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1、foreach遍歷ArrayList過程中使用 add 和 remove

我們先來看看使用foreach遍歷ArrayList過程中使用 add 和 remove 會出現什么樣子的結果，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);
  }
}

運行結果：

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)

結果是出現了ConcurrentModificationException 異常，追蹤下拋出異常的位置（ArrayList.java:911）

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

這個地方告訴我們如果 modCount 不等于 expectedModCount 的時候，就會拋出這個異常信息，那么這兩個參數都代表了什么東西呢？為什么不相等的時候，就會出現異常呢？

2、追根溯源

2.1、modCount是什么？

這時候就要讓我們去看源碼了，在我們點到這個變量的時候，就會有注釋告訴我們了 modCount 是 AbstractList 類中的一個成員變量，該值表示對List的修改次數。

這時候我們來看看 remove 方法中是否對這個變量進行了增減。

面試題:java中為什么foreach中不允許對元素進行add和remove

大家可以看到，在 remove 的方法中，實際上只是對 modCount 進行了++，那 expectedModCount 又是個什么東西呢？

2.2、expectedModCount 是什么？

expectedModCount 是 ArrayList 中的一個內部類――Itr中的成員變量，我們來看下怎么又扯出個內部類Itr。

通過反編譯可以發現foreach編譯后內部是使用迭代器實現的。

面試題:java中為什么foreach中不允許對元素進行add和remove

迭代器是通過list.iterator()實例化的，list.iterator()就返回了一個內部類Itr的對象，從源碼中可以看到Itr實現了Iterator接口，同時聲明了expectedModCount這個成員變量， expectedModCount 表示對ArrayList修改次數的期望值，它的初始值為 modCount。

面試題:java中為什么foreach中不允許對元素進行add和remove

2.3、熟悉的checkForComodification方法

從源碼可以看到這個類的next和remove方法里面都調用了一個checkForComodification方法，看到checkForComodification是不是很熟悉，這不就是異常的拋出位置嗎。

面試題:java中為什么foreach中不允許對元素進行add和remove

checkForComodification方法是通過判斷modCount和expectedModCount是否相等來決定是否拋出并發修改異常。

面試題:java中為什么foreach中不允許對元素進行add和remove

2.4、流程回顧

通過查看編譯后的class文件，可以看出大致流程如下：當j為3時，調用了remove方法，remove方法中修改了modCount值，然后再輸出j值，再進入下一次循環，此時hasNext為true，進入循環體第一行代碼，調用next方法，next方法再調用checkForComodification方法，然后發現expectedModCount和modCount不一致，最終拋出ConcurrentModificationException 異常。

面試題:java中為什么foreach中不允許對元素進行add和remove

也就是說，expectedModCount 初始化為 modCount 了，但是后面 expectedModCount 沒有修改，而在 remove 和 add 的過程中修改了modCount ，這就導致了執行的時候，通過 checkForComodification 方法來判斷兩個值是否相等，如果相等了，那么沒問題，如果不相等，那就給你拋出一個異常來。

而這也就是我們通俗說起來的 fail-fast 機制，也就是快速檢測失敗機制。

3、避免fail-fast 機制

3.1、使用listIterator或iterator

fail-fast 機制也是可以避免的，比如再拿出來我們上面的代碼

public static void main(String[] args) {
  List<Integer> list = new ArrayList<>();
  for (int i = 0; i < 5; i++) {
      list.add(i);
  }

  System.out.println("沒有刪除元素前"+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("刪除元素后"+list.toString());
}

這樣的話，你就發現是可以運行的，也是沒有問題的，我們看運行結果：

沒有刪除元素前[0, 1, 2, 3, 4]
刪除元素后[0, 1, 2, 9, 4]

結果也是顯而易見的，我們實現了在 foreach 中進行 add 和 remove 的操作.

