Java源码分析：深入探讨Iterator模式及Java 5.0中改进的for循环
java.util包中包含了一系列重要的集合类。本文将从分析源码入手，深入研究一个集合类的内部结构，以及遍历集合的迭代模式的源码实现内幕。
下面我们先简单讨论一个根接口Collection，然后分析一个抽象类AbstractList和它的对应Iterator接口，并仔细研究迭代子模式的实现原理。
本文讨论的源代码版本是JDK 1.4.2，因为JDK 1.5在java.util中使用了很多泛型代码，为了简化问题，所以我们还是讨论1.4版本的代码。
集合类的根接口Collection
Collection接口是所有集合类的根类型。它的一个主要的接口方法是：
| boolean add(Object c) |
add()方法将添加一个新元素。注意这个方法会返回一个boolean，但是返回值不是表示添加成功与否。仔细阅读doc可以看到，Collection规定：如果一个集合拒绝添加这个元素，无论任何原因，都必须抛出异常。这个返回值表示的意义是add()方法执行后，集合的内容是否改变了（就是元素有无数量，位置等变化），这是由具体类实现的。即：如果方法出错，总会抛出异常；返回值仅仅表示该方法执行后这个Collection的内容有无变化。
类似的还有：
| boolean addAll(Collection c); boolean remove(Object o); boolean removeAll(Collection c); boolean remainAll(Collection c); |
Object[] toArray()方法很简单，把集合转换成数组返回。Object[] toArray(Object[] a)方法就有点复杂了，首先，返回的Object[]仍然是把集合的所有元素变成的数组，但是类型和参数a的类型是相同的，比如执行：
| String[] o = (String[])c.toArray(new String[0]); |
得到的o实际类型是String[]。
其次，如果参数a的大小装不下集合的所有元素，返回的将是一个新的数组。如果参数a的大小能装下集合的所有元素，则返回的还是a，但a的内容用集合的元素来填充。尤其要注意的是，如果a的大小比集合元素的个数还多，a后面的部分全部被置为null。
最后一个最重要的方法是iterator()，返回一个Iterator（迭代子），用于遍历集合的所有元素。
用Iterator模式实现遍历集合
Iterator模式是用于遍历集合类的标准访问方法。它可以把访问逻辑从不同类型的集合类中抽象出来，从而避免向客户端暴露集合的内部结构。
例如，如果没有使用Iterator，遍历一个数组的方法是使用索引：
| for(int i=0; i<array.size(); i++) { ... get(i) ... } |
而访问一个链表（LinkedList）又必须使用while循环：
| while((e=e.next())!=null) { ... e.data() ... } |
以上两种方法客户端都必须事先知道集合的内部结构，访问代码和集合本身是紧耦合，无法将访问逻辑从集合类和客户端代码中分离出来，每一种集合对应一种遍历方法，客户端代码无法复用。
更恐怖的是，如果以后需要把ArrayList更换为LinkedList，则原来的客户端代码必须全部重写。
为解决以上问题，Iterator模式总是用同一种逻辑来遍历集合：
| for(Iterator it = c.iterater(); it.hasNext(); ) { ... } |
奥秘在于客户端自身不维护遍历集合的"指针"，所有的内部状态（如当前元素位置，是否有下一个元素）都由Iterator来维护，而这个Iterator由集合类通过工厂方法生成，因此，它知道如何遍历整个集合。
客户端从不直接和集合类打交道，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。
首先看看java.util.Iterator接口的定义：
| public interface Iterator { boolean hasNext(); Object next(); void remove(); } |
依赖前两个方法就能完成遍历，典型的代码如下：
| for(Iterator it = c.iterator(); it.hasNext(); ) { Object o = it.next(); // 对o的操作... } |
在JDK1.5中，还对上面的代码在语法上作了简化：
| // Type是具体的类型，如String。 for(Type t : c) { // 对t的操作... } |
改进的for循环是Java 5.0中的一个让我很喜欢的改进。它只对数组和实现了java.util.Iterator接口的容器类有效。
(见本文后面)
每一种集合类返回的Iterator具体类型可能不同，Array可能返回ArrayIterator，Set可能返回SetIterator，Tree可能返回TreeIterator，但是它们都实现了Iterator接口，因此，客户端不关心到底是哪种Iterator，它只需要获得这个Iterator接口即可，这就是面向对象的威力。
Iterator源码剖析
让我们来看看AbstracyList如何创建Iterator。首先AbstractList定义了一个内部类（inner class）：
| private class Itr implements Iterator { ... } |
而iterator()方法的定义是：
| public Iterator iterator() { return new Itr(); } |
因此客户端不知道它通过Iterator it = a.iterator();所获得的Iterator的真正类型。
现在我们关心的是这个申明为private的Itr类是如何实现遍历AbstractList的：
| private class Itr implements Iterator { int cursor = 0; int lastRet = -1; int expectedModCount = modCount; } |
Itr类依靠3个int变量（还有一个隐含的AbstractList的引用）来实现遍历，cursor是下一次next()调用时元素的位置，第一次调用next()将返回索引为0的元素。lastRet记录上一次游标所在位置，因此它总是比cursor少1。
变量cursor和集合的元素个数决定hasNext()：
| public boolean hasNext() { return cursor != size(); } |
方法next()返回的是索引为cursor的元素，然后修改cursor和lastRet的值：
| public Object next() { checkForComodification(); try { Object next = get(cursor); lastRet = cursor++; return next; } catch(IndexOutOfBoundsException e) { checkForComodification(); throw new NoSuchElementException(); } } |
