使用Java迭代器修改数据时要小心

随着本学期的结束，我想我会分享一个关于我对Java迭代器非常非常熟悉的小故事。

现实世界语境

就上下文而言，我教第二年的软件组件课程，这是尝试进入该专业的学生的最后障碍。当然，这门课程对学生来说压力很大，我经常必须加倍努力，为他们提供一切成功的机会。

不幸的是，本学期我们被大流行所笼罩，不得不转换为在线教学。结果，我们不得不对教学做出一些快速决策，从而改变了学生的学习方式。特别是，我们将所有的纸笔考试都转换为在线测验。

对于某些学生来说，这是一个很大的祝福。毕竟，这些测验并没有比考试更困难，因此我们将其设为公开考试。换句话说，我们使课程变得更容易让他们通过。

当然，学生遍布世界各地，他们无法获得所需的帮助。此外，学生没有像考试那样认真地学习。这种组合创造了一些非常糟糕的测验分数。

到我们进行第四个测验时，学生们已经非常沮丧。实际上，我从几位教师那里听说他们的学生已经厌倦了“技巧性问题”。作为一名讲师，听到这有些令人沮丧，因为它们是非常典型的考试问题。我们并没有为他们增加困难，但这是我第一次听到这些抱怨。

示例问题

然后，发生了一些奇怪的事情。我们给了他们一个我真的不知道答案的问题，结果有点类似以下内容：

以下代码片段后面的Set <NaturalNumber> nums变量的值是什么？

 Set<NaturalNumber> nums = new SomeSetImplementation<>();  nums.add( new NaturalNumber2( 1 ));  nums.add( new NaturalNumber2( 5 ));  nums.add( new NaturalNumber2( 6 ));  for (NaturalNumber n : nums) { n.increment();  }

当然，学生的选择如下：

nums = {1，5，6，2，6，7}
nums = {2，6，7}
nums = {1，5，6}
从提供的信息中无法分辨。

现在，就上下文而言，此示例中有一些内部组件。

首先，NaturalNumber是一个可变的类，表示无界的非负整数。换句话说，NaturalNumber的范围可以从零到无穷大。此外，可以使用一系列基本数学运算来修改NaturalNumber，如下所示：

increment()加1 this
add(NaturalNumber n) ：将n添加this

此外，这个问题让使用的Set是类似于一个数学集合。这里的想法是Set具有两个主要属性：

Set缺少重复项（即{1，2，1}不是合法集合）。
Set是无序的（即{1，2，3}和{3，2，1}是等效的）。

作为参考，如果您有兴趣详细信息，请在课程网站上完整地记录这两个组件。所有组件均使用“按合同设计”编写，因此每种方法都将包括一个适当的合同，其中前置条件用@requires表示，后置条件用@ensures表示。

此外，我们使用@ restores，@ updates，@ clears和@replaces等参数模式标记每个参数。当然，这超出了本文的范围。

解决问题

现在，我重申一下，我一开始不确定确切的答案。显然，第一个答案（即{1、5、6、2、6、7}）是错误的，因为增加基础值不会为Set添加新值-或我认为。使用相同的逻辑，我还假设第三组（即{1，5，6}）显然是不正确的，因为我们显然是在改变基础值。

在这一点上，我相当有信心第二个答案（即{2，6，7}）是正确的，我的学生中有87％也是正确的。当然，我有答案键，因此我不得不挑战自己以理解为什么正确答案实际上是最终答案（即“无法从提供的信息中分辨出来。”）。

现在，根据本文的标题，您可能已经遥遥领先于我。没关系！但是，我没有立即得出这个结论。相反，我退后一步，决定实际绘制Set 。

当然，当您尝试这样做时会遇到几个主要问题。首先，正如我之前提到的， Set没有顺序。结果，我们如何推断迭代期间哪个元素优先？我们会尝试所有可能的配置吗？

这些是我还没有准备好应对的问题。幸运的是，事实证明，按外观顺序进行迭代可以节省很多时间。看一看：

 { 1 , 5 , 6 } // Initial state  { 2 , 5 , 6 } // After incrementing the first element  { 2 , 6 , 6 } // After incrementing the second element

哦哦！我们打破了第一条规则： Set不能包含重复项。因此，我们无法确定结果Set将是什么样。我的最终答案是D：“无法从提供的信息中分辨出来。”

不幸的是，这种解释并不令我满意。就像，我知道Set不能包含重复项，但是打破该规则的实际后果是什么？换句话说，如果情况如此糟糕，我们为什么还要授予用户访问基础数据的权限？

