Java 集合框架 Iterator 迭代器模式源碼深度解析（以 ArrayList 為例）

迭代器模式：統一遍歷介面

Iterator 模式 將遍歷邏輯從聚合對象中分離，提供統一介面：

• 客戶端不依賴具體集合內部結構（數組/鏈表/樹/哈希）。
• 支援多種遍歷方式（正向/反向/過濾/投影）互不干擾。
• 集合可同時存在多個獨立迭代器。

Java 集合框架核心介面：

public interface Iterator<E> {
    boolean hasNext();
    E next();
    void remove(); // 可選操作，UnsupportedOperationException
    default void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) { ... } // Java 8
}

ArrayList.Itr 源碼深度剖析 (JDK 17)

private class Itr implements Iterator<E> {
    int cursor;       // 下一個待返回元素的索引
    int lastRet = -1; // 上一次返回元素的索引，-1 表示無
    int expectedModCount = modCount; // 快速失效檢查計數器

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

    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];
    }

    public void remove() {
        if (lastRet < 0) throw new IllegalStateException();
        checkForComodification();
        try {
            ArrayList.this.remove(lastRet);
            cursor = lastRet;
            lastRet = -1;
            expectedModCount = modCount; // 同步修改計數
        } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

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

關鍵機制詳解

1. 游標管理

• cursor：指向下一個將返回元素的索引，初始 0。
• lastRet：記錄上一次返回元素索引，供 remove() 使用，初始 -1。
• 調用 next() 時：檢查邊界 → 返回 elementData[cursor] → cursor++、lastRet=cursor。

2. 快速失效機制

• modCount：AbstractList 定義的 protected transient int modCount，每次結構性修改（add/remove/clear）自增。
• expectedModCount：迭代器創建時拍攝的快照值。
• 每次 next()/remove() 前調用 checkForComodification() 比對，不一致拋出 ConcurrentModificationException。
• 目的：檢測並發修改導致的遍歷不一致，而非保證線程安全（非同步機制）。

3. remove() 語義

• 僅能移除上一次 next() 返回的元素（lastRet 校驗）。
• 調用集合自身 remove(lastRet) → 元素後移 → size-- → modCount++。
• 迭代器同步狀態：cursor = lastRet（指向被刪除位置，下次 next 返回原後續元素）、lastRet = -1、expectedModCount = modCount。
• 禁止：迭代期間直接調用 list.remove() 或 list.add()，會導致 modCount 變化觸發 CME。

其他集合的迭代器實現對比

正確使用模式

// 1. 標準 for-each（編譯器自動轉為迭代器）
for (String s : list) { ... }

// 2. 顯式迭代器（需 remove 或 訪問索引）
for (Iterator<String> it = list.iterator(); it.hasNext(); ) {
    String s = it.next();
    if (shouldRemove(s)) it.remove(); // 唯一安全刪除方式
}

// 3. Java 8+ forEachRemaining
list.forEachRemaining(s -> { ... }); // 內部使用迭代器，不可 remove

// 4. 並發環境：CopyOnWriteArrayList 或 並發包
List safeList = new CopyOnWriteArrayList<>();
for (String s : safeList) { ... } // 遍歷快照，不拋 CME

常見錯誤與避坑

1. foreach 中直接 remove：for (String s : list) if (cond) list.remove(s); → CME。
   修正：使用顯式迭代器 it.remove() 或 list.removeIf(Predicate) (Java 8)。
2. 多線程共享迭代器：Iterator 非線程安全。
   修正：加鎖遍歷、複製快照遍歷、使用並發集合。
3. 迭代中修改元素屬性 vs 結構：修改元素內部字段（如 user.setName()）安全；增刪元素觸發 CME。

總結

Iterator 模式以「游標 + 快照計數器」實現了對動態集合的安全遍歷契約。ArrayList.Itr 作為經典實現，展示了基於數組的索引游標與快速失效檢查的精妙結合。理解其源碼有助於正確使用集合、排查 CME 異常、設計自定義集合類。