Java中 ( Iterator ) 迭代器 详解 ( JDK8源码 )

Java集合框架的集合类，我们有时候称之为容器。容器的种类有很多种，比如ArrayList、LinkedList、HashSet...，每种容器都有自己的特点，ArrayList底层维护的是一个数组；LinkedList是链表结构的；HashSet依赖的是哈希表，每种容器都有自己特有的数据结构。

因为容器的内部结构不同，很多时候可能不知道该怎样去遍历一个容器中的元素。所以为了使对容器内元素的操作更为简单，Java引入了迭代器模式！ 

那什么是迭代器呢？

迭代器（Iterator）是一个对象，它的工作就是遍历并选择序列中的对象，它提供了一种访问容器（container）对象中的各个元素，而又不必暴露该对象内部细节的方法。

迭代器是一种设计模式，它是一个对象，它可以遍历并选择序列中的对象，而开发人员不需要了解该序列的底层结构 ( 迭代器把访问逻辑从不同类型的集合类中抽取出来，从而避免向外部暴露集合的内部结构)。

迭代器通常被称为“轻量级”对象，因为创建它的代价小。

　　Java中的Iterator功能比较简单，并且只能单向移动：

　　(1) 使用方法iterator()要求容器返回一个Iterator。第一次调用Iterator的next()方法时，它返回序列的第一个元素。注意：iterator()方法是java.lang.Iterable接口,被Collection继承。

　　(2) 使用next()获得序列中的下一个元素。

　　(3) 使用hasNext()检查序列中是否还有元素。

　　(4) 使用remove()将迭代器新返回的元素删除。

只要看看下面这个例子就一清二楚了：

import java.util.*;
public class Muster {
 
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList list = new ArrayList();
        list.add("a");
        list.add("b");
        list.add("c");
        Iterator it = list.iterator();
        while(it.hasNext()){
            String str = (String) it.next();
            System.out.println(str);
        }
    }
}

 结果

a
b
c

 可以看到，Iterator可以不用管底层数据具体是怎样存储的，都能够通过next()遍历整个List。

为啥要用Iterator?

若不使用迭代器, 访问代码和集合本身是紧密耦合的，因此无法将访问逻辑从集合类和客户端代码中分离出来。而由于不同的集合会对应不同的遍历方法，所以客户端代码无法复用。在实际应用中如何将上面两个集合整合是相当麻烦的。

而对于Iterator来说，它总是用同一种逻辑来遍历集合，使得客户端自身不需要维护集合的内部结构，所有的内部状态都由Iterator来维护。也就是说，客户端不用直接和集合进行打交道，而是控制Iterator向它发送向前向后的指令，就可以遍历集合。

实现原理

但是，具体是怎么实现的呢？背后机制究竟如何呢？

所有Iterator都最终实现接口Iterator，Iterator接口中包含三个基本方法，next(), hasNext(), remove()，其中对于List的遍历删除只能用Iterator的remove方法；

JDK1.8中java.util.Iterator接口的源码如下：

public interface Iterator {

    boolean hasNext();

    // JDK1.8的新特性，可以通过default在接口中写个方法的实现
    default void remove() {
        throw new UnsupportedOperationException("remove");
    }
    
    default void forEachRemaining(Consumer action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        while (hasNext())
            action.accept(next());
    }
}

下面将基于ArrayList的Iterator的实现分析Iterator的原理（基于JDK1.8）:

在ArrayList类中有个方法iterator()，此方法将返回一个iterator的实现，这里可以看出实现类叫Itr，通过其它源码可知，此类是AarryList的内部类，即ArryList的Iterator实现在ArrayList内部；

public Iterator iterator() {
        return new Itr();
    }

这里我们来看看Java里ArrayList中实现类Itr类的源码：

private class Itr implements Iterator {
        /**
         * 下一个返回的位置
         */
        int cursor = 0;
 
        /**
         * 当前操作的位置
         */
        int lastRet = -1;
 
        /**
         * 类似版本号，检查List是否有更新
         */
        int expectedModCount = modCount;
 
        public boolean hasNext() {      // 判断是否有下一个元素
            return cursor != size();
        }
 
        public E next() {  // 返回下一个元素
            checkForComodification();
            try {
                int i = cursor;     // cursor记录的是下一个元素，所以调用next时将返回的是cursor对应的元素
                E next = get(i);    //  记录需要返回的元素
                lastRet = i;        // 记录当前元素
                cursor = i + 1;     // 记录下一个元素
                return next;
            } catch (IndexOutOfBoundsException e) {
                checkForComodification();
                throw new NoSuchElementException();
            }
        }
 
        public void remove() {       // 移除元素
            if (lastRet < 0)
                throw new IllegalStateException();
            checkForComodification();     //   检查是否有更改，remove或者add
 
            try {
                AbstractList.this.remove(lastRet);   // 删除当前元素  
                if (lastRet < cursor)                // 删除了之后指标减1
                    cursor--;
                lastRet = -1;                    
                expectedModCount = modCount;         // 保持版本号一致
            } catch (IndexOutOfBoundsException e) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }
 
        final void checkForComodification() {    // 如果有更改则抛出ConcurrentModificationException异常
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
        }

