Java面试-容器的遍历

2019 年 10 月 3 日
筆記

当我们用增强for循环遍历非并发容器（HashMap、ArrayList等），如果修改其结构，会抛出异常ConcurrentModificationException，因此在阿里巴巴的Java规范中有说到：不要在foreach循环里进行元素的remove/add操作，remove元素请使用Iterator方式。，但是不是真的就不可以在增强for循环中修改结构吗？其原理又是什么呢？

ConcurrentModificationException的含义

ConcurrentModificationException可以将其通俗的翻译为并发修改异常，那么关注点就在并发和修改了。也许有些人会说，我只是在单线程中修改了，并没有并发操作，但系统也抛了这样的这样的错误，这是为什么呢？别急，我们看看它的源码解释：

This exception may be thrown by methods that have detected concurrent modification of an object when such modification is not permissible.

这个异常就是应用程序在做一些系统不允许的操作时抛出的。记住，只要是系统不允许的操作，就一定会抛错的。

后面有一个值得注意的地方

Note that fail-fast behavior cannot be guaranteed as it is, generally speaking, impossible to make any hard guarantees in the presence of unsynchronized concurrent modification. Fail-fast operations throw ConcurrentModificationException on a best-effort basis. Therefore, it would be wrong to write a program that depended on this exception for its correctness: ConcurrentModificationException should be used only to detect bugs.

fail-fast（快速失败）并不能一定被保证，所以fail-fast操作会尽最大努力抛出该异常。既然是尽最大努力，因此无论是不是并发操作，只要是修改了，就一定会报错。

既然如此，我们来看看for循环中遍历修改容器结构，系统是如何知道的。

增加for循环的原理

我们来看看增强for循环遍历修改HashMap的代码：

    Map<String, String> hashMap = new HashMap<>(10);      // 添加      for (int i = 0; i < 10; i++) {        hashMap.put("key" + i, "value" + i);      }      // 遍历修改      for (Entry<String, String> entry : hashMap.entrySet()) {        String key = entry.getKey();        hashMap.remove(key);      }

这个时候，你如果运行的话，就会抛出ConcurrentModificationException，这个时候我们需要具体调试一下，发现遍历第一次并删除时没有报错，但第二次遍历，在for循环的括号执行完后，就抛出了异常，这又是为什么呢？

让我们反编译一下class文件，看看究竟增强for循环做了什么：

    Map<String, String> hashMap = new HashMap(10);        for(int i = 0; i < 10; ++i) {        hashMap.put("key" + i, "value" + i);      }        Iterator var5 = hashMap.entrySet().iterator();      while(var5.hasNext()) {        Entry<String, String> entry = (Entry)var5.next();        String key = (String)entry.getKey();        hashMap.remove(key);      }

我们发现，虽然写法上是增强for循环，但实际还是使用的while结合iterator进行遍历，现在我们贴上这个代码进行调试。

发现在第二次var5.next()处抛异常，接下来我们看看next方法究竟做了什么？

在HashMap的源码中显示：

    final class EntryIterator extends HashIterator          implements Iterator<Map.Entry<K,V>> {          public final Map.Entry<K,V> next() { return nextNode(); }      }        final Node<K,V> nextNode() {          Node<K,V>[] t;          Node<K,V> e = next;          if (modCount != expectedModCount)              throw new ConcurrentModificationException();          if (e == null)              throw new NoSuchElementException();          if ((next = (current = e).next) == null && (t = table) != null) {              do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);          }          return e;      }

我们注意到，nextNode()方法的第一个判断就决定了是否抛出ConcurrentModificationException，那么modCount和expectedModCount究竟是什么呢？

modCount和expectedModCount

我们来看看modCount和expectedModCount的关系，当我们调用Iterator var5 = hashMap.entrySet().iterator();时，源代码做了什么：

    HashIterator() {          expectedModCount = modCount;          Node<K,V>[] t = table;          current = next = null;          index = 0;          if (t != null && size > 0) { // advance to first entry              do {} while (index < t.length && (next = t[index++]) == null);          }      }

在一开始，就让expectedModCount等于modCount，而当我们调用hashMap.remove(key);时，实际上修改了modCount的值：

    final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,                                 boolean matchValue, boolean movable) {          Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index;          if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&              (p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {              Node<K,V> node = null, e; K k; V v;              if (p.hash == hash &&                  ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))                  node = p;              else if ((e = p.next) != null) {                  if (p instanceof TreeNode)                      node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);                  else {                      do {                          if (e.hash == hash &&                              ((k = e.key) == key ||                               (key != null && key.equals(k)))) {                              node = e;                              break;                          }                          p = e;                      } while ((e = e.next) != null);                  }              }              if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||                                   (value != null && value.equals(v)))) {                  if (node instanceof TreeNode)                      ((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);                  else if (node == p)                      tab[index] = node.next;                  else                      p.next = node.next;                  ++modCount;                  --size;                  afterNodeRemoval(node);                  return node;              }          }          return null;      }

modCount增大1，那么，当我们下一次调用var5.next()时，自然就发现modCount和expectedModCount不等了。

修改结构的正确姿势

使用增强for循环，本质还是在使用iterator，那为什么大家都在推介使用iterator.remove()呢？让我们看看源代码：

    public final void remove() {          Node<K,V> p = current;          if (p == null)              throw new IllegalStateException();          if (modCount != expectedModCount)              throw new ConcurrentModificationException();          current = null;          K key = p.key;          removeNode(hash(key), key, null, false, false);          expectedModCount = modCount;      }

我们发现，这个remove方法虽然也调用了removeNode，但它在最后一步再次将modCount的值赋给expectedModCount，因此保证了下一次调用next()方法是不抛错。

所以，我们要么就直接显示地使用iterator，用它的remove方法移除对象。如果你实在想用增强for循环遍历删除，那么也只能在删除一个后，立刻退出循环。但无论用哪种方法，当多个线程同时修改时，都会有出错的可能性，因为你即时保证单个线程内的modCount和expectedModCount，但这个操作并不能保证原子性。

总结

如果在多线程环境下，我更推介使用ConcurrentHashMap，因为它没有modCount和expectedModCount的概念，因此，即时你是使用增强for循环遍历删除，也不会出现问题。

有兴趣的话可以关注我的公众号或者头条号，说不定会有意外的惊喜。