java基礎(三) 加強型for迴圈與Iterator

来源:https://www.cnblogs.com/jinggod/archive/2018/02/07/8424868.html
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引言   從JDK1.5起，增加了加強型的for迴圈語法，也被稱為 “for Each 迴圈”。加強型迴圈在操作數組與集合方面增加了很大的方便性。那麼，加強型for迴圈是怎麼解析的呢？同時，這是不是意味著基本for迴圈就會被取代呢？ 語法： 一、數組中的 for Each 迴圈 ...


引言

  從JDK1.5起，增加了加強型的for迴圈語法，也被稱為 “for-Each 迴圈”。加強型迴圈在操作數組與集合方面增加了很大的方便性。那麼，加強型for迴圈是怎麼解析的呢？同時，這是不是意味著基本for迴圈就會被取代呢？

語法：

for(var item:items){//var 代表各鐘類型
    //相關操作
}

一、數組中的 for-Each 迴圈

我們先來看一下數組中的 for-Each 迴圈的使用；

String str[]= new String[]{"1","2","3"};
    
    //普通for迴圈
    for(int i=0;i<str.length;i++){
        String item = str[i];
        item += "str";
        System.out.println(item);
    }

    //加強型for迴圈
    for(String item:str){
        item += "str";
        System.out.println(item);
    }

  通過比較上面例子中的兩種類型的for迴圈，可以看出，for-Each 迴圈編寫起來更加簡單，更加方便程式員。因此，在程式中，應該多使用加強型迴圈。

回答一下上面提出的兩個問題：

  1. 編譯器是怎麼處理數組中的for-Each迴圈的？
      事實上，在數組中的 for-Each 最終會被編譯器處理成一個普通的for迴圈，也就是說 for-Each迴圈是完全與普通for迴圈等價的，沒有任何特殊的命令。
    可以通過反編譯來驗證，很簡單，此處不再多說。

  2. 在數組中，for-Each 迴圈能否完全替代普通for迴圈
      答案是否定的。雖然for-Each 寫起來方便，但也有以下幾個局限性：

  • 只能對元素進行順序的訪問；
  • 只能訪問數組或集合中的所有元素；
  • 迴圈中沒有當前的索引，無法對指定的元素操作。如更換當前索引位置的元素。

二、集合中的 for-Each迴圈

  數組的加強型的for-Each迴圈很簡單，我們再來看一下集合中的for-Each 迴圈又是怎麼樣的。我們都知道集合中的遍歷都是通過迭代（iterator）完成的。也許有人說，也可以按照下麵的方式來遍歷集合，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，這種方式對於基於鏈表實現的List來說，是比較耗性能的，因為get(int i)方法包含了一個迴圈，而且這個迴圈就是迭代遍歷一次List，直到遇到第i個元素，才停止迴圈，返回第i個元素。對於數量小，遍歷不頻繁的List來說，開銷可以忽略。否則，開銷將不容忽視。

所以，正確集合遍歷是使用迭代器Iterator來遍歷的：

List<String> list = new LinkedList<String>();
    list.add("a");
    list.add("b");
    list.add("c");
    
    //獲取集合的迭代器
    Iterator<String> itor = list.iterator();
    //集合的普通for迴圈
    for(;itor.hasNext();){//相當於 while(itor.hasNext())
        String item = itor.next();
        System.out.println(item);
    }

再看看對應的for-Each迴圈的例子：

    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迴圈比普通for迴圈要簡潔很多。我們依舊回答上面的兩個問題：

1. 編譯器是如何處理 集合中的for-Each迴圈的？

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");
        }

    }

我們看一下上面例子的 反編譯代碼：

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");
        }

    }

  與數組類似，編譯器最終也就是將集合中的for-Each迴圈處理成集合的普通for迴圈。 而集合的Collection介面通過擴展Iterable介面來提供iterator()方。那麼我們換一個角度，是不是只要實現 Iterable介面，提供iterator()方法，也可以使用 for-Each迴圈呢？來看個例子：

