摘 要：Java平臺提供了多種方式遍歷對象的集合，其中包括今年3月19日發(fā)布的Java 8中引入的新特性。本文回顧了迭代器，著重分析了主動式迭代器和被動式迭代器之間的差異，研究了Java 8的foreach（）方法和Stream API如何改進(jìn)和并行化Java迭代器的行為，然后對主動迭代、流和并行流這三種方法進(jìn)行了性能比較?？傊?，Java 8的迭代器可讀性更好，不易出錯(cuò)，也更容易并行化。

關(guān)鍵詞：Java8；集合；迭代器

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言（Introduction）

在編程世界里一般需要提供一種機(jī)制遍歷軟件對象的集合。大多數(shù)編程語言都有類似于數(shù)組的功能并且直接支持?jǐn)?shù)組元素的遍歷，但是現(xiàn)代的編程語言還支持更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如列表、集合、映射和樹，遍歷能力是通過公共方法提供，而內(nèi)部細(xì)節(jié)都隱藏在類的私有部分，所以程序員不需要了解其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)就能夠遍歷這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的元素，這就是迭代的目的。

迭代器是對集合中的所有元素進(jìn)行順序訪問并可以對每個(gè)元素執(zhí)行某些操作的機(jī)制。迭代器在本質(zhì)上提供了在封裝的對象集合上做“循環(huán)”的裝置。常見的使用迭代器的例子有：

訪問目錄中的每個(gè)文件并顯示文件名；訪問隊(duì)列中的每個(gè)客戶（如銀行排隊(duì)）并判斷他或她等待了多久。使用迭代器時(shí)，一般情況下可以循環(huán)嵌套，即可以在同一時(shí)間做多個(gè)遍歷；迭代器應(yīng)該是無損的，即迭代行為不應(yīng)該改變集合本身，如迭代時(shí)不要從集合中移除或插入元素；在某些情況下你還需要使用迭代器的不同的遍歷方法，例如，樹的前序遍歷和后序遍歷，或者深度優(yōu)先和廣度優(yōu)先遍歷。

根據(jù)Gang of Four，迭代器設(shè)計(jì)模式是一種行為模式，其核心思想是負(fù)責(zé)訪問和遍歷列表中的對象，并把這些對象放到一個(gè)迭代器對象中[1]。迭代器的實(shí)現(xiàn)方法根據(jù)誰來控制迭代分為兩種：主動迭代和被動迭代。主動迭代器是由客戶程序創(chuàng)建迭代器，調(diào)用next（）行進(jìn)到下一個(gè)元素，測試查看是否所有元素已被訪問等等，總之客戶程序是可以操作的。這種方法在象C++這樣的語言中最為常見，在GoF的書中也是最為關(guān)注的方法，主動迭代器在Java 8之前可以說是Java的唯一選擇。被動迭代器則是迭代器本身控制迭代，即迭代器自行next（）向下走，針對客戶程序來說迭代是透明的，是不能操作的。這種方法在象LISP這樣的語言中很常見。隨著Java 8的發(fā)布，這種迭代方法也成為Java程序員的一個(gè)選擇。

2 Java 8之前的迭代（Iteration before Java 8）

為了說明Java中的各種迭代方法，我們需要一個(gè)集合并對集合中的元素做些操作，本文選擇代表事物或人物名稱的字符串的集合，我們將簡單地打印集合中的每個(gè)名稱到標(biāo)準(zhǔn)輸出。這些基本的思想很容易擴(kuò)展到更為復(fù)雜的對象的集合（如員工），并在處理每一個(gè)對象的時(shí)候可以涉及更為復(fù)雜的操作。

在Java 1.0和1.1中兩個(gè)主要的集合類是Vector（向量）和Hashtable（哈希表），迭代器是通過一個(gè)叫做Enumeration（枚舉）的類實(shí)現(xiàn)的。今天無論是Vector還是Hashtable都是泛型類，但退回到那時(shí)泛型還不是Java語言的一部分。代碼清單1演示了使用枚舉來處理字符串向量的方法。

Vector names = new Vector（）；

names.add（"Apple"）；

names.add（"Orange"）；

Enumeration e = names.elements（）；

while （e.hasMoreElements（））

{

String name = （String） e.nextElement（）；

System.out.println（name）；

}

代碼清單1：使用枚舉處理字符串向量

List names = new LinkedList（）；

names.add（"Apple"）；

names.add（"Orange"）；

Iterator i = names.iterator（）；

while （i.hasNext（））

{

String name = （String） i.next（）；

System.out.println（name）；

}

代碼清單2：使用迭代器處理字符串列表

Java 1.2推出了集合類（Collections），并通過一個(gè)迭代器類（Iterator）實(shí)現(xiàn)了迭代器設(shè)計(jì)模式。因?yàn)楫?dāng)時(shí)在Java 1.2中還沒有泛型，所以對迭代器返回的對象進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換仍然是必要的。對于Java版本1.2至1.4，遍歷字符串列表如代碼清單2所示。

Java 5給出了泛型、Iterable接口和增強(qiáng)for循環(huán)。在增強(qiáng)for循環(huán)中，迭代器的創(chuàng)建和調(diào)用它的hasNext（）和next（）方法都發(fā)生在幕后，不需要明確地寫在代碼中，因此代碼顯得更為緊湊。使用Java 5，我們的例子類似代碼清單3所示，請注意，在Java 5我們使用的仍然是主動迭代器。

