Java 集合框架分析 - Iterator

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2017-03-20
原文链接: www.jianshu.com

Java里面的数组数据可以通过索引来获取,那么对象呢?也是通过索引吗?今天我们就来分析一下Java集合中获取集合对象的方法迭代-Iterator。

本篇文章主要分析一下Java集合框架中的迭代器部分,Iterator,该源码分析基于JDK1.8,分析工具,AndroidStudio,文章分析不足之处,还请指正!

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一、简介

我们常常使用 JDK 提供的迭代接口进行 Java 集合的迭代。

   Iterator iterator = list.iterator();
            while(iterator.hasNext()){
                String string = iterator.next();
                //do something
            }

上面便是迭代器使用的基本模板,迭代其实我们可以简单地理解为遍历,是一个标准化遍历各类容器里面的所有对象的方法类。它总是控制 Iterator,向它发送”向前”,”向后”,”取当前元素”的命令,就可以间接遍历整个集合。在 Java 中 Iterator 为一个接口,它只提供了迭代了基本规则:

    public interface Iterator<E> {
    //判断容器内是否还有可供访问的元素
    boolean hasNext();
    //返回迭代器刚越过的元素的引用,返回值是 E
    E next();
    //删除迭代器刚越过的元素
    default void remove() {
        throw new UnsupportedOperationException("remove");
    }
}

上面便是迭代器的基本申明,我们通过具体的集合来分析。

二、集合分类

2.1 ArrayList的Iterator

我们通过分析ArrayList的源码可以知道,在 ArrayList 内部首先是定义一个内部类 Itr,该内部类实现 Iterator 接口,如下:

private class Itr implements Iterator<E> {
    //....
}

在内部类实现了Iterator接口,而ArrayList的Iterator是返回的它的内部类Itr,所以我们主要看看Itr是如何实现的。

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

接下来我们分析一下它的内部类Itr的实现方式。

    private class Itr implements Iterator<E> {

        protected int limit = ArrayList.this.size;

        int cursor;       // 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 < limit;
        }

        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E next() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            int i = cursor;
            if (i >= limit)
                throw new NoSuchElementException();
            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();
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();

            try {
                ArrayList.this.remove(lastRet);
                cursor = lastRet;
                lastRet = -1;
                expectedModCount = modCount;
                limit--;
            } 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;

            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

首先我们来分析一下定义的变量:

        protected int limit = ArrayList.this.size;

        int cursor;       // index of next element to return
        int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
        int expectedModCount = modCount;

其中,limit是当前ArrayList的大小,cursor代表的是下一个元素的索引,而lastRet是上一个元素的索引,没有的话就返回-1,expectedModCount没什么多大用处。我们接着分析看迭代的时候怎么判断有没有后继元素的。

    public boolean hasNext() {
            return cursor < limit;
    }

很简单,就是判断下一个元素的索引有没有到达数组的容量大小,达到了就没有了,到头了!

接着,我们在分析一下获取当前索引的元素的方法next

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

在next方法中为什么要判断modCount呢?即用来判断遍历过程中集合是否被修改过。modCount 用于记录 ArrayList 集合的修改次数,初始化为 0,,每当集合被修改一次(结构上面的修改,内部update不算),如 add、remove 等方法,modCount + 1,所以如果 modCount 不变,则表示集合内容没有被修改。该机制主要是用于实现 ArrayList 集合的快速失败机制,在 Java 的集合中,较大一部分集合是存在快速失败机制的。所以要保证在遍历过程中不出错误,我们就应该保证在遍历过程中不会对集合产生结构上的修改(当然 remove 方法除外),出现了异常错误,我们就应该认真检查程序是否出错而不是 catch 后不做处理。上面的代码比较简单,就是返回索引处的数组值。

对于ArrayList的迭代方法,主要是判断索引的值和数组的大小进行比较,看看还没有数据可以遍历了,然后再依次获取数组中的值,而已,主要抓住各个集合的底层实现方式即可进行迭代。

接下来我们在分析一下HashMap的Iterator的方法,其他方法类似,只要抓住底层实现方式即可。

2.2 HashMap的Iterator

在HashMap中,也有一个类实现了Iterator接口,只不过是个抽象类,HashIterator,我们来看看它的实现方式。

    private abstract class HashIterator<E> implements Iterator<E> {
        HashMapEntry<K,V> next;        // next entry to return
        int expectedModCount;   // For fast-fail
        int index;              // current slot
        HashMapEntry<K,V> current;     // current entry

        HashIterator() {
            expectedModCount = modCount;
            if (size > 0) { // advance to first entry
                HashMapEntry[] t = table;
                while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
                    ;
            }
        }

        public final boolean hasNext() {
            return next != null;
        }

        final Entry<K,V> nextEntry() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            HashMapEntry<K,V> e = next;
            if (e == null)
                throw new NoSuchElementException();

            if ((next = e.next) == null) {
                HashMapEntry[] t = table;
                while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
                    ;
            }
            current = e;
            return e;
        }

        public void remove() {
            if (current == null)
                throw new IllegalStateException();
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            Object k = current.key;
            current = null;
            HashMap.this.removeEntryForKey(k);
            expectedModCount = modCount;
        }
    }

同样,它也定义了一个变量

        HashMapEntry<K,V> next;        // next entry to return
        int expectedModCount;   // For fast-fail
        int index;              // current slot
        HashMapEntry<K,V> current;     // current entry

next代表下一个entry的节点,expectedModCount同样是用于判断修改状态,用于集合的快速失败机制。index代表当前索引,current当前所索引所代表的节点entry,我们来看看如何判断是否还有下一个元素的值的。

        public final boolean hasNext() {
            return next != null;
        }

很简单就是判断next是否为null,为null的话就代表没有数据了。

接着分析获取元素的方法

        final Entry<K,V> nextEntry() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
            HashMapEntry<K,V> e = next;
            if (e == null)
                throw new NoSuchElementException();
            // 一个Entry就是一个单向链表
            // 若该Entry的下一个节点不为空,就将next指向下一个节点;
            // 否则,将next指向下一个链表(也是下一个Entry)的不为null的节点。
            if ((next = e.next) == null) {
                HashMapEntry[] t = table;
                while (index < t.length && (next = t[index++]) == null)
                    ;
            }
            current = e;
            return e;
        }

以上便是一些具体集合实例的迭代方法实现原理,同理可以分析其他集合的实现方式。


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