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Iterator 模式

Iterator 模式

作用

迭代器模式提供一种方法顺序访问一个集合对象中的各个元素,而又不暴露其内部的表示。

定义

在面向对象的编程中,迭代器模式是一种设计模式,其中迭代器用于遍历容器并访问容器的元素。迭代器模式将算法与容器分离。

有许多种方法可以把对象组成一个集合。底层的容器可以是数组,堆栈,链表,散列表等。当用户希望遍历这些对象的时候,我们不希望用户需要看到底层容器的实现。迭代器模式就是用来处理这种情况的。

看看实现

public interface Iterable<T> {
    /**
     * Returns an iterator over elements of type {@code T}.
     *
     * @return an Iterator.
     */
    Iterator<T> iterator();
}

public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
	
    ...

		/**
     * Returns an iterator over the elements in this collection.  There are no
     * guarantees concerning the order in which the elements are returned
     * (unless this collection is an instance of some class that provides a
     * guarantee).
     *
     * @return an <tt>Iterator</tt> over the elements in this collection
     */
    Iterator<E> iterator();

    ...
}

public interface Iterator<E> {
    /**
     * Returns {@code true} if the iteration has more elements.
     * (In other words, returns {@code true} if {@link #next} would
     * return an element rather than throwing an exception.)
     *
     * @return {@code true} if the iteration has more elements
     */
    boolean hasNext();

    /**
     * Returns the next element in the iteration.
     *
     * @return the next element in the iteration
     * @throws NoSuchElementException if the iteration has no more elements
     */
    E next();

    /**
     * Removes from the underlying collection the last element returned
     * by this iterator (optional operation).  This method can be called
     * only once per call to {@link #next}.  The behavior of an iterator
     * is unspecified if the underlying collection is modified while the
     * iteration is in progress in any way other than by calling this
     * method.
     *
     * @implSpec
     * The default implementation throws an instance of
     * {@link UnsupportedOperationException} and performs no other action.
     *
     * @throws UnsupportedOperationException if the {@code remove}
     *         operation is not supported by this iterator
     *
     * @throws IllegalStateException if the {@code next} method has not
     *         yet been called, or the {@code remove} method has already
     *         been called after the last call to the {@code next}
     *         method
     */
    default void remove() {
        throw new UnsupportedOperationException("remove");
    }

    /**
     * Performs the given action for each remaining element until all elements
     * have been processed or the action throws an exception.  Actions are
     * performed in the order of iteration, if that order is specified.
     * Exceptions thrown by the action are relayed to the caller.
     *
     * @implSpec
     * <p>The default implementation behaves as if:
     * <pre>{@code
     *     while (hasNext())
     *         action.accept(next());
     * }</pre>
     *
     * @param action The action to be performed for each element
     * @throws NullPointerException if the specified action is null
     * @since 1.8
     */
    default void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        while (hasNext())
            action.accept(next());
    }
}
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Iterator 接口中,最重要的就是 nexthasNext 两个方法了。实现了这两个方法,就可以完成遍历一个集合的操作。

for/in 语句

在 Java 中,我们经常可以看到这样的语句

List<Integer> list = new ArrayList<>();
list.add(1);
list.add(2);
list.add(3);
for (int item : list) {
    System.out.println(item);
}
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在 Kotlin 中,也有这样的语句

for (item in listOf(1, 2, 3)) {
    println(item)
}
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实际上这些语句依赖了迭代器模式,在编译成字节码的时候,语句会被替换成以下语句的等同实现

Iterator var4 = CollectionsKt.listOf(new Integer[]{1, 2, 3}).iterator();

while(var4.hasNext()) {
   int a = ((Number)var4.next()).intValue();
   System.out.println(a);
}
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正是迭代器将集合底层的具体实现做了屏蔽,我们在上层使用的时候才能有如此丝滑的体验:对于任何类型的集合,都可以用同样的方式实现其遍历。

要点

迭代器允许访问集合的元素,而不需要暴露它的内部结构

迭代器提供了一个通用的接口,让我们遍历集合的项

迭代器将遍历集合的工作封装进一个对象中

  • 比如 java.util.LinkedList 的 Iterator 的实现类是其内部类 java.util.LinkedList.ListItr 。这个类是 private 的,实现了 Iterator 接口,这个类的实现并不会对外暴露。

我们应该努力让一个类只分配一个责任

迭代器意味着没有次序,只是取出所有的元素,并不表示取出元素的先后就代表元素的大小次序。对于迭代器来说,数据结构可以是有次序的,或是没有次序的,,甚至数据是可以重复的。除非某个集合的文件有特别说明,否则不可以对迭代器取出的元素大小顺序作出假设。

多线程的情况

先了解一个概念:

Fail-fast

In systems design, a fail-fast system is one which immediately reports at its interface any condition that is likely to indicate a failure. Fail-fast systems are usually designed to stop normal operation rather than attempt to continue a possibly flawed process.

举个🌰️

我有一个 LinkedList

1️⃣➡️️2️⃣➡️️3️⃣➡️️4️⃣➡️️5️⃣➡️️6️⃣

有两个线程同时对这个链表操作。我们将其称之为读线程和写线程。

读线程在使用 Iterator 遍历这个链表,假设当前在 3️⃣ 这个位置上,即 hasNext返回 true, next 返回 4️⃣。

写线程对 2️⃣ 做了修改,将这个 Node 移除掉了。

那么对于读线程来说,迭代器会正常继续向后遍历这个链表,相当于这个链表没有发生过修改。

对于写线程来说,链表已经变成了 1️⃣➡️️3️⃣➡️️4️⃣➡️️5️⃣➡️️6️⃣。

那么对于某些任务,迭代器读取到 2️⃣ 可能就是错误的操作,2️⃣ 已经不再属于这个链表。

对于一个可能已经出现错误的操作,按照 Fail-fast 的原则,我们应该尽早上报这个错误。

为了发现这种情况。 Java 在 AbstractList 这个类里面添加了一个成员变量 modCount ,每当通过 List 提供的接口对其进行修改时,modCount++

protected transient int modCount = 0;
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LinkedList 继承自 AbstractList

创建 java.util.LinkedList.ListItr 对象的时候,会记录当时链表的 modCount ,在每次操作 链表的时候,会先验证当前链表的 modCount 是否和迭代器中记录的一致。如果不一致,说明链表已经发生改变,无法保证迭代器能返回正确的结果。所以我们就看到了这样的错误 throw new ConcurrentModificationException();

注意:这种方式只能发现通过 List 提供的接口对其内容作出的修改。比如上面的例子中,我们持有 Node 2️⃣ ,直接修改其指向下一个节点的指针,将其设为 Null,迭代器是不会发现这个情况的。

顺便提一嘴,ListIterator 继承自 Iterator 并添加了 addremove 方法,他是怎么实现在迭代的过程中也可以修改 List 的内容的呢?

public interface ListIterator<E> extends Iterator<E> {

	...

	void add(E e);
  
	void remove();

	...
}
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既然修改 List 内容是通过迭代器进行的,迭代器已经知晓了 List 内容发生了什么变化,不会出现上面的 List 内容被修改了,迭代器不知道的情况,那么妥善应对了 List 的变化后(这需要编写 Iterator 的开发者来实现,保证 Iterator 访问到的依然是正确的 List 内容),将 Iterator 中记录的 expectedModCount 修改为当前 List 的 modCount 即可,

Refs

Head First 设计模式

en.wikipedia.org/wiki/Fail-f…


By Eric