• 三种骚操作绕过迭代器遍历时的数据修改异常


    前言

    既然是绕过迭代器遍历时的数据修改异常,那么有必要先看一下是什么样的异常。如果在集合的迭代器遍历时尝试更新集合中的数据,比如像下面这样,我想输出 Hello,World,Java,迭代时却发现多了一个 C++ 元素,如果直接删除掉的话。

    List<String> list = new ArrayList<>();
    Collections.addAll(list, "Hello", "World", "C++", "Java");
    // 我想输出 Hello,World,Java,迭代时发现多一个 C++,所以直接删除掉。
    Iterator iterator = list.iterator();
    System.out.println(iterator.next());
    System.out.println(iterator.next());
    list.remove("C++");
    System.out.println(iterator.next());
    

    那么我想你一定会遇到一个异常 ConcurrentModificationExceptio

    Hello
    World
    
    java.util.ConcurrentModificationException
    	at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:907)
    	at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:857)
    	at com.wdbyte.lab.jdk.ModCountDemo.updateCollections(ModCountDemo.java:26)
    

    这个异常在刚开始学习 Java 或者使用其他的非线程安全的集合过程中可能都有遇到过。导致这个报错出现的原因就和我们操作的一样,对于某些集合,不建议在遍历时进行数据修改,因为这样会数据出现不确定性。

    那么如何绕过这个错误呢?这篇文章中脑洞大开的三种方式一定不会让你失望。

    异常原因

    这不是一篇源码分析的文章,但是为了介绍绕过这个异常出现的原因,还是要提一下的,已经知道的同学可以直接跳过。

    根据上面的报错,可以追踪到报错位置 ArrayList.java 的 857 行和 907 行,追踪源码可以发现在迭代器的 next 方法的第一行,调用了 checkForComodification() 方法。

    迭代器 next 源码

    而这个方法直接进行了一个把变量 modCountexpectedModCount 进行了对比,如果不一致就会抛出来 ConcurrentModificationException 异常。

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

    那么 modCount 这个变量存储的是什么信息呢?

    /**
     * The number of times this list has been <i>structurally modified</i>.
     * Structural modifications are those that change the size of the
     * list, or otherwise perturb it in such a fashion that iterations in
     * progress may yield incorrect results.
     *
     * <p>This field is used by the iterator and list iterator implementation
     * returned by the {@code iterator} and {@code listIterator} methods.
     * If the value of this field changes unexpectedly, the iterator (or list
     * iterator) will throw a {@code ConcurrentModificationException} in
     * response to the {@code next}, {@code remove}, {@code previous},
     * {@code set} or {@code add} operations.  This provides
     * <i>fail-fast</i> behavior, rather than non-deterministic behavior in
     * the face of concurrent modification during iteration.
     *
     * <p><b>Use of this field by subclasses is optional.</b> If a subclass
     * wishes to provide fail-fast iterators (and list iterators), then it
     * merely has to increment this field in its {@code add(int, E)} and
     * {@code remove(int)} methods (and any other methods that it overrides
     * that result in structural modifications to the list).  A single call to
     * {@code add(int, E)} or {@code remove(int)} must add no more than
     * one to this field, or the iterators (and list iterators) will throw
     * bogus {@code ConcurrentModificationExceptions}.  If an implementation
     * does not wish to provide fail-fast iterators, this field may be
     * ignored.
     */
    protected transient int modCount = 0;
    

    直接看源码注释吧,直接翻译一下意思就是说 modCount 数值记录的是列表的结构被修改的次数,结构修改是指那些改变列表大小的修改,或者以某种方式扰乱列表,从而使得正在进行的迭代可能产生不正确的结果。同时也指出了这个字段通常会在迭代器 iterator 和 listIterator 返回的结果中使用,如果 modCount 和预期的值不一样,会抛出 ConcurrentModificationException 异常。

    而上面与 modCount 进行对比的字段 expectedModCount 的值,其实是在创建迭代器时,从 modCount 获取的值。如果列表结构没有被修改过,那么两者的值应该是一致的。

    绕过方式一:40 多亿次循环绕过

    上面分析了异常产生的位置和原因,是因为 modCount 的当前值和创建迭代器时的值有所变化。所以第一种思路很简单,我们只要能让两者的值一致就可以了。在源码 int modCount = 0; 中可以看到 modCount 的数据类型是 INT ,既然是 INT ,就是有数据范围,每次更新列表结构 modCount 都会增1,那么是不是可以增加到 INT 数据类型的值的最大值溢出到负数,再继续增加直到变回原来的值呢?如果可以这样,首先要有一种操作可以在更新列表结构的同时不修改数据。为此翻阅了源码寻找这样的方法。还真的存在这样的方法。

    public void trimToSize() {
        modCount++;
        if (size < elementData.length) {
            elementData = (size == 0)
              ? EMPTY_ELEMENTDATA
              : Arrays.copyOf(elementData, size);
        }
    }
    

