摘要:源码,由于的结构并不是顺序的,在执行方法时不能通过指针或下标的方式直接找到下一个元素,为了能达到这个目的,在构造函数和方法中预先做了处理。
继续研读JDK的源码,在比较HashMap和ConcurrentHashMap的不同之处发现了一个细节——关于Iterator的实现的不同,其实HashMap和ConcurrentHashMap还有更多不同的地方,这也是面试经常问到的问题,有一篇文章我觉得讲的很好了,Java进阶(六)从ConcurrentHashMap的演进看Java多线程核心技术。
Iterator是一种设计模式,在Java Collection Framework中经常作为容器的视图(view),大多数时候只支持删除、不支持增加,提供统一的接口方法等特点。在Java Collection Framework的Iterator实现中大多数是fast-fail方式的,而支持并发的容器数据结构则没有这个限制。
1)使用Iterator遍历字符串列表
Listlists = Arrays.asList("a","b","c"); Iterator iterator = lists.iterator(); while (iterator.hasNext()) { String val = iterator.next(); System.out.println(val); }
这种做法是for..each的语法的展开形式
for(String val: lists){ //sout }
2)使用Iterator遍历LinkedList
LinkedListlinkedList = new LinkedList<>(lists); iterator = linkedList.iterator(); while (iterator.hasNext()) { String val = iterator.next(); System.out.println(val); }
3) 使用Iterator遍历HashMap
Map非并发数据结构Iterator的实现hmap = new HashMap<>(3); hmap.put("a",1); hmap.put("b",2); hmap.put("c",3); Iterator > mapIterator = hmap.entrySet().iterator(); while (mapIterator.hasNext()) { Map.Entry entry = mapIterator.next(); System.out.println(entry.getKey() + ":" + entry.getValue()); }
1)ArrayList中的Iterator
list中的结构是顺序的,Iterator既然是List的视图,那它也表现了相同的顺序。
ArrayList获得Iterator,
/** * Returns an iterator over the elements in this list in proper sequence. * *The returned iterator is fail-fast. * * @return an iterator over the elements in this list in proper sequence */ public Iterator
iterator() { return new Itr(); }
源码,
/** * An optimized version of AbstractList.Itr */ private class Itr implements Iterator{ int cursor; // index of next element to return int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such int expectedModCount = modCount; public boolean hasNext() { return cursor != size; } @SuppressWarnings("unchecked") public E next() { checkForComodification(); int i = cursor; if (i >= size) throw new NoSuchElementException(); Object[] elementData = ArrayList.this.elementData; if (i >= elementData.length) throw new ConcurrentModificationException(); cursor = i + 1; return (E) elementData[lastRet = i]; } public void remove() { if (lastRet < 0) throw new IllegalStateException(); checkForComodification(); try { ArrayList.this.remove(lastRet); cursor = lastRet; lastRet = -1; expectedModCount = modCount; } catch (IndexOutOfBoundsException ex) { throw new ConcurrentModificationException(); } } final void checkForComodification() { if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); } }
Itr是ArrayList的一个内部类,它能使用宿主类的成员变量,事实上Itr反映了ArrayList的内部情况,使用了size、expectedModCount和elementData等属性。通过游标cursor的方式不断往前递进,只要游标小于size就说明依然还有元素可以访问。
应该看到的是,在调用了new Iterator()之后,可以看做Itr对ArrayList做了快照,这里的快照并不是很严格,是基于modCount比较来实现的。它在初始化时备份了modCount的值,保存为私有的变量expectedModCount。
首先Iterator接口并没有诸如add的方法,即不能通过Iterator来为容器增加元素;
其次,如果有其他线程变化了容器的结构(structural modification),那么ArrayList.this.modCount的值会发生改变,那么在Itr执行next或者remove方法时会判断出来modCount != expectedModCount的情况,从而抛出异常fast-fail。
再次,如果执行了Itr的remove方法,它能够调用ArrayList.this.remove的方法,然后修正游标和expectedModCount等。
ArrayList.this.remove(lastRet); cursor = lastRet; lastRet = -1; expectedModCount = modCount;
2)LinkedList中的Iterator
LinkedList的Iterator和ArrayList中的有一些类似的地方。
首先,LinkedList的iterator入口方法其实是AbstractSequentialList抽象类中,
/** * Returns an iterator over the elements in this list (in proper * sequence).* * This implementation merely returns a list iterator over the list. * * @return an iterator over the elements in this list (in proper sequence) */ public Iterator
iterator() { return listIterator(); } /** * Returns a list iterator over the elements in this list (in proper * sequence). * * @param index index of first element to be returned from the list * iterator (by a call to the next
