在阿里巴巴Java開發(fā)手冊中，有這樣一條規(guī)定：

但是手冊中并沒有給出具體原因，本文就來深入分析一下該規(guī)定背后的思考。

1.foreach循環(huán)

foreach循環(huán)(Foreach loop)是計算機(jī)編程語言中的一種控制流程語句，通常用來循環(huán)遍歷數(shù)組或集合中的元素。

Java語言從JDK 1.5.0開始引入foreach循環(huán)。在遍歷數(shù)組、集合方面，foreach為開發(fā)人員提供了極大的方便。通常也被稱之為增強(qiáng)for循環(huán)。

foreach 語法格式如下：

for(元素類型t 元素變量x : 遍歷對象obj){  
     引用了x的java語句;  
}  

以下實例演示了 普通for循環(huán) 和 foreach循環(huán)使用：

public static void main(String[] args) { 
    // 使用ImmutableList初始化一個List 
    List<String> userNames = ImmutableList.of("Hollis", "hollis", "HollisChuang", "H"); 
 
    System.out.println("使用for循環(huán)遍歷List"); 
    for (int i = 0; i < userNames.size(); i++) { 
        System.out.println(userNames.get(i)); 
    } 
 
    System.out.println("使用foreach遍歷List"); 
    for (String userName : userNames) { 
        System.out.println(userName); 
    } 
} 

以上代碼運(yùn)行輸出結(jié)果為：

使用for循環(huán)遍歷List 
Hollis 
hollis 
HollisChuang 
H 
使用foreach遍歷List 
Hollis 
hollis 
HollisChuang 
H 

可以看到，使用foreach語法遍歷集合或者數(shù)組的時候，可以起到和普通for循環(huán)同樣的效果，并且代碼更加簡潔。所以，foreach循環(huán)也通常也被稱為增強(qiáng)for循環(huán)。

但是，作為一個合格的程序員，我們不僅要知道什么是增強(qiáng)for循環(huán)，還需要知道增強(qiáng)for循環(huán)的原理是什么?

其實，增強(qiáng)for循環(huán)也是Java給我們提供的一個語法糖，如果將以上代碼編譯后的class文件進(jìn)行反編譯(使用jad工具)的話，可以得到以下代碼：

Iterator iterator = userNames.iterator(); 
do 
{ 
    if(!iterator.hasNext()) 
        break; 
    String userName = (String)iterator.next(); 
    if(userName.equals("Hollis")) 
        userNames.remove(userName); 
} while(true); 
System.out.println(userNames); 

可以發(fā)現(xiàn)，原本的增強(qiáng)for循環(huán)，其實是依賴了while循環(huán)和Iterator實現(xiàn)的。(請記住這種實現(xiàn)方式，后面會用到!)

2.問題重現(xiàn)

規(guī)范中指出不讓我們在foreach循環(huán)中對集合元素做add/remove操作，那么，我們嘗試著做一下看看會發(fā)生什么問題。

// 使用雙括弧語法（double-brace syntax）建立并初始化一個List 
List<String> userNames = new ArrayList<String>() {{ 
    add("Hollis"); 
    add("hollis"); 
    add("HollisChuang"); 
    add("H"); 
}}; 
 
for (int i = 0; i < userNames.size(); i++) { 
    if (userNames.get(i).equals("Hollis")) { 
        userNames.remove(i); 
    } 
} 
 
System.out.println(userNames); 

以上代碼，首先使用雙括弧語法(double-brace syntax)建立并初始化一個List，其中包含四個字符串，分別是Hollis、hollis、HollisChuang和H。

然后使用普通for循環(huán)對List進(jìn)行遍歷，刪除List中元素內(nèi)容等于Hollis的元素。然后輸出List，輸出結(jié)果如下：

[hollis, HollisChuang, H] 

以上是使用普通的for循環(huán)在遍歷的同時進(jìn)行刪除，那么，我們再看下，如果使用增強(qiáng)for循環(huán)的話會發(fā)生什么：

List<String> userNames = new ArrayList<String>() {{ 
    add("Hollis"); 
    add("hollis"); 
    add("HollisChuang"); 
    add("H"); 
}}; 
 
for (String userName : userNames) { 
    if (userName.equals("Hollis")) { 
        userNames.remove(userName); 
    } 
} 
 
System.out.println(userNames); 

以上代碼，使用增強(qiáng)for循環(huán)遍歷元素，并嘗試刪除其中的Hollis字符串元素。運(yùn)行以上代碼，會拋出以下異常：

java.util.ConcurrentModificationException 

同樣的，讀者可以嘗試下在增強(qiáng)for循環(huán)中使用add方法添加元素，結(jié)果也會同樣拋出該異常。

之所以會出現(xiàn)這個異常，是因為觸發(fā)了一個Java集合的錯誤檢測機(jī)制——fail-fast 。

3.fail-fast

接下來，我們就來分析下在增強(qiáng)for循環(huán)中add/remove元素的時候會拋出java.util.ConcurrentModificationException的原因，即解釋下到底什么是fail-fast進(jìn)制，fail-fast的原理等。

fail-fast，即快速失敗，它是Java集合的一種錯誤檢測機(jī)制。當(dāng)多個線程對集合(非fail-safe的集合類)進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改變的操作時，有可能會產(chǎn)生fail-fast機(jī)制，這個時候就會拋出ConcurrentModificationException(當(dāng)方法檢測到對象的并發(fā)修改，但不允許這種修改時就拋出該異常)。

同時需要注意的是，即使不是多線程環(huán)境，如果單線程違反了規(guī)則，同樣也有可能會拋出改異常。

那么，在增強(qiáng)for循環(huán)進(jìn)行元素刪除，是如何違反了規(guī)則的呢?

