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Java源碼分析深入探討Iterator模式

Java.util包中包含了一系列重要的集合類。本文將從分析源碼入手，深入研究一個(gè)集合類的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及遍歷集合的迭代模式的Java源碼實(shí)現(xiàn)內(nèi)幕。

下面我們先簡(jiǎn)單討論一個(gè)根接口Collection，然后分析一個(gè)抽象類AbstractList和它的對(duì)應(yīng)Iterator接口，并仔細(xì)研究迭代子模式的實(shí)現(xiàn)原理。

本文討論的Java源碼版本是JDK 1.4.2，因?yàn)镴DK 1.5在Java.util中使用了很多泛型代碼，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，所以我們還是討論1.4版本的代碼。

集合類的根接口Collection

Collection接口是所有集合類的根類型。它的一個(gè)主要的接口方法是：

boolean add(Object c)
 
add()方法將添加一個(gè)新元素。注意這個(gè)方法會(huì)返回一個(gè)boolean，但是返回值不是表示添加成功與否。仔細(xì)閱讀doc可以看 到，Collection規(guī)定：如果一個(gè)集合拒絕添加這個(gè)元素，無(wú)論任何原因，都必須拋出異常。這個(gè)返回值表示的意義是add()方法執(zhí)行后，集合的內(nèi)容 是否改變了（就是元素有無(wú)數(shù)量，位置等變化），這是由具體類實(shí)現(xiàn)的。即：如果方法出錯(cuò)，總會(huì)拋出異常；返回值僅僅表示該方法執(zhí)行后這個(gè) Collection的內(nèi)容有無(wú)變化。

類似的還有：

 
 
 
    
  
  
  
  1. boolean addAll(Collection c);     
    2. 
  
  
  
  2. boolean remove(Object o);     
    3. 
  
  
  
  3. boolean removeAll(Collection c);     
    4. 
  
  
  
  4. boolean remainAll(Collection c);
    5.

Object[] toArray()方法很簡(jiǎn)單，把集合轉(zhuǎn)換成數(shù)組返回。Object[] toArray(Object[] a)方法就有點(diǎn)復(fù)雜了，首先，返回的Object[]仍然是把集合的所有元素變成的數(shù)組，但是類型和參數(shù)a的類型是相同的，比如執(zhí)行：

String[] o = (String[])c.toArray(new String[0]);
 
得到的o實(shí)際類型是String[]。

其次，如果參數(shù)a的大小裝不下集合的所有元素，返回的將是一個(gè)新的數(shù)組。如果參數(shù)a的大小能裝下集合的所有元素，則返回的還是a，但a的內(nèi)容用集合的元素來(lái)填充。尤其要注意的是，如果a的大小比集合元素的個(gè)數(shù)還多，a后面的部分全部被置為null。

***一個(gè)最重要的方法是iterator()，返回一個(gè)Iterator（迭代子），用于遍歷集合的所有元素。

用Iterator模式實(shí)現(xiàn)遍歷集合

Iterator模式是用于遍歷集合類的標(biāo)準(zhǔn)訪問(wèn)方法。它可以把訪問(wèn)邏輯從不同類型的集合類中抽象出來(lái)，從而避免向客戶端暴露集合的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

例如，如果沒(méi)有使用Iterator，遍歷一個(gè)數(shù)組的方法是使用索引：

 
 
 
    
  
  
  
  1. for(int i=0; i
  
  
  
  2. i++) { ... get(i) ... }
    3.

而訪問(wèn)一個(gè)鏈表（LinkedList）又必須使用while循環(huán)：

 
 
 
    
  
  
  
  1. while((e=e.next())!=null)  
    2. 
  
  
  
  2. { ... e.data() ... }
    3.

 以上兩種方法客戶端都必須事先知道集合的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，訪問(wèn)代碼和集合本身是緊耦合，無(wú)法將訪問(wèn)邏輯從集合類和客戶端代碼中分離出來(lái)，每一種集合對(duì)應(yīng)一種遍歷方法，客戶端代碼無(wú)法復(fù)用。

更恐怖的是，如果以后需要把ArrayList更換為L(zhǎng)inkedList，則原來(lái)的客戶端代碼必須全部重寫(xiě)。

為解決以上問(wèn)題，Iterator模式總是用同一種邏輯來(lái)遍歷集合：

 
 
 
    
  
  
  
  1. for(Iterator it = c.iterater();  
    2. 
  
  
  
  2. it.hasNext(); ) { ... }
    3.

奧秘在于客戶端自身不維護(hù)遍歷集合的"指針"，所有的內(nèi)部狀態(tài)（如當(dāng)前元素位置，是否有下一個(gè)元素）都由Iterator來(lái)維護(hù)，而這個(gè)Iterator由集合類通過(guò)工廠方法生成，因此，它知道如何遍歷整個(gè)集合。

客戶端從不直接和集合類打交道，它總是控制Iterator，向它發(fā)送"向前"，"向后"，"取當(dāng)前元素"的命令，就可以間接遍歷整個(gè)集合。

首先看看Java.util.Iterator接口的定義：

 
 
 
    
  
  
  
  1. public interface Iterator  
    2. 
  
  
  
  2. {        boolean hasNext();         
    3. 
  
  
  
  3. Object next();        void remove();    }
    4.

依賴前兩個(gè)方法就能完成遍歷，典型的代碼如下：

 
 
 
    
  
  
  
  1. for(Iterator it = c.iterator();  
    2. 
  
  
  
  2. it.hasNext(); )  
    3. 
  
  
  
  3. {        Object o = it.next();         
    4. 
  
  
  
  4. // 對(duì)o的操作...    }
    5.