从上面代码中可以看出，对于Iterator的实现中主要有几个变量cursor，lastRest, expectedModCount三个变量，其中cursor将记录下一个位置，lastRet记录当前位置，expectedModCount记录没有修改的List的版本号。

问题：还记得说List中在iterator遍历的时候，不能随便添加和删除元素吗，这是为什么呢？

在iterator遍历的时候抛出异常都是checkForComodification()方法作的，根本原因是modCout和expectedModCount不相等，导致抛出异常

那为啥会不相等呢？

可以看看ArrayList的add和remove方法，

remove方法：

add方法:

从上面的代码中可以看出只要对ArrayList作了添加或删除操作都会增加modCount版本号，这样的意思是在迭代期间，会不断检查modCount和迭代器持有的expectedModCount两者是不是相等，如果不相等就抛出异常了。

这样在迭代器迭代期间不能对ArrayList作任何增删操作，但是可以通过iterator的remove作删除操作，从之前的代码可以看出，在iterator的remove()中有一行代码，expectedModCount = modCount; 这个赋值操作保证了iterator的remove是可用性的。

当然，iterator期间不能增删的根本原因是ArrayList遍历会不准，就像遍历数组的时候改变了数组的长度一样

弱一致性迭代器请见这篇文章

使用该机制的主要目的是为了实现ArrayList中的快速失败机制（fail-fast），在Java集合中较大一部分集合是存在快速失败机制的。

快速失败机制产生的条件:当多个线程对Collection进行操作时，若其中某一个线程通过Iterator遍历集合时，该集合的内容被其他线程所改变，则会抛出ConcurrentModificationException异常。

而上面我们说了实现了Iterable接口的类就可以通过Foreach遍历，那是因为foreach要依赖于Iterable接口返回的Iterator对象，所以从本质上来讲，Foreach其实就是在使用迭代器，在使用foreach遍历时对集合的结构进行修改，和在使用Iterator遍历时对集合结构进行修改本质上是一样的。所以同样的也会抛出异常，执行快速失败机制。

注：foreach是JDK1.5新增加的一个循环结构，foreach的出现是为了简化我们遍历集合的行为。

所以要保证在使用Iterator遍历集合的时候不出错误，就应该保证在遍历集合的过程中不会对集合产生结构上的修改。

如么如何解决这种错误呢？解决方法如下：

在遍历的过程中把需要删除的对象保存到一个集合中，等遍历结束之后再调用removeAll()方法来删除，或者使用iter.remove()方法。

以上主要介绍了单线程的解决方法，那么多线程访问容器的过程中抛出ConcurrentModificationException异常的话又该咋办呢？

• 在JDK1.5版本中引入了线程安全的容器，比如ConcurrentHashMap和CopyOnWriteArrayList等，可以使用这些线程安全的容器来代替非线程安全的容器。
  ConcurrentHashMap: https://blog.csdn.net/q5706503/article/details/85171474
• 在使用迭代器遍历容器的时候对容器的操作放到synchronized代码块中，但是当引用程序并发成都比较高的时候，这会严重影响程序的性能。

for循环与迭代器的比较

每个方法都有不同的语境，因此它们没有绝对的好也没有绝对的坏，因此在效率上各有各的优势:

ArrayList对随机访问比较快，而for循环中使用的get()方法，采用的即是随机访问的方法，因此在ArrayList里for循环快。
LinkedList则是顺序访问比较快，Iterator中的next()方法采用的是顺序访问方法，因此在LinkedList里使用Iterator较快。
不过总的来说，这两种东西的好坏主要还是要依据集合的数据结构不同的判断。

Iterator与ListIterator有什么区别？

Iterator只能正向遍历集合，适用于获取移除元素。ListIerator继承自Iterator，专门针对List，可以从两个方向遍历List，同时支持元素的修改

 

参考博客 :

https://blog.csdn.net/Searchin_R/article/details/85176311

https://www.cnblogs.com/hasse/p/5024193.html

https://blog.csdn.net/qq_36101933/article/details/82632137