Java ArrayList在foreach中remove的问题分析

Posted 2021-01-05 苍枫露雨

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• iterator
• itr.hasNext 和 itr.next 实现
• 倒数第二个元素的特殊
• 如何避坑

都说ArrayList在用foreach循环的时候，不能add元素，也不能remove元素，可能会抛异常，那我们就来分析一下它具体的实现。我目前的环境是Java8。

有下面一段代码：

public class TestForEachList extends BaseTests {

    @Test
    public void testForeach() {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("1");
        list.add("2");
        list.add("3");

        for (String s : list) {
        }
    }

}

代码很简单，一个ArrayList添加3个元素，foreach循环一下，啥都不干。那么foreach到底是怎么实现的呢，暴力的方法看一下，编译改类，用 javap -c TestForEachList查看class文件的字节码，如下：

javap -c TestForEachList 
Warning: Binary file TestForEachList contains collection.list.TestForEachList
Compiled from "TestForEachList.java"
public class collection.list.TestForEachList extends com.ferret.BaseTests {
  public collection.list.TestForEachList();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method com/ferret/BaseTests."<init>":()V
       4: return

  public void testForeach();
    Code:
       0: new           #2                  // class java/util/ArrayList
       3: dup
       4: invokespecial #3                  // Method java/util/ArrayList."<init>":()V
       7: astore_1
       8: aload_1
       9: ldc           #4                  // String 1
      11: invokeinterface #5,  2            // InterfaceMethod java/util/List.add:(Ljava/lang/Object;)Z
      16: pop
      17: aload_1
      18: ldc           #6                  // String 2
      20: invokeinterface #5,  2            // InterfaceMethod java/util/List.add:(Ljava/lang/Object;)Z
      25: pop
      26: aload_1
      27: ldc           #7                  // String 3
      29: invokeinterface #5,  2            // InterfaceMethod java/util/List.add:(Ljava/lang/Object;)Z
      34: pop
      35: aload_1
      36: invokeinterface #8,  1            // InterfaceMethod java/util/List.iterator:()Ljava/util/Iterator;
      41: astore_2
      42: aload_2
      43: invokeinterface #9,  1            // InterfaceMethod java/util/Iterator.hasNext:()Z
      48: ifeq          64
      51: aload_2
      52: invokeinterface #10,  1           // InterfaceMethod java/util/Iterator.next:()Ljava/lang/Object;
      57: checkcast     #11                 // class java/lang/String
      60: astore_3
      61: goto          42
      64: return
}

可以勉强读，大约是调用了List.iterator，然后根据iterator的hasNext方法返回结果判断是否有下一个，根据next方法取到下一个元素。

但是是总归是体验不好，我们是现代人，所以用一些现代化的手段，直接用idea打开该class文件自动反编译，得到如下内容：

public class TestForEachList extends BaseTests {
    public TestForEachList() {
    }

    @Test
    public void testForeach() {
        List<String> list = new ArrayList();
        list.add("1");
        list.add("2");
        list.add("3");

        String var3;
        for(Iterator var2 = list.iterator(); var2.hasNext(); var3 = (String)var2.next()) {
            ;
        }

    }
}

体验好多了，再对比上面的字节码文件，没错

for(Iterator var2 = list.iterator(); var2.hasNext(); var3 = (String)var2.next()) {
            ;
        }

这就是脱掉语法糖外壳的foreach的真正实现。

接下来我们看看这三个方法具体都是怎么实现的：

iterator

ArrayList的iterator实现如下：

public Iterator<E> iterator() {
    return new Itr();
}

private class Itr implements Iterator<E> {
    int cursor;       // index of next element to return
    int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
    int expectedModCount = modCount;
    //省略部分实现
}

Itr是ArrayList中的内部类，所以list.iterator()的作用是返回了一个Itr对象赋值到var2，后面调用var2.hasNext()，var2.next()就是Itr的具体实现了。

这里还值的一提的是expectedModCount， 这个变量记录被赋值为modCount， modCount是ArrayList的父类AbstractList的一个字段，这个字段的含义是list结构发生变更的次数，通常是add或remove等导致元素数量变更的会触发modCount++。