    上来就递增了 modCount,同时没有修改任何数据,只是把数据的存储进行了压缩。

    List<String> list = new ArrayList<>();
    Collections.addAll(list, "Hello", "World", "C++", "Java");
    
    list.listIterator();
    Iterator iterator = list.iterator();
    System.out.println(iterator.next());
    System.out.println(iterator.next());
    list.remove("C++");
    // 40 多亿次遍历,溢出到负数,继续溢出到原值
    for (int n = Integer.MIN_VALUE; n < Integer.MAX_VALUE; n++) ((ArrayList) list).trimToSize();
    System.out.println(iterator.next());
    

    正确输出了想要的 Hello,World,Java

    绕过方式二:线程加对象锁绕过

    分析一下我们的代码,每次输出的都是 System.out.println(iterator.next());。可以看出来是先运行了迭代器 next 方法,然后才运行了System.out 进行输出。所以第二种思路是先把第三个元素C++ 更新为Java ,然后启动一个线程,在迭代器再次调用 next 方法后,把第四个元素移除掉。这样就输出了我们想要的结果。

    List<String> list = new ArrayList<>();
    Collections.addAll(list, "Hello", "World", "C++", "Java");
    
    list.listIterator();
    Iterator iterator = list.iterator();
    System.out.println(iterator.next());
    System.out.println(iterator.next());
    
    // 开始操作
    list.set(2, "Java");
    Phaser phaser = new Phaser(2);
    Thread main = Thread.currentThread();
    new Thread(() -> {
        synchronized (System.out) {
            phaser.arriveAndDeregister();
            while (main.getState() != State.BLOCKED) {
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            list.remove(3);
        }
    }).start();
    phaser.arriveAndAwaitAdvance();
    
    System.out.println(iterator.next());
    
    // 输出集合
    System.out.println(list);
    
    /**
     * 得到输出
     * 
     * Hello
     * World
     * Java
     * [Hello, World, Java]
     */
    

    正确输出了想要的 Hello,World,Java 。这里简单说一下代码中的思路,Phaser 是 JDK 7 的新增类,是一个阶段执行处理器。构造时的参数 parties 的值为2,说明需要两个参与方完成时才会进行到下一个阶段。而 arriveAndAwaitAdvance 方法被调用时,可以让一个参与方到达。

    所以线程中对 System.out 进行加锁,然后执行 arriveAndAwaitAdvance 使一个参与方报告完成,此时会阻塞,等到另一个参与方报告完成后,线程进入到一个主线程不为阻塞状态时的循环。

    这时主线程执行 System.out.println(iterator.next()); 。获取到迭代器的值进行输出时,因为线程内的加锁原因,主线程会被阻塞。知道线程内把集合的最后一个元素移除,线程处理完成才会继续。

    绕过方式三:利用类型擦除放入魔法对象

    在创建集合的时候为了减少错误概率,我们会使用泛型限制放入的数据类型,其实呢,泛型限制的集合在运行时也是没有限制的,我们可以放入任何对象。所以我们可以利用这一点做些文章。

    List<String> list = new ArrayList<>();
    Collections.addAll(list, "Hello", "World", "C++", "Java");
    
    list.listIterator();
    Iterator iterator = list.iterator();
    System.out.println(iterator.next());
    System.out.println(iterator.next());
    
    // 开始操作
    ((List)list).set(2, new Object() {
        public String toString() {
            String s = list.get(3);
            list.remove(this);
            return s;
        }
    });
    
    System.out.println(iterator.next());
    

    代码里直接把第三个元素放入了一个魔法对象,重写了 toString() 方法,内容是返回集合的第四个元素,然后删除第三个元素,这样就可以得到想要的 Hello,World,Java 输出。

    上面就是绕过迭代器遍历时的数据修改报错的三种方法了,不管实用性如何,我觉得每一种都是大开脑洞的操作,这些操作都需要对某个知识点有一定的了解,关注我,了解更多稀奇古怪的开发技巧

    参考

    [1] https://www.javaspecialists.eu/archive/Issue186-Iterator-Quiz.html

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