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java基础加强型for循环与Iterator


 

 
引言
 
  从JDK1.5起,增加了加强型的for循环语法,也被称为 “for-Each 循环”。加强型循环在操作数组与集合方面增加了很大的方便性。那么,加强型for循环是怎么解析的呢?同时,这是不是意味着基本for循环就会被取代呢?
 
语法:
 
for(var item:items){//var 代表各钟类型
    //相关操作
}
一、数组中的 for-Each 循环
 
我们先来看一下数组中的 for-Each 循环的使用;
 
String str[]= new String[]{"1","2","3"};
    
    //普通for循环
    for(int i=0;i<str.length;i++){
        String item = str[i];
        item += "str";
        System.out.println(item);
    }
 
    //加强型for循环
    for(String item:str){
        item += "str";
        System.out.println(item);
    }
  通过比较上面例子中的两种类型的for循环,可以看出,for-Each 循环编写起来更加简单,更加方便程序员。因此,在程序中,应该多使用加强型循环。
 
回答一下上面提出的两个问题:
 
编译器是怎么处理数组中的for-Each循环的?
  事实上,在数组中的 for-Each 最终会被编译器处理成一个普通的for循环,也就是说 for-Each循环是完全与普通for循环等价的,没有任何特殊的命令。
可以通过反编译来验证,很简单,此处不再多说。
 
在数组中,for-Each 循环能否完全替代普通for循环
  答案是否定的。虽然for-Each 写起来方便,但也有以下几个局限性:
 
只能对元素进行顺序的访问;
只能访问数组或集合中的所有元素;
循环中没有当前的索引,无法对指定的元素操作。如更换当前索引位置的元素。
二、集合中的 for-Each循环
 
  数组的加强型的for-Each循环很简单,我们再来看一下集合中的for-Each 循环又是怎么样的。我们都知道集合中的遍历都是通过迭代(iterator)完成的。也许有人说,也可以按照下面的方式来遍历集合,不一定非要使用迭代:
 
List<String> list = new LinkedList<String>();
    list.add("a");
    list.add("b");
    list.add("c");
    
    for(int i=0;i<list.size();i++){
        String item = list.get(i);
        System.out.println(item);
    }
  然而,这种方式对于基于链表实现的List来说,是比较耗性能的,因为get(int i)方法包含了一个循环,而且这个循环就是迭代遍历一次List,直到遇到第i个元素,才停止循环,返回第i个元素。对于数量小,遍历不频繁的List来说,开销可以忽略。否则,开销将不容忽视。
所以,正确集合遍历是使用迭代器Iterator来遍历的:
 
List<String> list = new LinkedList<String>();
    list.add("a");
    list.add("b");
    list.add("c");
    
    //获取集合的迭代器
    Iterator<String> itor = list.iterator();
    //集合的普通for循环
    for(;itor.hasNext();){//相当于 while(itor.hasNext())
        String item = itor.next();
        System.out.println(item);
    }
再看看对应的for-Each循环的例子:
 
    List<String> list = new LinkedList<String>();
    list.add("a");
    list.add("b");
    list.add("c");
    
    for(String item:list){//for-Each
        System.out.println(item);
    }
可以看出,for-Each循环比普通for循环要简洁很多。我们依旧回答上面的两个问题:
 
1. 编译器是如何处理 集合中的for-Each循环的?
 
public static void main(String args[])
    {
        List list = new LinkedList();
        list.add("aa");
        list.add("bb");
        for(String item:list)
        {
            if("bb".equals(item))
                list.add("cc");
        }
 
    }
我们看一下上面例子的 反编译代码:
 
public static void main(String args[])
    {
        List list = new LinkedList();
        list.add("aa");
        list.add("bb");
        for(Iterator iterator = list.iterator(); iterator.hasNext();)
        {
            String item = (String)iterator.next();
            if("bb".equals(item))
                list.add("cc");
        }
 
    }
  与数组类似,编译器最终也就是将集合中的for-Each循环处理成集合的普通for循环。 而集合的Collection接口通过扩展Iterable接口来提供iterator()方。那么我们换一个角度,是不是只要实现 Iterable接口,提供iterator()方法,也可以使用 for-Each循环呢?来看个例子:
 
class  MyList<T> implements Iterable<T>{
 
    private ArrayList<T> list = new ArrayList<>();
    
    public void addId(T id){
        list.add(id);
    }
    
    public boolean removeId(T id){
        
        return list.remove(id);
    }
    
    @Override
    public Iterator<T> iterator() {//扩展自Iterable接口
 
           //为了简单起见,就直接使用已有的迭代器
        return list.iterator();
    }
 
    public static void main(String[] args) {
 
        MyList<String> myList = new MyList<>();
        myList.addId("666999");
        myList.addId("973219");
             //for-Each
        for(String item:myList){
            System.out.println(item);
        }
    }
}
  上面的例子编译通过,并且运行无误。所以,只要实现了Iterable接口的类,都可以使用for-Each循环来遍历。
 
