面试题:java中为什么foreach中不允许对元素进行add和remove

Z时代
2024-01-10
分类：IT

1、foreach遍历ArrayList过程中使用 add 和 remove

我们先来看看使用foreach遍历ArrayList过程中使用 add 和 remove 会出现什么样子的结果，然后再分析一下。


public static void main(String[] args) {
    List<Integer> list = new ArrayList<>();
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        list.add(i);
    }
    for (Integer j : list) {
        if (j.equals(3)) {
            list.remove(3);
        }
        System.out.println(j);
    }
}

运行结果：

0
1
2
3
Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:911)
at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:861)
at test.Test.main(Test.java:12)

结果是出现了ConcurrentModificationException 异常，追踪下抛出异常的位置（ArrayList.java:911）


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

这个地方告诉我们如果 modCount 不等于 expectedModCount 的时候，就会抛出这个异常信息，那么这两个参数都代表了什么东西呢？为什么不相等的时候，就会出现异常呢？

2、追根溯源

2.1、modCount是什么？

这时候就要让我们去看源码了，在我们点到这个变量的时候，就会有注释告诉我们了 modCount 是 AbstractList 类中的一个成员变量，该值表示对List的修改次数。

这时候我们来看看 remove 方法中是否对这个变量进行了增减。

大家可以看到，在 remove 的方法中，实际上只是对 modCount 进行了++，那 expectedModCount 又是个什么东西呢？

2.2、expectedModCount 是什么？

expectedModCount 是 ArrayList 中的一个内部类——Itr中的成员变量，我们来看下怎么又扯出个内部类Itr。

通过反编译可以发现foreach编译后内部是使用迭代器实现的。

迭代器是通过list.iterator()实例化的，list.iterator()就返回了一个内部类Itr的对象，从源码中可以看到Itr实现了Iterator接口，同时声明了expectedModCount这个成员变量， expectedModCount 表示对ArrayList修改次数的期望值，它的初始值为 modCount。

2.3、熟悉的checkForComodification方法

从源码可以看到这个类的next和remove方法里面都调用了一个checkForComodification方法，看到checkForComodification是不是很熟悉，这不就是异常的抛出位置吗。

checkForComodification方法是通过判断modCount和expectedModCount是否相等来决定是否抛出并发修改异常。

2.4、流程回顾

通过查看编译后的class文件，可以看出大致流程如下：当j为3时，调用了remove方法，remove方法中修改了modCount值，然后再输出j值，再进入下一次循环，此时hasNext为true，进入循环体第一行代码，调用next方法，next方法再调用checkForComodification方法，然后发现expectedModCount和modCount不一致，最终抛出ConcurrentModificationException 异常。

也就是说，expectedModCount 初始化为 modCount 了，但是后面 expectedModCount 没有修改，而在 remove 和 add 的过程中修改了modCount ，这就导致了执行的时候，通过 checkForComodification 方法来判断两个值是否相等，如果相等了，那么没问题，如果不相等，那就给你抛出一个异常来。

而这也就是我们通俗说起来的 fail-fast 机制，也就是快速检测失败机制。

3、避免fail-fast 机制

3.1、使用listIterator或iterator

fail-fast 机制也是可以避免的，比如再拿出来我们上面的代码


public static void main(String[] args) {
    List<Integer> list = new ArrayList<>();
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        list.add(i);
    }
    System.out.println("没有删除元素前"+list.toString());
    // 迭代器使用listIterator和iterator均可
    ListIterator<Integer> listIterator = list.listIterator();
    while(listIterator.hasNext()){
        Integer integer = listIterator.next();
        if(integer==3){
            listIterator.remove();
            listIterator.add(9);
        }
    }
    System.out.println("删除元素后"+list.toString());
}

这样的话，你就发现是可以运行的，也是没有问题的，我们看运行结果：

没有删除元素前[0, 1, 2, 3, 4]
删除元素后[0, 1, 2, 9, 4]

结果也是显而易见的，我们实现了在 foreach 中进行 add 和 remove 的操作.

