Java基础-迭代器Iterator与语法糖for-each

迭代器Iterator与语法糖for-each

一、为什么需要迭代器

设计模式迭代器
迭代器作用于集合，是用来遍历集合元素的对象。迭代器不是Java独有的，大部分高级语言都提供了迭代器来遍历集合。实际上，迭代器是一种设计模式：

迭代器模式提供一种方法顺序访问一个聚合对象中的各个元素，而又不暴露其内部的表示。

迭代器封装了对集合的遍历，使得不用了解集合的内部细节，就可以使用同样的方式遍历不同的集合。

暴露细节的遍历

要理解封装遍历的好处，必须理解暴露细节的遍历带来的坏处。
以下是两个不同的集合接口，第一个是自定义集合，第二个是JDK的java.util.List

public interface IUserDefinedList<E> {    int length();    E getElement(int index);
}

public interface List<E> {    int size();    E get(int index);
}

分别使用for循环对它们进行遍历：

// 自定义Listfor (int i = 0, len = ul.length(); i < len; i++) {
    System.out.println(ul.getElement(i));
}// java.util.Listfor (int i = 0, size = ll.size(); i < size; i++) {
    System.out.println(ll.get(i));
}

遍历集合的代码与具体集合类型紧密耦合，不同类型的集合，必须写出不同的遍历代码，不可重用。紧耦合在良好的代码设计中是大忌，这时需要将遍历逻辑抽离，封装。这就是迭代器模式了。

二、封装遍历-迭代器

面向接口编程

面向接口编程是基本的设计原则，迭代器模式将遍历封装到接口，然后各个集合类可以以实现接口，或者组合接口实现类的方式，将遍历封装。

迭代器接口如下：

public interface Iterator<E> {    boolean hasNext();    E next();
}

然后就可以以统一的方式遍历集合：

Iterator it = aIterator;while(it.hasNext) {
    it.next();
}

因为集合都实现了Iterator接口，所以以上的遍历代码是可以重用的，并且与具体集合类型松耦合。

Java迭代器

Java提供的Iterator原理大致相同：

java迭代器接口

忽略Java8提供的默认方法forEachRemaining()，java迭代器多了可以移除上一个元素的remove()方法。

Java集合中有很多迭代器的具体实现，以ArrayList为例：

ArrayList迭代器实现

ArrayList的迭代器是以内部类的方式实现的，每次调用List的iterator()方法，都会得到一个基于当前ArrayList对象状态的迭代器：

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

next()方法：

public E next() {
    checkForComodification();    int i = cursor;    if (i >= size)        throw new NoSuchElementException();
    Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;    if (i >= elementData.length)        throw new ConcurrentModificationException();
    cursor = i + 1;    return (E) elementData[lastRet = i];
}

每次调用next()方法，都会调用

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

检查所迭代的列表对象是否被修改过，modCount是外部类的一个字段，当调用外部类的add, remove, ensureCapacity等方法，都会改变改字段的值，而expectedModCount是内部类Itr初始化迭代器实例时，使用modeCount赋值的字段。这样，在使用迭代器过程中，如果对正在迭代的对象调用了add, remove, ensureCapacity等方法，再去调用迭代器的next()，就会引发ConcurrentModificationException异常了。

一个诱发异常的例子：

ArrayList<String> ls = new ArrayList<>();
Iterator<String> it = ls.iterator();while (it.hasNext()) {
    System.out.println(it.next());
    ls.ensureCapacity(10); // 改变了集合对象modCount的值，下次调用next 抛出异常}

三、语法糖for-each

java中的for-each：

List<String> ls = new ArrayList<>();for (String s: ls) {
    System.out.println(s);
}

for-each其实只是java提供的语法糖。语法糖是编程语言提供的一些便于程序员书写代码的语法，是编译器提供给程序员的糖衣，编译时会对这些语法特殊处理。语法糖虽然不会带来实质性的改进，但是在提高代码可读性，提高语法严谨性，减少编码错误机会上确实做出了很大贡献。

Java要求集合必须实现Iterable接口，才能使用for-each语法糖遍历该集合的实例。
JDK对该接口的描述是：

Implementing this interface allows an object to be the target of * the "for-each loop" statement.

接口如下：

public interface Iterable<T> {    
    Iterator<T> iterator();    
    default void forEach(Consumer<? super T> action) {
        Objects.requireNonNull(action);        for (T t : this) {
            action.accept(t);
        }
    }    
    default Spliterator<T> spliterator() {        return Spliterators.spliteratorUnknownSize(iterator(), 0);
    }
}

忽略默认方法，该接口要求集合实现iterator()方法，并返回一个迭代器对象Iterator。这也是java中的集合通过实现Iterable接口，组合Iterator来提供迭代器，并不通过直接实现Iterator接口的方式来提供集合迭代器的原因了。所有java集合迭代器的直接用法都如下：

List<String> ls = new ArrayList<>();
Iterator<String> it = ls.iterator();while (it.hasNext()) {
    System.out.println(it.next());
}

for-each的编译器实现

The Java® Language Specification 对for-each做出了解释。

for-each遍历集合，实际上被翻译如下：

for (I #i = Expression.iterator(); #i.hasNext(); ) {
    {VariableModifier} TargetType Identifier =
        (TargetType) #i.next();
    Statement
}

当然，除了集合，for-each还可以遍历数组，翻译如下：

T[] #a = Expression;
L1: L2: ... Lm:for (int #i = 0; #i < #a.length; #i++) {
    {VariableModifier} TargetType Identifier = #a[#i];
    Statement
}

以上参考 The enhanced for statement

另外，使用javap命令，反编译字节码，可以看到编译器是怎样处理for-each的。

public class Test {    public static void main(String[] args) {
        List<String> ls = new ArrayList<>();        for (String s: ls) {
        }
    }
}

以上源文件对应class文件的反编译汇编为：

C:\OTHERS\Working\ideaWork\utils\Z_practice\src\main\java>javap -c pattern\adapter\java_example\Test.class
Compiled from "Test.java"public class pattern.adapter.java_example.Test {  public pattern.adapter.java_example.Test();
    Code:       0: aload_0       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:       0: new           #2                  // class java/util/ArrayList
       3: dup       4: invokespecial #3                  // Method java/util/ArrayList."<init>":()V
       7: astore_1       8: aload_1       9: invokeinterface #4,  1            // InterfaceMethod java/util/List.iterator:()Ljava/util/Iterator;
      14: astore_2      15: aload_2      16: invokeinterface #5,  1            // InterfaceMethod java/util/Iterator.hasNext:()Z
      21: ifeq          37
      24: aload_2      25: invokeinterface #6,  1            // InterfaceMethod java/util/Iterator.next:()Ljava/lang/Object;
      30: checkcast     #7                  // class java/lang/String
      33: astore_3      34: goto          15
      37: return}

不用关注全部汇编细节，只需要看到InterfaceMethod java/util/List.iterator:()Ljava/util/Iterator;就知道实际上是使用了迭代器。

至于数组的for-each，也可以通过观察class文件的汇编代码理解。

四、最佳实践

1. for-each遍历的集合对象不能为null
   既然对集合的for-each遍历实际上是使用迭代器，会调用集合对象的iterator()方法获得迭代器，那么，对null集合的for-each遍历，就会在null集合对象上调用方法，势必会抛出空指针异常。

2. for-each遍历时不能改变正在遍历的集合
   因为在使用迭代器遍历集合时，不能够改变集合，所以for-each遍历时改变集合，同样会引发ConcurrentModificationException异常。

作者：理查德成
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