Java中Iterator 、Vector、ArrayList、List 使用深入剖析

线性表，链表，哈希表是常用的数据结构，在进行Java开发时，JDK已经为我们提供了一系列相应的类来实现基本的数据结构。这些类均在java.util包中。本文试图通过简单的描述，向读者阐述各个类的作用以及如何正确使用这些类。

Collection ├List │├LinkedList │├ArrayList │└Vector │　└Stack └Set Map ├Hashtable ├HashMap └WeakHashMap

 

Collection接口
　　Collection是最基本的集合接口，一个Collection代表一组Object，即Collection的元素 （Elements）。一些 Collection允许相同的元素而另一些不行。一些能排序而另一些不行。Java SDK不提供直接继承自Collection的类， Java SDK提供的类都是继承自Collection的“子接口”如List和Set。
　　所有实现Collection接口的类都必须提供两个标准的构造函数：无参数的构造函数用于创建一个空的Collection，有一个 Collection参数的构造函数用于创建一个新的 Collection，这个新的Collection与传入的Collection有相同的元素。后一个构造函数允许用户复制一个Collection。
　　如何遍历Collection中的每一个元素？不论Collection的实际类型如何，它都支持一个iterator()的方法，该方法返回一个迭代子，使用该迭代子即可逐一访问Collection中每一个元素。典型的用法如下：

　　Iterator it = collection.iterator(); // 获得一个迭代子 　　　　while(it.hasNext()) { 　　　　　　Object obj = it.next(); // 得到下一个元素 　　　　}

　由Collection接口派生的两个接口是List和Set。

 

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() ... }

 

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...       }


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。


List接口
　　List是有序的Collection，使用此接口能够精确的控制每个元素插入的位置。用户能够使用索引（元素在List中的位置，类似于数组下标）来访问List中的元素，这类似于Java的数组。
和下面要提到的Set不同，List允许有相同的元素。
　　除了具有Collection接口必备的iterator()方法外，List还提供一个listIterator()方法，返回一个 ListIterator接口，和标准的Iterator接口相比，ListIterator多了一些add()之类的方法，允许添加，删除，设定元素， 还能向前或向后遍历。
　　实现List接口的常用类有LinkedList，ArrayList，Vector和Stack。

LinkedList类
　　LinkedList实现了List接口，允许null元素。此外LinkedList提供额外的 get，remove，insert方法在 LinkedList的首部或尾部。这些操作使LinkedList可被用作堆栈（stack），队列（queue）或双向队列（deque）。
　　注意LinkedList没有同步方法。如果多个线程同时访问一个List，则必须自己实现访问同步。一种解决方法是在创建List时构造一个同步的List：

List list = Collections.synchronizedList(new LinkedList(...));

 

ArrayList类
　　ArrayList实现了可变大小的数组。它允许所有元素，包括null。ArrayList没有同步。
size，isEmpty，get，set方法运行时间为常数。但是add方法开销为分摊的常数，添加n个元素需要O(n)的时间。其他的方法运行时间为线性。
　　每个ArrayList实例都有一个容量（Capacity），即用于存储元素的数组的大小。这个容量可随着不断添加新元素而自动增加，但是 增长算法并没有定义。当需要插入大量元素时，在插入前可以调用ensureCapacity方法来增加ArrayList的容量以提高插入效率。
　　和LinkedList一样，ArrayList也是非同步的（unsynchronized）。

Vector类
　　Vector非常类似ArrayList，但是Vector是同步的。由Vector创建的Iterator，虽然和 ArrayList创建的 Iterator是同一接口，但是，因为Vector是同步的，当一个Iterator被创建而且正在被使用，另一个线程改变了Vector的状态（例 如，添加或删除了一些元素）。