expectedModCount表示期待的modCount值，用来判断在遍历过程中集合是否被修改过。AbstractList包含一个modCount变量，它的初始值是0，当集合每被修改一次时（调用add，remove等方法），modCount加1。因此，modCount如果不变，表示集合内容未被修改。
Itr初始化时用expectedModCount记录集合的modCount变量，此后在必要的地方它会检测modCount的值：
| final void checkForComodification() { if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); } |
如果modCount与一开始记录在expectedModeCount中的值不等，说明集合内容被修改过，此时会抛出ConcurrentModificationException。
这个ConcurrentModificationException是RuntimeException，不要在客户端捕获它。如果发生此异常，说明程序代码的编写有问题，应该仔细检查代码而不是在catch中忽略它。
但是调用Iterator自身的remove()方法删除当前元素是完全没有问题的，因为在这个方法中会自动同步expectedModCount和modCount的值：
| public void remove() { ... AbstractList.this.remove(lastRet); ... // 在调用了集合的remove()方法之后重新设置了expectedModCount： expectedModCount = modCount; ... } |
要确保遍历过程顺利完成，必须保证遍历过程中不更改集合的内容（Iterator的remove()方法除外），因此，确保遍历可靠的原则是只在一个线程中使用这个集合，或者在多线程中对遍历代码进行同步。
最后给个完整的示例：
| Collection c = new ArrayList(); c.add("abc"); c.add("xyz"); for(Iterator it = c.iterator(); it.hasNext(); ) { String s = (String)it.next(); System.out.println(s); } |
如果你把第一行代码的ArrayList换成LinkedList或Vector，剩下的代码不用改动一行就能编译，而且功能不变，这就是针对抽象编程的原则：对具体类的依赖性最小
改进的for循环是Java 5.0中的一个让我很喜欢的改进。它只对数组和实现了java.util.Iterator接口的容器类有效。
package cn.justfly.study.tiger.enhancedfor;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collection;
/* *
* The demo of enhanced for statement
* it can only used for array and classes implements java.util.Iterable interface
* @author Justfly Shi
* created at 2005-8-28 21:42:12
*/
public class EnhancedFor {
/* *
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
//for array
int[] intArray={1,2,3,4 };
System.out.println("printing ints:" );
for(int i:intArray){
System.out .println(i);
}
//for Collection
Collection<String> list=new ArrayList<String> ();
for(int i=0;i<4;i++ ){
list.add("String"+ i);
}
System.out.println("print Strings in an Collection:" );
for (String i:list){
System.out .println(i);
}
//self-define Iterable
MyIterable<String> myIte=new MyIterable<String> (list);
System.out.println("print Stings in an Iterable" );
for (String i:myIte){
System.out .println(i);
}
}
}
package cn.justfly.study.tiger.enhancedfor;
import java.util.Collection;
import java.util.Iterator;
/* *
* an self-defined Iterable ,that can be used in enhanced-for statement
* @author Justfly Shi
* created at 2005-8-28 22:09:05
* @param
*/
public class MyIterable<G_E> implements Iterable<G_E> {
private Collection<G_E> _list;
public Iterator<G_E> iterator() {
return new MyIterator<G_E> (_list.iterator());
}
public MyIterable(Collection<G_E> list) {
_list = list;
}
class MyIterator<G_I> implements Iterator<G_I> {
private Iterator<G_I> _ite;
MyIterator(Iterator<G_I> ite) {
_ite = ite;
}
public boolean hasNext() {
return _ite.hasNext();
}
public G_I next() {
return _ite.next();
}
public void remove() {
_ite.remove();
}
}
}
输出结果
printing ints:
1
2
3
4
print Strings in an Collection:
String0
String1
String2
String3
print Stings in an Iterable
String0
String1
String2
String3
Collection c = new ArrayList();
c.add("abc");
c.add("xyz");
for(Iterator it = c.iterator(); it.hasNext(); ) {
String s = (String)it.next();
System.out.println(s);
}