在JDK1.5中，還對(duì)上面的代碼在語(yǔ)法上作了簡(jiǎn)化：

// Type是具體的類型，如String。    for(Type t ： c) {        // 對(duì)t的操作...    }
 
每一種集合類返回的Iterator具體類型可能不同，Array可能返回ArrayIterator，Set可能返回 SetIterator，Tree可能返回TreeIterator，但是它們都實(shí)現(xiàn)了Iterator接口，因此，客戶端不關(guān)心到底是哪種 Iterator，它只需要獲得這個(gè)Iterator接口即可，這就是面向?qū)ο蟮耐Α?/p>

Iterator源碼剖析

讓我們來(lái)看看AbstracyList如何創(chuàng)建Iterator。首先AbstractList定義了一個(gè)內(nèi)部類（inner class）：

private class Itr implements Iterator {        ...    }

而iterator()方法的定義是：

  1. public Iterator iterator()   
  2. {        return new Itr();    }

因此客戶端不知道它通過(guò)Iterator it = a.iterator();所獲得的Iterator的真正類型。

現(xiàn)在我們關(guān)心的是這個(gè)申明為private的Itr類是如何實(shí)現(xiàn)遍歷AbstractList的：

 
 
 
    
  
  
  
  1. private class Itr implements Iterator  
    2. 
  
  
  
  2. {        int cursor = 0;         
    3. 
  
  
  
  3. int lastRet = -1;         
    4. 
  
  
  
  4. int expectedModCount = modCount;    }
    5.

Itr類依靠3個(gè)int變量（還有一個(gè)隱含的AbstractList的引用）來(lái)實(shí)現(xiàn)遍歷，cursor是下一次next()調(diào)用時(shí)元素的位置，***次調(diào)用next()將返回索引為0的元素。lastRet記錄上一次游標(biāo)所在位置，因此它總是比cursor少1。

變量cursor和集合的元素個(gè)數(shù)決定hasNext()：

 
 
 
    
  
  
  
  1. public boolean hasNext()  
    2. 
  
  
  
  2. {        return cursor != size();    }
    3.

方法next()返回的是索引為cursor的元素，然后修改cursor和lastRet的值：

 
 
 
    
  
  
  
  1. public Object next() {        checkForComodification();         
    2. 
  
  
  
  2. try {            Object next = get(cursor);             
    3. 
  
  
  
  3. lastRet = cursor++;             
    4. 
  
  
  
  4. return next; 
    5. 
  
  
  
  5.         } catch(IndexOutOfBoundsException e)  
    6. 
  
  
  
  6. {            checkForComodification();             
    7. 
  
  
  
  7. throw new NoSuchElementException();        }    }
    8.

expectedModCount表示期待的modCount值，用來(lái)判斷在遍歷過(guò)程中集合是否被修改過(guò)。AbstractList包含一個(gè) modCount變量，它的初始值是0，當(dāng)集合每被修改一次時(shí)（調(diào)用add，remove等方法），modCount加1。因此，modCount如果不 變，表示集合內(nèi)容未被修改。

Itr初始化時(shí)用expectedModCount記錄集合的modCount變量，此后在必要的地方它會(huì)檢測(cè)modCount的值：

 
 
 
    
  
  
  
  1. final void checkForComodification()  
    2. 
  
  
  
  2. {        if  
    3. 
  
  
  
  3. (modCount != expectedModCount)             
    4. 
  
  
  
  4. throw new ConcurrentModificationException();    }
    5.

如果modCount與一開(kāi)始記錄在expectedModeCount中的值不等，說(shuō)明集合內(nèi)容被修改過(guò)，此時(shí)會(huì)拋出ConcurrentModificationException。

這個(gè)ConcurrentModificationException是RuntimeException，不要在客戶端捕獲它。如果發(fā)生此異常，說(shuō)明程序代碼的編寫(xiě)有問(wèn)題，應(yīng)該仔細(xì)檢查代碼而不是在catch中忽略它。

但是調(diào)用Iterator自身的remove()方法刪除當(dāng)前元素是完全沒(méi)有問(wèn)題的，因?yàn)樵谶@個(gè)方法中會(huì)自動(dòng)同步expectedModCount和modCount的值：

 
 
 
    
  
  
  
  1. public void remove()  
    2. 
  
  
  
  2. {        ...        AbstractList.this.remove(lastRet); 
    3. 
  
  
  
  3.         ...         
    4. 
  
  
  
  4. // 在調(diào)用了集合的remove()方法之后重新設(shè)置了expectedModCount：         
    5. 
  
  
  
  5. expectedModCount = modCount;        ...    }
    6.

要確保遍歷過(guò)程順利完成，必須保證遍歷過(guò)程中不更改集合的內(nèi)容（Iterator的remove()方法除外），因此，確保遍歷可靠的原則是只在一個(gè)線程中使用這個(gè)集合，或者在多線程中對(duì)遍歷代碼進(jìn)行同步。

***給個(gè)完整的示例：

 
 
 
    
  
  
  
  1. Collection c = new ArrayList();     
    2. 
  
  
  
  2. c.add("abc");    c.add("xyz");     
    3. 
  
  
  
  3. for(Iterator it = c.iterator();  
    4. 
  
  
  
  4. it.hasNext(); ) {        String s = (String)it.next();         
    5. 
  
  
  
  5. System.out.println(s);    }
    6.

如果你把***行代碼的ArrayList換成LinkedList或Vector，剩下的代碼不用改動(dòng)一行就能編譯，而且功能不變，這就是針對(duì)抽象編程的原則：對(duì)具體類的依賴性最小。


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