这里有个注意点，迭代器使用listIterator和iterator均可，看源码可以知道 listIterator其实使用的ListItr内部类，ListItr是继承了Itr类的，同时自己封了一些方法，例如add，hasPrevious，previous等等。所以代码中的remove方法是Itr类的，add方法是ListItr类的

listIterator和iterator区别：

使用范围不同，Iterator可以应用于所有的集合，Set、List和Map和这些集合的子类型。而ListIterator只能用于List及其子类型。

ListIterator有add方法，可以向List中添加对象，而Iterator不能。

ListIterator和Iterator都有hasNext()和next()方法，可以实现顺序向后遍历，但是ListIterator有hasPrevious()和previous()方法，可以实现逆向（顺序向前）遍历。Iterator不可以。

ListIterator可以定位当前索引的位置，nextIndex()和previousIndex()可以实现。Iterator没有此功能。

都可实现删除操作，但是ListIterator可以实现对象的修改，set()方法可以实现。Iterator仅能遍历，不能修改。

3.2、使用CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList 这个类也是能解决 fail-fast 的问题的，我们来试一下：


public static void main(String[] args) {
    CopyOnWriteArrayList<Integer> list = new CopyOnWriteArrayList<>();
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        list.add(i);
    }
    System.out.println("没有删除元素前"+list.toString());
    for (Integer integer : list) {
        if(integer.equals(3)){
            list.remove(3);
            list.add(9);
        }
    }
    System.out.println("删除元素后"+list.toString());
}

运行结果：

没有删除元素前[0, 1, 2, 3, 4]
删除元素后[0, 1, 2, 4, 9]

CopyOnWriteArrayList实现了对这个元素中间进行移除添加的操作，那么他的内部源码是怎么实现的，实际上很简单，复制

也就是他创建一个新的数组，再将旧的数组复制到新的数组上，但是为什么很少有人推荐这种做法，根本原因还是复制

因为你使用了复制，那么就一定会出现有两个存储相同内容的空间，这样消耗了空间，最后进行 GC 的时候，那是不是也需要一些时间去清理他，所以个人不是很推荐，但是写出来的必要还是有的。

3.2.1、CopyOnWriteArrayList的add方法


public boolean add(E e) {
    // 可重入锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 获取锁
    lock.lock();
    try {
        // 元素数组
        Object[] elements = getArray();
        // 数组长度
        int len = elements.length;
        // 复制数组
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
        // 存放元素e
        newElements[len] = e;
        // 设置数组
        setArray(newElements);
        return true;
    } finally {
        // 释放锁
        lock.unlock();
    }
}

处理流程如下：

获取锁(保证多线程的安全访问)，获取当前的Object数组，获取Object数组的长度为length，进入步骤②。

根据Object数组复制一个长度为length+1的Object数组为newElements(此时，newElements[length]为null)，进入下一步骤。

将下标为length的数组元素newElements[length]设置为元素e，再设置当前Object[]为newElements，释放锁，返回。这样就完成了元素的添加。

3.2.2、CopyOnWriteArrayList的remove方法


public E remove(int index) {
    // 可重入锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 获取锁
    lock.lock();
    try {
        // 获取数组
        Object[] elements = getArray();
        // 数组长度
        int len = elements.length;
        // 获取旧值
        E oldValue = get(elements, index);
        // 需要移动的元素个数
        int numMoved = len - index - 1;
        if (numMoved == 0) // 移动个数为0
            // 复制后设置数组
            setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
        else { // 移动个数不为0
            // 新生数组
            Object[] newElements = new Object[len - 1];
            // 复制index索引之前的元素
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            // 复制index索引之后的元素
            System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                                numMoved);
            // 设置索引
            setArray(newElements);
        }
        // 返回旧值
        return oldValue;
    } finally {
        // 释放锁
        lock.unlock();
    }
}

处理流程如下：

获取锁，获取数组elements，数组长度为length，获取索引的值elements[index]，计算需要移动的元素个数(length - index - 1),若个数为0，则表示移除的是数组的最后一个元素，复制elements数组，复制长度为length-1，然后设置数组，进入步骤③；否则，进入步骤②