method) * @return a list iterator over the elements in this list (in proper * sequence) * @throws IndexOutOfBoundsException {@inheritDoc} */ public abstract ListIteratorlistIterator(int index);
而这个ListIterator是一个接口,它被LinkedList$ListItr实现,
private class ListItr implements ListIterator{ private Node lastReturned = null; private Node next; private int nextIndex; private int expectedModCount = modCount; ListItr(int index) { // assert isPositionIndex(index); next = (index == size) ? null : node(index); nextIndex = index; } public boolean hasNext() { return nextIndex < size; } public E next() { checkForComodification(); if (!hasNext()) throw new NoSuchElementException(); lastReturned = next; next = next.next; nextIndex++; return lastReturned.item; } public boolean hasPrevious() { return nextIndex > 0; } public E previous() { checkForComodification(); if (!hasPrevious()) throw new NoSuchElementException(); lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev; nextIndex--; return lastReturned.item; } public int nextIndex() { return nextIndex; } public int previousIndex() { return nextIndex - 1; } public void remove() { checkForComodification(); if (lastReturned == null) throw new IllegalStateException(); Node lastNext = lastReturned.next; unlink(lastReturned); if (next == lastReturned) next = lastNext; else nextIndex--; lastReturned = null; expectedModCount++; } public void set(E e) { if (lastReturned == null) throw new IllegalStateException(); checkForComodification(); lastReturned.item = e; } public void add(E e) { checkForComodification(); lastReturned = null; if (next == null) linkLast(e); else linkBefore(e, next); nextIndex++; expectedModCount++; } final void checkForComodification() { if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); } }
LinkedList的Iterator要比ArrayList中的复杂一些,它更支持了add等方法;
类似原来游标的遍历方式,基于size、expectedModCount等比较逻辑依然存在,只不过遍历的方式不是原来的下标增进,而是节点之间的next指针来实现。
3)HashMap中的Iterator
HashMap有多个view视图,keySet, values, entrySet,这里分析下entrySet这个视图,另外两个原理和entrySet视图的差不多。
private final class EntrySet extends AbstractSet> { public Iterator > iterator() { return newEntryIterator(); } public boolean contains(Object o) { if (!(o instanceof Map.Entry)) return false; Map.Entry e = (Map.Entry ) o; Entry candidate = getEntry(e.getKey()); return candidate != null && candidate.equals(e); } public boolean remove(Object o) { return removeMapping(o) != null; } public int size() { return size; } public void clear() { HashMap.this.clear(); } }
EntrySet的iterator方法中调用了newEntryIterator,将构造EntryIterator实例,
EntryIterator源码
private final class EntryIterator extends HashIterator> { public Map.Entry next() { return nextEntry(); } }
EntryIterator继承了HashIterator类,复用了父类的大部分方法,只是覆盖了next方法。
HashIterator源码,
private abstract class HashIteratorimplements Iterator { Entry next; // next entry to return int expectedModCount; // For fast-fail int index; // current slot Entry current; // current entry HashIterator() { expectedModCount = modCount; if (size > 0) { // advance to first entry Entry[] t = table; while (index < t.length && (next = t[index++]) == null) ; } } public final boolean hasNext() { return next != null; } final Entry nextEntry() { if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); Entry e = next; if (e == null) throw new NoSuchElementException(); if ((next = e.next) == null) { Entry[] t = table; while (index < t.length && (next = t[index++]) == null) ; } current = e; return e; } public void remove() { if (current == null) throw new IllegalStateException(); if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); Object k = current.key; current = null; HashMap.this.removeEntryForKey(k); expectedModCount = modCount; } }
由于HashMap的结构并不是顺序的,在执行Iterator.next方法时不能通过next指针或下标的方式直接找到下一个元素,HashIterator为了能达到这个目的,在构造函数和nextEntry方法中预先做了advance处理。
