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

線性表，鏈表，雜湊表是常用的資料結構，在進行Java開發時，JDK已經為我們提供了一系列相應的類來實現基本的資料結構。這些類均在java.util包中。本文試圖通過簡單的描述，向讀者闡述各個類的作用以及如何正確使用這些類。

Collection<br />├List<br />│├LinkedList<br />│├ArrayList<br />│└Vector<br />│　└Stack<br />└Set<br />Map<br />├Hashtable<br />├HashMap<br />└WeakHashMap

 

Collection介面

　　Collection是最基本的集合介面，一個Collection代表一組Object，即Collection的元素
（Elements）。一些 Collection允許相同的元素而另一些不行。一些能排序而另一些不行。Java
SDK不提供直接繼承自Collection的類， Java SDK提供的類都是繼承自Collection的“子介面”如List和Set。

　　所有實現Collection介面的類都必須提供兩個標準的建構函式：無參數的建構函式用於建立一個空的Collection，有一個
Collection參數的建構函式用於建立一個新的
Collection，這個新的Collection與傳入的Collection有相同的元素。後一個建構函式允許使用者複製一個Collection。

　　如何遍曆Collection中的每一個元素？不論Collection的實際類型如何，它都支援一個iterator()的方法，該方法返回一個迭代子，使用該迭代子即可逐一訪問Collection中每一個元素。典型的用法如下：

　　Iterator it = collection.iterator(); // 獲得一個迭代子<br />　　　　while(it.hasNext()) {<br />　　　　　　Object obj = it.next(); // 得到下一個元素<br />　　　　}

　由Collection介面派生的兩個介面是List和Set。

 

用Iterator模式實現遍曆集合

Iterator模式是用於遍曆集合類的標準存取方法。它可以把訪問邏輯從不同類型的集合類中抽象出來，從而避免向用戶端暴露集合的內部結構。

例如，如果沒有使用Iterator，遍曆一個數組的方法是使用索引：

for(int i=0; i<array.size(); i++) { ... get(i) ... }

 

而訪問一個鏈表（LinkedList）又必須使用while迴圈：

while((e=e.next())!=null) { ... e.data() ... }

 

奧秘在於用戶端自身不維護遍曆集合的"指標"，所有的內部狀態（如當前元素位置，是否有下一個元素）都由Iterator來維護，而這個Iterator由集合類通過Factory 方法產生，因此，它知道如何遍曆整個集合。

用戶端從不直接和集合類打交道，它總是控制Iterator，向它發送"向前"，"向後"，"取當前元素"的命令，就可以間接遍曆整個集合。

首先看看java.util.Iterator介面的定義：

public interface Iterator { boolean hasNext(); Object next(); void remove(); }

 

依賴前兩個方法就能完成遍曆，典型的代碼如下：

for(Iterator it = c.iterator(); it.hasNext(); ) { Object o = it.next(); // 對o的操作... }

 

在JDK1.5中，還對上面的代碼在文法上作了簡化：

      // Type是具體的類型，如String。       for(Type t : c) {           // 對t的操作...       }

每一種集合類返回的Iterator具體類型可能不同，Array可能返回ArrayIterator，Set可能返回
SetIterator，Tree可能返回TreeIterator，但是它們都實現了Iterator介面，因此，用戶端不關心到底是哪種
Iterator，它只需要獲得這個Iterator介面即可，這就是物件導向的威力。

Iterator源碼剖析

讓我們來看看AbstracyList如何建立Iterator。首先AbstractList定義了一個內部類（inner class）：

private class Itr implements Iterator { ... }

 

而iterator()方法的定義是：

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

 

因此用戶端不知道它通過Iterator it = a.iterator();所獲得的Iterator的真正類型。

現在我們關心的是這個申明為private的Itr類是如何?遍曆AbstractList的：

private class Itr implements Iterator { int cursor = 0; int lastRet = -1; int expectedModCount = modCount; }<br />

 