要分析這個問題，我們先將增強(qiáng)for循環(huán)這個語法糖進(jìn)行解糖(使用jad對編譯后的class文件進(jìn)行反編譯)，得到以下代碼：

public static void main(String[] args) { 
    // 使用ImmutableList初始化一個List 
    List<String> userNames = new ArrayList<String>() {{ 
        add("Hollis"); 
        add("hollis"); 
        add("HollisChuang"); 
        add("H"); 
    }}; 
 
    Iterator iterator = userNames.iterator(); 
    do 
    { 
        if(!iterator.hasNext()) 
            break; 
        String userName = (String)iterator.next(); 
        if(userName.equals("Hollis")) 
            userNames.remove(userName); 
    } while(true); 
    System.out.println(userNames); 
} 

然后運(yùn)行以上代碼，同樣會拋出異常。我們來看一下ConcurrentModificationException的完整堆棧：

通過異常堆棧我們可以到，異常發(fā)生的調(diào)用鏈ForEachDemo的第23行，Iterator.next 調(diào)用了 Iterator.checkForComodification方法 ，而異常就是checkForComodification方法中拋出的。

其實，經(jīng)過debug后，我們可以發(fā)現(xiàn)，如果remove代碼沒有被執(zhí)行過，iterator.next這一行是一直沒報錯的。拋異常的時機(jī)也正是remove執(zhí)行之后的的那一次next方法的調(diào)用。

我們直接看下checkForComodification方法的代碼，看下拋出異常的原因：

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

代碼比較簡單，modCount != expectedModCount的時候，就會拋出ConcurrentModificationException。

那么，就來看一下，remove/add 操作室如何導(dǎo)致modCount和expectedModCount不相等的吧。

4.remove/add 做了什么

首先，我們要搞清楚的是，到底modCount和expectedModCount這兩個變量都是個什么東西。

通過翻源碼，我們可以發(fā)現(xiàn)：

• modCount是ArrayList中的一個成員變量。它表示該集合實際被修改的次數(shù)。
• expectedModCount 是 ArrayList中的一個內(nèi)部類——Itr中的成員變量。expectedModCount表示這個迭代器期望該集合被修改的次數(shù)。其值是在ArrayList.iterator方法被調(diào)用的時候初始化的。只有通過迭代器對集合進(jìn)行操作，該值才會改變。
• Itr是一個Iterator的實現(xiàn)，使用ArrayList.iterator方法可以獲取到的迭代器就是Itr類的實例。

他們之間的關(guān)系如下：

class ArrayList{ 
    private int modCount; 
    public void add(); 
    public void remove(); 
    private class Itr implements Iterator<E> { 
        int expectedModCount = modCount; 
    } 
    public Iterator<E> iterator() { 
        return new Itr(); 
    } 
} 

其實，看到這里，大概很多人都能猜到為什么remove/add 操作之后，會導(dǎo)致expectedModCount和modCount不想等了。

通過翻閱代碼，我們也可以發(fā)現(xiàn)，remove方法核心邏輯如下：

可以看到，它只修改了modCount，并沒有對expectedModCount做任何操作。

簡單總結(jié)一下，之所以會拋出ConcurrentModificationException異常，是因為我們的代碼中使用了增強(qiáng)for循環(huán)，而在增強(qiáng)for循環(huán)中，集合遍歷是通過iterator進(jìn)行的，但是元素的add/remove卻是直接使用的集合類自己的方法。這就導(dǎo)致iterator在遍歷的時候，會發(fā)現(xiàn)有一個元素在自己不知不覺的情況下就被刪除/添加了，就會拋出一個異常，用來提示用戶，可能發(fā)生了并發(fā)修改。

5.正確姿勢

至此，我們介紹清楚了不能在foreach循環(huán)體中直接對集合進(jìn)行add/remove操作的原因。

但是，很多時候，我們是有需求需要過濾集合的，比如刪除其中一部分元素，那么應(yīng)該如何做呢?有幾種方法可供參考：

1、直接使用普通for循環(huán)進(jìn)行操作

我們說不能在foreach中進(jìn)行，但是使用普通的for循環(huán)還是可以的，因為普通for循環(huán)并沒有用到Iterator的遍歷，所以壓根就沒有進(jìn)行fail-fast的檢驗。

List<String> userNames = new ArrayList<String>() {{ 
        add("Hollis"); 
        add("hollis"); 
        add("HollisChuang"); 
        add("H"); 
    }}; 
 
    for (int i = 0; i < 1; i++) { 
        if (userNames.get(i).equals("Hollis")) { 
            userNames.remove(i); 
        } 
    } 
    System.out.println(userNames); 