我认为，用户仅应在删除数据后才能访问数据。总的来说，我认为图书馆在这方面做得很好。如果Set没有实现Iterable ，那么我们将Iterable 。

Java迭代器简介

这给我带来了一个甚至更奇怪的问题：Java迭代器。为了使此代码起作用， Set必须实现Iterable，这意味着为基础体系结构定义一个Iterator。

现在，如果您曾经编写自己的迭代器，那么您就需要执行以下操作：

 new Iterator<T>() { @Override public boolean hasNext() { ... } @Override public T next() { ... } @Override public void remove() { ... }  }

这里，基本思想是我们定义某种可以充当惰性数据结构的结构。如果您熟悉其他语言（例如Python）的生成器表达式，则有相同的想法：我们创建了一个对象，该对象可以从一系列项目中一次返回一个项目。

在实践中， Iterator工作方式是继续通过next()方法提供项，直到没有返回值为止（这可能永远不会发生）。在有界序列中，我们知道何时停止，因为hasNext()方法将返回false 。这些方法一起可以作为循环机制的核心：

 while (iter.hasNext()) { T item = next();  }

通过使一个类实现Iterable ，我们可以利用一些Java语法糖，称为for-each循环：

 for (T item: collection) { ... }

Java迭代器警告

在上面定义的问题中，我们能够遍历Set因为它实现了Iterable 。

当然，仅因为我们能够遍历数据结构并不意味着我们不会遇到任何问题。毕竟， Iterator类具有一些自己的规则。也许最重要的规则可以在remove()方法的描述中找到：

从基础集合中移除此迭代器返回的最后一个元素（可选操作）。每次调用next()只能调用一次此方法。 如果在迭代进行过程中以其他方式（而不是通过调用此方法）修改了基础集合，则未指定迭代器的行为。

Java 8文档（捕获于04/23/2020）

记住我曾说过修改NaturalNumber是不好的，因为它可能导致重复。好吧，基于此定义，修改Set可能会导致无法预测的行为。

当然，这对我提出了一个问题：修改基础集合意味着什么。对于Java集合，for-each循环不允许从集合中添加或删除项目。在这些情况下，我们可以期望看到ConcurrentModificationException （ docs ）。

现在，该错误并不普遍。毕竟， Iterator如何知道集合是否已被修改？事实证明，该行为是自定义地烘焙到每个集合的next()方法中的。例如，使用List集合，当列表的大小更改时，抛出 ConcurrentModificationException 。换句话说，每次调用next()都会检查数据结构的完整性。

由于集合利用泛型类型，因此不可能考虑可能出现的所有不同类型的情况。结果， next()无法检测是否有任何数据在没有跟踪状态的情况下发生了变异。例如，检查列表中是否有任何值更改可能需要存储先前状态的副本并定期检查该先前状态。那不便宜！

更糟糕的是，我们还没有真正讨论修改基础数据对实际迭代过程可能产生的影响。例如，如果next()以某种方式依赖于基础数据，则对其进行更改显然会更改接下来要执行的操作。

想象一下，我们有一个用于列表的Iterator ，其项必须实现Comparable 。然后，我们以始终返回已排序顺序的下一个值的方式制作此Iterator 。如果然后要修改基础值，则可以创建一个永远不会遍历整个列表的循环：

 [ 1 , 2 , 3 ] // next() returns 1 which we scale by 5  [ 5 , 2 , 3 ] // hasNext() claims there are no other values

现在，这并不理想。通常，您希望for-each循环实际上遍历整个数据结构，而这根本没有做到这一点。

再谈集合问题

在这一点上，我们有机会从两个不同的角度来讨论Set问题：

如果我们通过生成重复项来使Set无效，会发生什么情况？
如果我们通过修改基础数据结构使for-each循环无效，会发生什么？

现在，我想借此机会谈谈执行问题代码片段时实际可能发生的情况：

 Set<NaturalNumber> nums = new SomeSetImplementation<>();  nums.add( new NaturalNumber2( 1 ));  nums.add( new NaturalNumber2( 5 ));  nums.add( new NaturalNumber2( 6 ));  for (NaturalNumber n : nums) { n.increment();  }

假设Set的Iterator没有花哨的修改检测，则大多数人期望的结果可能是相同的Set ：{2，6，7}。

另一个可能的结果是我们得到一个Set ，其中仅某些值递增。就像我之前说过的那样， next()方法可能取决于基础数据来决定接下来要做什么。

在这种情况下，我们可能会得到增量输出的任何组合：