集合迭代的陷阱
 
  集合循环遍历时所使用的迭代器Iterator有一个要求:在迭代的过程中,除了使用迭代器(如:Iterator.remove()方法)对集合增删元素外,是不允许直接对集合进行增删操作。否则将会抛出 ConcurrentModificationException异常。所以,由于集合的for-Each循环本质上使用的还是Iterator来迭代,因此也要注意这个陷阱。for-Each循环很隐蔽地使用了Iterator,导致程序员很容易忽略掉这个细节,所以一定要注意。看下面的例子,for-Each循环中修改了集合。
 
public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new LinkedList<>();
        list.add("aa");
        list.add("bb");
 
        for (String item : list) {//for-Each
            if ("bb".equals(item)) {
                list.add("cc"); //直接操作list
            }
        }
    }
运行抛出异常:
 
 
 
  上面仅仅是 单线程 下的情况,如果你有并发编程的基础的话,就会知道:在 多线程 的环境中,线程是交替运行的(时间片轮转调度)。这就意味着,如果有两个线程A、B,线程A对集合使用Iterator迭代遍历,线程B则对集合进行增删操作。线程A、B一旦交替运行,就会出现在迭代的同时对集合增删的效果,也会抛出异常。解决办法就是加锁变成原子操作,多线程在这里不是本文重点,不多说了。
 
2. 集合中的for-Each循环能代替集合的普通for循环吗?
 
  同样也是不能的。集合中的for-Each循环的局限性与数组的for-Each循环是一样的。集合的for-Each循环是不能对集合进行增删操作、也不能获取索引。而集合的普通for循环可以使用的迭代器提供了对集合的增删方法(如:Iterator.remove,ListIterator.add()),获取索引的方法(如:ListIterator.nextIndex()、ListIterator.previousIndex());
 
三、Iterator源码分析
 
  我们来分析一下Iterator源码,主要看看为什么在集合迭代时,修改集合可能会抛出ConcurrentModificationException异常。以ArrayList中实现的Iterator为例。
 
先来看一下ArrayList.iterator()方法,如下:
 
 public Iterator<E> iterator() {
        return new Itr();
    }
iterator()方法直接创建了一个类Itr的对象。那就接着看 Itr类的定义吧!发现Itr其实是ArrayList的内部类,实现了 Iterator 接口。
 
/**
     * An optimized version of AbstractList.Itr
     */
    private class Itr implements Iterator<E> {
        int cursor;       // 当前的索引值,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();
            //ArrayList的底层数组
            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;
                //再次更新 expectedModCount
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }
 
        @Override
        @SuppressWarnings("unchecked")
        public void forEachRemaining(Consumer<? super E> consumer) {
            Objects.requireNonNull(consumer);
            final int size = ArrayList.this.size;
            int i = cursor;
            if (i >= size) {
                return;
            }
            final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
            while (i != size && modCount == expectedModCount) {
                consumer.accept((E) elementData[i++]);
            }
            // update once at end of iteration to reduce heap write traffic
            cursor = i;
            lastRet = i - 1;
            checkForComodification();
        }
 
        final void checkForComodification() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }
  ArrayList.this.elementData是ArrayList的底层数组,上面这些方法都很简单,都是对ArrayList.this.elementData这个底层数组进行操作。
  重点看一下checkForComodification()方法,这个方法就是用来抛出 ConcurrentModificationException异常,这个方法也很简单,就是判断modCount与expectedModCount是否相等。modCount存储的AarryList中的元素个数。而expectedModCount则是对象创建时将modCount的值赋给它,也就是说expectedModCount存储的是迭代器创建时元素的个数。那么checkForComodification()方法其实在比较迭代期间,ArrayList元素的个数 是否发生了改变,如果改变了,就抛出异常。注意一下,expectedModCount除了在声明时赋值外,也在remove()方法中更新了一次。
 
总结
 
无论是在数组中还是在集合中,for-Each加强型for循环都是它们各自的普通for循环的一种“简写方式”,即两者意思上是等价的,但前者方便简单,建议多使用。
for-Each循环不能完全代替普通for循环,因为for-Each有一定的局限性。
for-Each循环只能用于 数组、Iterable类型(包括集合)。
集合中的for-Each循环本质上使用了Ierator迭代器,所以要注意Itrator迭代陷阱(单线程和多线程都有问题)。