這里有個注意點，迭代器使用listIterator和iterator均可，看源碼可以知道 listIterator其實使用的ListItr內部類，ListItr是繼承了Itr類的，同時自己封了一些方法，例如add，hasPrevious，previous等等。所以代碼中的remove方法是Itr類的，add方法是ListItr類的

面試題:java中為什么foreach中不允許對元素進行add和remove

listIterator和iterator區別：

使用范圍不同，Iterator可以應用于所有的集合，Set、List和Map和這些集合的子類型。而ListIterator只能用于List及其子類型。
ListIterator有add方法，可以向List中添加對象，而Iterator不能。
ListIterator和Iterator都有hasNext()和next()方法，可以實現順序向后遍歷，但是ListIterator有hasPrevious()和previous()方法，可以實現逆向（順序向前）遍歷。Iterator不可以。
ListIterator可以定位當前索引的位置，nextIndex()和previousIndex()可以實現。Iterator沒有此功能。
都可實現刪除操作，但是ListIterator可以實現對象的修改，set()方法可以實現。Iterator僅能遍歷，不能修改。

3.2、使用CopyOnWriteArrayList

CopyOnWriteArrayList 這個類也是能解決 fail-fast 的問題的，我們來試一下：

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

運行結果：

沒有刪除元素前[0, 1, 2, 3, 4]
刪除元素后[0, 1, 2, 4, 9]

CopyOnWriteArrayList實現了對這個元素中間進行移除添加的操作，那么他的內部源碼是怎么實現的，實際上很簡單，復制

也就是他創建一個新的數組，再將舊的數組復制到新的數組上，但是為什么很少有人推薦這種做法，根本原因還是復制

因為你使用了復制，那么就一定會出現有兩個存儲相同內容的空間，這樣消耗了空間，最后進行 GC 的時候，那是不是也需要一些時間去清理他，所以個人不是很推薦，但是寫出來的必要還是有的。

3.2.1、CopyOnWriteArrayList的add方法

public boolean add(E e) {
  // 可重入鎖
  final ReentrantLock lock = this.lock;
  // 獲取鎖
  lock.lock();
  try {
      // 元素數組
      Object[] elements = getArray();
      // 數組長度
      int len = elements.length;
      // 復制數組
      Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
      // 存放元素e
      newElements[len] = e;
      // 設置數組
      setArray(newElements);
      return true;
  } finally {
      // 釋放鎖
      lock.unlock();
  }
}

處理流程如下：

獲取鎖(保證多線程的安全訪問)，獲取當前的Object數組，獲取Object數組的長度為length，進入步驟②。
根據Object數組復制一個長度為length+1的Object數組為newElements(此時，newElements[length]為null)，進入下一步驟。
將下標為length的數組元素newElements[length]設置為元素e，再設置當前Object[]為newElements，釋放鎖，返回。這樣就完成了元素的添加。

3.2.2、CopyOnWriteArrayList的remove方法

public E remove(int index) {
  // 可重入鎖
  final ReentrantLock lock = this.lock;
  // 獲取鎖
  lock.lock();
  try {
      // 獲取數組
      Object[] elements = getArray();
      // 數組長度
      int len = elements.length;
      // 獲取舊值
      E oldValue = get(elements, index);
      // 需要移動的元素個數
      int numMoved = len - index - 1;
      if (numMoved == 0) // 移動個數為0
          // 復制后設置數組
          setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
      else { // 移動個數不為0
          // 新生數組
          Object[] newElements = new Object[len - 1];
          // 復制index索引之前的元素
          System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
          // 復制index索引之后的元素
          System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index,
                              numMoved);
          // 設置索引
          setArray(newElements);
      }
      // 返回舊值
      return oldValue;
  } finally {
      // 釋放鎖
      lock.unlock();
  }
}

處理流程如下：

獲取鎖，獲取數組elements，數組長度為length，獲取索引的值elements[index]，計算需要移動的元素個數(length - index - 1),若個數為0，則表示移除的是數組的最后一個元素，復制elements數組，復制長度為length-1，然后設置數組，進入步驟③；否則，進入步驟②
先復制index索引前的元素，再復制index索引后的元素，然后設置數組。
釋放鎖，返回舊值。