Itr類依靠3個int變數（還有一個隱含的AbstractList的引用）來實現遍曆，cursor是下一次next()調用時元素的位置，第一次調用next()將返回索引為0的元素。lastRet記錄上一次遊標所在位置，因此它總是比cursor少1。

變數cursor和集合的元素個數決定hasNext()：

public boolean hasNext() { return cursor != size(); }<br />

 

方法next()返回的是索引為cursor的元素，然後修改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，用來判斷在遍曆過程中集合是否被修改過。AbstractList包含一個
modCount變數，它的初始值是0，當集合每被修改一次時（調用add，remove等方法），modCount加1。因此，modCount如果不
變，表示集合內容未被修改。

Itr初始化時用expectedModCount記錄集合的modCount變數，此後在必要的地方它會檢測modCount的值：

final void checkForComodification() { if (modCount != expectedModCount) throw new ConcurrentModificationException(); }

 

如果modCount與一開始記錄在expectedModeCount中的值不等，說明集合內容被修改過，此時會拋出ConcurrentModificationException。

這個ConcurrentModificationException是RuntimeException，不要在用戶端捕獲它。如果發生此異常，說明程式碼的編寫有問題，應該仔細檢查代碼而不是在catch中忽略它。

但是調用Iterator自身的remove()方法刪除當前元素是完全沒有問題的，因為在這個方法中會自動同步expectedModCount和modCount的值：

public void remove() { ... AbstractList.this.remove(lastRet); ... // 在調用了集合的remove()方法之後重新設定了expectedModCount： expectedModCount = modCount; ... }

 

要確保遍曆過程順利完成，必須保證遍曆過程中不更改集合的內容（Iterator的remove()方法除外），因此，確保遍曆可靠的原則是只在一個線程中使用這個集合，或者在多線程中對遍曆代碼進行同步。

最後給個完整的樣本：

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); }

 

如果你把第一行代碼的ArrayList換成LinkedList或Vector，剩下的代碼不用改動一行就能編譯，而且功能不變，這就是針對抽象編程的原則：對具體類的依賴性最小。

List介面

　　List是有序的Collection，使用此介面能夠精確的控制每個元素插入的位置。使用者能夠使用索引（元素在List中的位置，類似於數組下標）來訪問List中的元素，這類似於Java的數組。

和下面要提到的Set不同，List允許有相同的元素。

　　除了具有Collection介面必備的iterator()方法外，List還提供一個listIterator()方法，返回一個
ListIterator介面，和標準的Iterator介面相比，ListIterator多了一些add()之類的方法，允許添加，刪除，設定元素，
還能向前或向後遍曆。

　　實現List介面的常用類有LinkedList，ArrayList，Vector和Stack。

LinkedList類

　　LinkedList實現了List介面，允許null元素。此外LinkedList提供額外的
get，remove，insert方法在
LinkedList的首部或尾部。這些操作使LinkedList可被用作堆棧（stack），隊列（queue）或雙向隊列（deque）。

　　注意LinkedList沒有同步方法。如果多個線程同時訪問一個List，則必須自己實現訪問同步。一種解決方案是在建立List時構造一個同步的List：

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

 

ArrayList類

　　ArrayList實現了可變大小的數組。它允許所有元素，包括null。ArrayList沒有同步。

size，isEmpty，get，set方法已耗用時間為常數。但是add方法開銷為分攤的常數，添加n個元素需要O(n)的時間。其他的方法已耗用時間為線性。

　　每個ArrayList執行個體都有一個容量（Capacity），即用於儲存元素的數組的大小。這個容量可隨著不斷添加新元素而自動增加，但是
增長演算法並沒有定義。當需要插入大量元素時，在插入前可以調用ensureCapacity方法來增加ArrayList的容量以提高插入效率。

　　和LinkedList一樣，ArrayList也是非同步的（unsynchronized）。

Vector類

　　Vector非常類似ArrayList，但是Vector是同步的。由Vector建立的Iterator，雖然和
ArrayList建立的
Iterator是同一介面，但是，因為Vector是同步的，當一個Iterator被建立而且正在被使用，另一個線程改變了Vector的狀態（例
如，添加或刪除了一些元素）。