2、直接使用Iterator進(jìn)行操作

除了直接使用普通for循環(huán)以外，我們還可以直接使用Iterator提供的remove方法。

List<String> userNames = new ArrayList<String>() {{ 
        add("Hollis"); 
        add("hollis"); 
        add("HollisChuang"); 
        add("H"); 
    }}; 
 
    Iterator iterator = userNames.iterator(); 
 
    while (iterator.hasNext()) { 
        if (iterator.next().equals("Hollis")) { 
            iterator.remove(); 
        } 
    } 
    System.out.println(userNames); 

如果直接使用Iterator提供的remove方法，那么就可以修改到expectedModCount的值。那么就不會再拋出異常了。其實現(xiàn)代碼如下：

3、使用Java 8中提供的filter過濾

Java 8中可以把集合轉(zhuǎn)換成流，對于流有一種filter操作， 可以對原始 Stream 進(jìn)行某項測試，通過測試的元素被留下來生成一個新 Stream。

List<String> userNames = new ArrayList<String>() {{ 
        add("Hollis"); 
        add("hollis"); 
        add("HollisChuang"); 
        add("H"); 
    }}; 
 
    userNames = userNames.stream().filter(userName -> !userName.equals("Hollis")).collect(Collectors.toList()); 
    System.out.println(userNames); 

4、直接使用fail-safe的集合類

在Java中，除了一些普通的集合類以外，還有一些采用了fail-safe機(jī)制的集合類。這樣的集合容器在遍歷時不是直接在集合內(nèi)容上訪問的，而是先復(fù)制原有集合內(nèi)容，在拷貝的集合上進(jìn)行遍歷。

由于迭代時是對原集合的拷貝進(jìn)行遍歷，所以在遍歷過程中對原集合所作的修改并不能被迭代器檢測到，所以不會觸發(fā)ConcurrentModificationException。

ConcurrentLinkedDeque<String> userNames = new ConcurrentLinkedDeque<String>() {{ 
    add("Hollis"); 
    add("hollis"); 
    add("HollisChuang"); 
    add("H"); 
}}; 
 
for (String userName : userNames) { 
    if (userName.equals("Hollis")) { 
        userNames.remove(); 
    } 
} 

基于拷貝內(nèi)容的優(yōu)點(diǎn)是避免了ConcurrentModificationException，但同樣地，迭代器并不能訪問到修改后的內(nèi)容，即：迭代器遍歷的是開始遍歷那一刻拿到的集合拷貝，在遍歷期間原集合發(fā)生的修改迭代器是不知道的。

java.util.concurrent包下的容器都是安全失敗，可以在多線程下并發(fā)使用，并發(fā)修改。

5、使用增強(qiáng)for循環(huán)其實也可以

如果，我們非常確定在一個集合中，某個即將刪除的元素只包含一個的話， 比如對Set進(jìn)行操作，那么其實也是可以使用增強(qiáng)for循環(huán)的，只要在刪除之后，立刻結(jié)束循環(huán)體，不要再繼續(xù)進(jìn)行遍歷就可以了，也就是說不讓代碼執(zhí)行到下一次的next方法。

List<String> userNames = new ArrayList<String>() {{ 
        add("Hollis"); 
        add("hollis"); 
        add("HollisChuang"); 
        add("H"); 
    }}; 
 
    for (String userName : userNames) { 
        if (userName.equals("Hollis")) { 
            userNames.remove(userName); 
            break; 
        } 
    } 
    System.out.println(userNames); 

以上這五種方式都可以避免觸發(fā)fail-fast機(jī)制，避免拋出異常。如果是并發(fā)場景，建議使用concurrent包中的容器，如果是單線程場景，Java8之前的代碼中，建議使用Iterator進(jìn)行元素刪除，Java8及更新的版本中，可以考慮使用Stream及filter。

6.總結(jié)

我們使用的增強(qiáng)for循環(huán)，其實是Java提供的語法糖，其實現(xiàn)原理是借助Iterator進(jìn)行元素的遍歷。

但是如果在遍歷過程中，不通過Iterator，而是通過集合類自身的方法對集合進(jìn)行添加/刪除操作。那么在Iterator進(jìn)行下一次的遍歷時，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)有一次集合的修改操作并未通過自身進(jìn)行，那么可能是發(fā)生了并發(fā)被其他線程執(zhí)行的，這時候就會拋出異常，來提示用戶可能發(fā)生了并發(fā)修改，這就是所謂的fail-fast機(jī)制。

當(dāng)然還是有很多種方法可以解決這類問題的。比如使用普通for循環(huán)、使用Iterator進(jìn)行元素刪除、使用Stream的filter、使用fail-safe的類等。

好啦，以上就是本文的全部內(nèi)容。主要介紹了阿里巴巴Java開發(fā)手冊禁止在foreach循環(huán)體中進(jìn)行元素的add/remove等原因及背后原理。

【本文是51CTO專欄作者Hollis的原創(chuàng)文章，作者微信公眾號Hollis(ID：hollischuang)】

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