摘要:源碼,由于的結構并不是順序的,在執行方法時不能通過指針或下標的方式直接找到下一個元素,為了能達到這個目的,在構造函數和方法中預先做了處理。
繼續研讀JDK的源碼,在比較HashMap和ConcurrentHashMap的不同之處發現了一個細節——關于Iterator的實現的不同,其實HashMap和ConcurrentHashMap還有更多不同的地方,這也是面試經常問到的問題,有一篇文章我覺得講的很好了,Java進階(六)從ConcurrentHashMap的演進看Java多線程核心技術。
Iterator是一種設計模式,在Java Collection Framework中經常作為容器的視圖(view),大多數時候只支持刪除、不支持增加,提供統一的接口方法等特點。在Java Collection Framework的Iterator實現中大多數是fast-fail方式的,而支持并發的容器數據結構則沒有這個限制。
1)使用Iterator遍歷字符串列表
Listlists = Arrays.asList("a","b","c"); Iterator iterator = lists.iterator(); while (iterator.hasNext()) { String val = iterator.next(); System.out.println(val); }
這種做法是for..each的語法的展開形式
for(String val: lists){ //sout }
2)使用Iterator遍歷LinkedList
LinkedListlinkedList = new LinkedList<>(lists); iterator = linkedList.iterator(); while (iterator.hasNext()) { String val = iterator.next(); System.out.println(val); }
3) 使用Iterator遍歷HashMap
Map非并發數據結構Iterator的實現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中的結構是順序的,Iterator既然是List的視圖,那它也表現了相同的順序。
ArrayList獲得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(); }
源碼,
/** * 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的一個內部類,它能使用宿主類的成員變量,事實上Itr反映了ArrayList的內部情況,使用了size、expectedModCount和elementData等屬性。通過游標cursor的方式不斷往前遞進,只要游標小于size就說明依然還有元素可以訪問。
應該看到的是,在調用了new Iterator()之后,可以看做Itr對ArrayList做了快照,這里的快照并不是很嚴格,是基于modCount比較來實現的。它在初始化時備份了modCount的值,保存為私有的變量expectedModCount。
首先Iterator接口并沒有諸如add的方法,即不能通過Iterator來為容器增加元素;
其次,如果有其他線程變化了容器的結構(structural modification),那么ArrayList.this.modCount的值會發生改變,那么在Itr執行next或者remove方法時會判斷出來modCount != expectedModCount的情況,從而拋出異常fast-fail。
再次,如果執行了Itr的remove方法,它能夠調用ArrayList.this.remove的方法,然后修正游標和expectedModCount等。
ArrayList.this.remove(lastRet); cursor = lastRet; lastRet = -1; expectedModCount = modCount;
2)LinkedList中的Iterator
LinkedList的Iterator和ArrayList中的有一些類似的地方。
首先,LinkedList的iterator入口方法其實是AbstractSequentialList抽象類中,
/** * 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);
而這個ListIterator是一個接口,它被LinkedList$ListItr實現,
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中的復雜一些,它更支持了add等方法;
類似原來游標的遍歷方式,基于size、expectedModCount等比較邏輯依然存在,只不過遍歷的方式不是原來的下標增進,而是節點之間的next指針來實現。
3)HashMap中的Iterator
HashMap有多個view視圖,keySet, values, entrySet,這里分析下entrySet這個視圖,另外兩個原理和entrySet視圖的差不多。
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方法中調用了newEntryIterator,將構造EntryIterator實例,
EntryIterator源碼
private final class EntryIterator extends HashIterator> { public Map.Entry next() { return nextEntry(); } }
EntryIterator繼承了HashIterator類,復用了父類的大部分方法,只是覆蓋了next方法。
HashIterator源碼,
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的結構并不是順序的,在執行Iterator.next方法時不能通過next指針或下標的方式直接找到下一個元素,HashIterator為了能達到這個目的,在構造函數和nextEntry方法中預先做了advance處理。
//構造函數中 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) ; }
構造函數中預先在HashMap的table數組找到第一個頭結點不為null的元素;
(next = t[index++]) == null的寫法有點迷惑性,不考慮HashMap為空的情況,index自增停在next != null的情況,即 next = t[index-1], index已經往前一步了;
在nextEntry中如果發現e.next是null,此時表示table這個數組元素的鏈表遍歷結束了,需要跳到下一個頭節點不為空的元素繼續遍歷,而index剛好往前一步了,此時繼續執行
next = t[index++]
假設next[index]不為空,那么下一個遍歷的數組元素頭節點找到,并且index已經自增了。
并發數據結構的情況以ConcurrentHashMap為例,看ConcurrentHashMap$HashInteraotr的實現
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; } }
這里能看到ConcurrentHashMap的segment分段因素所在,在構造函數中指定了最后一個segment數組元素,然后做advance處理,也是從后往前處理的。首先找到不為null的分段segment,然后才是在segment的table數組中找到不為null的元素,這都是從后往前“前進”的。
而與HashMap不同的地方,ConcurrentHashMap的Iterator并不是fast-fail的,它并沒有判斷modCount;除此之外還應該看到它對nextEntry的處理,在advance的方法調用以下兩個方法,
/** * 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); }
它們都是調用了UNSAFE.getObjectVolatile方法,利用了volatile access的方式,相較于上鎖的方式性能更好。
番外篇 JavaScript實現的Iterator的例子這個例子來自MDN的文檔,做法比較簡潔,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
可以考慮給這個makeIterator的返回值加上hasNext屬性,
return { next: ..., hasNext: function() { return nextIndex < array.length; } }
JavaScript利用了閉包實現了Iterator和Java利用內部類實現有相似的地方。
總結Iterator的主要目的還是為了表現底層數據結構的所有元素,提供一種統一的遍歷方式。在不同的數據結構需要針對不同語義做出改動,像LinkedList的支持add方法,像ConcurrentHashMap和HashMap的advance處理,像ConcurrentHashMap那樣不判斷modeCount而使用volatile access等。
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