下面接着看itr.hasNext()``var2.next()的实现。

itr.hasNext 和 itr.next 实现

hasNext很简单

public boolean hasNext() {
            return cursor != size;
        }

当前index不等于size则说明还没迭代完，这里的size是外部类ArrayList的字段，表示元素个数。

在看next实现：

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];
        }

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

next方法第一步 checkForComodification()，它做了什么？ 如果modCount != expectedModCount就抛出异常ConcurrentModificationException。modCount是什么？外部类ArrayList的元素数量变更次数；expectedModCount是什么？初始化内部类Itr的时候外部类的元素数量变更次数。

所以，如果在foreach中做了add或者remove操作会导致程序异常ConcurrentModificationException。这里可以走两个例子：

    @Test(expected = ConcurrentModificationException.class)
    public void testListForeachRemoveThrow() {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("1");
        list.add("2");
        list.add("3");

        for (String s : list) {
            list.remove(s);
        }
    }

    @Test(expected = ConcurrentModificationException.class)
    public void testListForeachAddThrow() {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("1");
        list.add("2");
        list.add("3");

        for (String s : list) {
            list.add(s);
        }
    }

单元测试跑过，都抛了ConcurrentModificationException。

checkForComodification()之后的代码比较简单这里就不分析了。

倒数第二个元素的特殊

到这里我们来捋一捋大致的流程：

1. 获取到Itr对象赋值给var2
2. 判断hasNext，也就是判断cursor != size，当前迭代元素下标不等于list的个数，则返回true继续迭代；反之退出循环
3. next取出迭代元素
   1. checkForComodification()，判断modCount != expectedModCount，元素数量变更次数不等于初始化内部类Itr的时元素变更次数，也就是在迭代期间做过修改就抛ConcurrentModificationException。
   2. 如果检查通过cursor++

下面考虑一种情况：remove了倒数第二个元素会发生什么？代码如下：

@Test
public void testListForeachRemoveBack2NotThrow() {
    List<String> list = new ArrayList<>();
    list.add("1");
    list.add("2");
    list.add("3");

    for (String s : list) {
        System.out.println(s);
        if ("2".equals(s)) {
            list.remove(s);
        }
    }
}

猜一下会抛出异常吗？答案是否定的。输出为：

1
2

发现少了3没有输出。 分析一下

在倒数第二个元素"2"remove后，list的size-1变为了2，而此时itr中的cur在next方法中取出元素"2"后，做了加1，值变为2了，导致下次判断hasNext时，cursor==size，hasNext返回false，最终最后一个元素没有被输出。

如何避坑

foreach中remove 或 add 有坑，

• 在foreach中做导致元素个数发生变化的操作(remove, add等)时，会抛出ConcurrentModificationException异常
• 在foreach中remove倒数第二个元素时，会导致最后一个元素不被遍历

那么我们如何避免呢？不能用foreach我们就用fori嘛，如下代码：

@Test
    public void testListForiMiss() {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("1");
        list.add("2");
        list.add("3");

        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println(list.get(i));
            list.remove(i);
        }
    }

很明显上面是一个错误的示范，输出如下：

1
3

原因很简单，原来的元素1被remove后，后面的向前拷贝，2到了原来1的位置（下标0），3到了原来2的位置（下标1），size由3变2，i+1=1，输出list.get(1)就成了3，2被漏掉了。

下面说下正确的示范：

方法一，还是fori，位置前挪了减回去就行了, remove后i--：

@Test
    public void testListForiRight() {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("1");
        list.add("2");
        list.add("3");

        for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
            System.out.println(list.get(i));
            list.remove(i);
            i--;  //位置前挪了减回去就行了
        }
    }

方法二，不用ArrayList的remove方法，用Itr自己定义的remove方法，代码如下：

@Test
    public void testIteratorRemove() {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("1");
        list.add("2");
        list.add("3");

        Iterator<String> itr = list.iterator();
        while (itr.hasNext()) {
            String s = itr.next();
            System.out.println(s);
            itr.remove();
        }
    }

为什么itr自己定义的remove就不报错了呢？看下源码：

public void remove() {
            if (lastRet < 0)
                throw new IllegalStateException();
            //依然有校验数量是否变更
            checkForComodification();

            try {
                ArrayList.this.remove(lastRet);
                cursor = lastRet;
                lastRet = -1;
                //但是变更之后重新赋值了，又相等了
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }

依然有 checkForComodification()校验，但是看到后面又重新赋值了，所以又相等了。

ok，以上就是全部内容。介绍了foreach中list remove的坑，以及如何避免。