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() {//擴展自Iterable介面

           //為了簡單起見，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);
        }
    }
}

  上面的例子編譯通過，並且運行無誤。所以，只要實現了Iterable介面的類，都可以使用for-Each迴圈來遍歷。

集合迭代的陷阱

  集合迴圈遍歷時所使用的迭代器Iterator有一個要求：在迭代的過程中，除了使用迭代器（如:Iterator.remove()方法）對集合增刪元素外，是不允許直接對集合進行增刪操作。否則將會拋出 ConcurrentModificationException異常。所以，由於集合的for-Each迴圈本質上使用的還是Iterator來迭代，因此也要註意這個陷阱。for-Each迴圈很隱蔽地使用了Iterator，導致程式員很容易忽略掉這個細節，所以一定要註意。看下麵的例子，for-Each迴圈中修改了集合。

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
            }
        }
    }

運行拋出異常:

  上面僅僅是 單線程 下的情況，如果你有併發編程的基礎的話，就會知道：在 多線程 的環境中，線程是交替運行的（時間片輪轉調度）。這就意味著，如果有兩個線程A、B，線程A對集合使用Iterator迭代遍歷，線程B則對集合進行增刪操作。線程A、B一旦交替運行，就會出現在迭代的同時對集合增刪的效果，也會拋出異常。解決辦法就是加鎖變成原子操作，多線程在這裡不是本文重點，不多說了。

2. 集合中的for-Each迴圈能代替集合的普通for迴圈嗎？

  同樣也是不能的。集合中的for-Each迴圈的局限性與數組的for-Each迴圈是一樣的。集合的for-Each迴圈是不能對集合進行增刪操作、也不能獲取索引。而集合的普通for迴圈可以使用的迭代器提供了對集合的增刪方法（如：Iterator.remove，ListIterator.add()），獲取索引的方法（如：ListIterator.nextIndex()、ListIterator.previousIndex()）；

三、Iterator源碼分析

  我們來分析一下Iterator源碼，主要看看為什麼在集合迭代時，修改集合可能會拋出ConcurrentModificationException異常。以ArrayList中實現的Iterator為例。

先來看一下ArrayList.iterator()方法，如下：

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

iterator()方法直接創建了一個類Itr的對象。那就接著看 Itr類的定義吧！發現Itr其實是ArrayList的內部類，實現了 Iterator 介面。

/**
     * An optimized version of AbstractList.Itr
     */
    private class Itr implements Iterator<E> {
        int cursor;       // 當前的索引值，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的底層數組
            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的底層數組，上面這些方法都很簡單，都是對ArrayList.this.elementData這個底層數組進行操作。
  重點看一下checkForComodification（）方法，這個方法就是用來拋出 ConcurrentModificationException異常，這個方法也很簡單，就是判斷modCount與expectedModCount是否相等。modCount存儲的AarryList中的元素個數。而expectedModCount則是對象創建時將modCount的值賦給它，也就是說expectedModCount存儲的是迭代器創建時元素的個數。那麼checkForComodification（）方法其實在比較迭代期間，ArrayList元素的個數 是否發生了改變，如果改變了，就拋出異常。註意一下，expectedModCount除了在聲明時賦值外，也在remove()方法中更新了一次。

總結

  • 無論是在數組中還是在集合中，for-Each加強型for迴圈都是它們各自的普通for迴圈的一種“簡寫方式”，即兩者意思上是等價的，但前者方便簡單，建議多使用。
  • for-Each迴圈不能完全代替普通for迴圈，因為for-Each有一定的局限性。
  • for-Each迴圈只能用於 數組、Iterable類型（包括集合）。
  • 集合中的for-Each迴圈本質上使用了Ierator迭代器，所以要註意Itrator迭代陷阱（單線程和多線程都有問題）。




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