 A 正在遍历列表（使用iterator()），而线程 B 同时修改了列表（如add或remove），即使这些方法是同步的，迭代器也可能抛出ConcurrentModficationException，或者看到不一致的数据状态。

代码示例如下：

List<String> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());

// 添加元素
list.add("A");
list.add("B");

// 遍历时手动加锁
synchronized (list) {
    Iterator<String> iterator = list.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
        String item = iterator.next();
        if (item.equals("A")) {
            iterator.remove(); // 安全地移除元素
        }
    }
}

小结：

使用迭代器提供的remove()方法、避免在for-each中直接修改集合，或选择适合的集合类型（如CopyOnWriteArrayList），可以有效避免此类异常。

总结

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持脚本之家。

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