三种骚操作绕过迭代器遍历时的数据修改异常
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2021-02-21 10:15
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 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。
而这个方法直接进行了一个把变量 modCount 和 expectedModCount 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 structurally modified.
* 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.
*
* 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
* fail-fast behavior, rather than non-deterministic behavior in
* the face of concurrent modification during iteration.
*
*
Use of this field by subclasses is optional. 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 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 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 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
"未读代码，一线技术工具人的学习、生活与见闻"
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