//构造函数中 if (size > 0) { // advance to first entry Entry[] t = table; while (index < t.length && (next = t[index++]) == null) ; } //nextEntry中 if ((next = e.next) == null) { Entry[] t = table; while (index < t.length && (next = t[index++]) == null) ; }
构造函数中预先在HashMap的table数组找到第一个头结点不为null的元素;
(next = t[index++]) == null的写法有点迷惑性,不考虑HashMap为空的情况,index自增停在next != null的情况,即 next = t[index-1], index已经往前一步了;
在nextEntry中如果发现e.next是null,此时表示table这个数组元素的链表遍历结束了,需要跳到下一个头节点不为空的元素继续遍历,而index刚好往前一步了,此时继续执行
next = t[index++]
假设next[index]不为空,那么下一个遍历的数组元素头节点找到,并且index已经自增了。
并发数据结构的情况以ConcurrentHashMap为例,看ConcurrentHashMap$HashInteraotr的实现
abstract class HashIterator { int nextSegmentIndex; int nextTableIndex; HashEntry[] currentTable; HashEntry nextEntry; HashEntry lastReturned; HashIterator() { nextSegmentIndex = segments.length - 1; nextTableIndex = -1; advance(); } /** * Set nextEntry to first node of next non-empty table * (in backwards order, to simplify checks). */ final void advance() { for (;;) { if (nextTableIndex >= 0) { if ((nextEntry = entryAt(currentTable, nextTableIndex--)) != null) break; } else if (nextSegmentIndex >= 0) { Segment seg = segmentAt(segments, nextSegmentIndex--); if (seg != null && (currentTable = seg.table) != null) nextTableIndex = currentTable.length - 1; } else break; } } final HashEntry nextEntry() { HashEntry e = nextEntry; if (e == null) throw new NoSuchElementException(); lastReturned = e; // cannot assign until after null check if ((nextEntry = e.next) == null) advance(); return e; } public final boolean hasNext() { return nextEntry != null; } public final boolean hasMoreElements() { return nextEntry != null; } public final void remove() { if (lastReturned == null) throw new IllegalStateException(); ConcurrentHashMap.this.remove(lastReturned.key); lastReturned = null; } }
这里能看到ConcurrentHashMap的segment分段因素所在,在构造函数中指定了最后一个segment数组元素,然后做advance处理,也是从后往前处理的。首先找到不为null的分段segment,然后才是在segment的table数组中找到不为null的元素,这都是从后往前“前进”的。
而与HashMap不同的地方,ConcurrentHashMap的Iterator并不是fast-fail的,它并没有判断modCount;除此之外还应该看到它对nextEntry的处理,在advance的方法调用以下两个方法,
/** * Gets the jth element of given segment array (if nonnull) with * volatile element access semantics via Unsafe. (The null check * can trigger harmlessly only during deserialization.) Note: * because each element of segments array is set only once (using * fully ordered writes), some performance-sensitive methods rely * on this method only as a recheck upon null reads. */ @SuppressWarnings("unchecked") static finalSegment segmentAt(Segment [] ss, int j) { long u = (j << SSHIFT) + SBASE; return ss == null ? null : (Segment ) UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u); } /** * Gets the ith element of given table (if nonnull) with volatile * read semantics. Note: This is manually integrated into a few * performance-sensitive methods to reduce call overhead. */ @SuppressWarnings("unchecked") static final HashEntry entryAt(HashEntry [] tab, int i) { return (tab == null) ? null : (HashEntry ) UNSAFE.getObjectVolatile (tab, ((long)i << TSHIFT) + TBASE); }
它们都是调用了UNSAFE.getObjectVolatile方法,利用了volatile access的方式,相较于上锁的方式性能更好。
番外篇 JavaScript实现的Iterator的例子这个例子来自MDN的文档,做法比较简洁,迭代器
function makeIterator(array){ var nextIndex = 0; return { next: function(){ return nextIndex < array.length ? {value: array[nextIndex++], done: false} : {done: true}; } }; } var it = makeIterator(["yo", "ya"]); console.log(it.next().value); // "yo" console.log(it.next().value); // "ya" console.log(it.next().done); // true
可以考虑给这个makeIterator的返回值加上hasNext属性,
return { next: ..., hasNext: function() { return nextIndex < array.length; } }
JavaScript利用了闭包实现了Iterator和Java利用内部类实现有相似的地方。
总结Iterator的主要目的还是为了表现底层数据结构的所有元素,提供一种统一的遍历方式。在不同的数据结构需要针对不同语义做出改动,像LinkedList的支持add方法,像ConcurrentHashMap和HashMap的advance处理,像ConcurrentHashMap那样不判断modeCount而使用volatile access等。
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