List names = new

LinkedList（）；

names.add（"Apple"）；

names.add（"Orange"）；

for （String name ： names）

System.out.println（name）；

代碼清單3：使用泛型和增強(qiáng)for循環(huán)

List names = new LinkedList<>（）；

names.add（"Apple"）；

names.add（"Orange"）；

names.forEach（name-> System.out.println（name））；

代碼清單4：Java8使用forEach（）方法進(jìn)行迭代

Java 7為了避免泛型的冗長給出了鉆石運(yùn)算符<>，從而避免了使用new運(yùn)算符實(shí)例化泛型類時(shí)重復(fù)指定數(shù)據(jù)類型。從Java 7開始，代碼清單3中的第一行可以簡化成以下形式：List names = new LinkedList<>（）；

3 Java 8中的迭代（Iteration in Java 8）

3.1 forEach（）方法

Java8為我們提供了新的迭代途徑，它使用lambda表達(dá)式開展集合的遍歷。Java8最主要的新特性就是lambda表達(dá)式以及與此相關(guān)的特性，如流（streams），方法引用（method references）和功能接口（functional interfaces）。正是因?yàn)檫@些新特性使我們能夠使用被動迭代器而不是傳統(tǒng)的主動迭代器，特別是Iterable接口提供了一個(gè)被動迭代器的缺省方法（default method）叫做forEach（）。缺省方法是Java 8的又一個(gè)新特性，是一個(gè)接口方法的缺省實(shí)現(xiàn)，在這種情況下，forEach（）方法實(shí)際上是用類似于代碼清單3的主動迭代器方式來實(shí)現(xiàn)的。

實(shí)現(xiàn)了Iterable接口的集合類（如：所有列表List、集合set）現(xiàn)在都有一個(gè)forEach（）方法，這個(gè)方法接收一個(gè)功能接口參數(shù)，實(shí)際上傳遞給forEach（）方法的參數(shù)是一個(gè)lambda表達(dá)式。使用Java 8的功能，我們的例子將演變成代碼清單4中所示的形式。

請注意清單4中的被動迭代與前面三個(gè)清單中的主動迭代之間的差異。在主動迭代中由循環(huán)結(jié)構(gòu)控制迭代，并且每次通過循環(huán)從列表中獲取一個(gè)對象，然后打印出來。而在清單4中沒有顯式的循環(huán)結(jié)構(gòu)，我們只是告訴forEach（）方法對列表中的對象實(shí)施打印，迭代控制隱含在forEach（）方法中。

3.2 流

如果要做一些比打印名字稍微復(fù)雜一點(diǎn)的事情，比如，計(jì)算以字母A開頭的人名的個(gè)數(shù)，就需要用lambda表達(dá)式，或者使用Java 8的流API（Stream API）來實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的邏輯了。

流是應(yīng)用在一組元素上的一次執(zhí)行的操作序列。集合和數(shù)組都可以用來產(chǎn)生流，因此它們稱作數(shù)據(jù)源，但流不存儲集合中的元素，相反，流是通過管道（pipeline）操作來自數(shù)據(jù)源的值序列的一種機(jī)制。流管道（Stream Pipeline）由數(shù)據(jù)源（Stream Source）、若干中間操作（Intermediate Operations）和一個(gè)最終操作（Terminal Operation）組成，中間操作對數(shù)據(jù)集完成過濾、檢索等中間業(yè)務(wù)，而最終操作完成對數(shù)據(jù)集處理的最終結(jié)果，或者調(diào)用forEach（）方法。

List names = new LinkedList<>（）；

names.add（"Annie"）；

names.add（"Alice"）；

names.add（"Bob"）；

long count = names.stream（）

.filter（name -> name.startsWith（"A"）

.count（）；

代碼清單5：Java8使用流管道計(jì)算以字母A開頭的人名的

個(gè)數(shù)

List names = new LinkedList<>（）；

names.add（"Annie"）；

names.add（"Alice"）；

names.add（"Bob"）；

long count = 0；

for （String name ： names）{

if （name.startsWith（"A"））

++count；

}

代碼清單6：Java 7使用主動迭代計(jì)算以字母A開頭的人

名的個(gè)數(shù)

如清單5所示，列表names用于創(chuàng)建流，然后使用過濾器對數(shù)據(jù)集進(jìn)行過濾，filter（）方法只過濾出以字母A開頭的名字，該方法的參數(shù)是一個(gè)lambda表達(dá)式[2]。最后，流的count（）方法作為最終操作，得到應(yīng)用結(jié)果。

中間操作除了filter（）之外，還有distinct（）、sorted（）、map（）等等，其一般是對數(shù)據(jù)集的整理（過濾、排序、匹配、抽取等等），返回值一般也是數(shù)據(jù)集。

最終方法往往是完成對數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)的處理，如forEach（），還有allMatch（）、anyMatch（）、findAny（）、findFirst（），數(shù)值計(jì)算類的方法有sum（）、max（）、min（）、averag（）等等。最終方法也可以是對集合的處理，如reduce（）、collect（）等等。reduce（）方法的處理方式一般是每次都產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)集，而collect（）方法是在原數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上進(jìn)行更新，過程中不產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)集。流管道操作更為詳細(xì)的資料請參閱Java Tutorial[3]。

為了理解Java8的流的重要性，請比較代碼清單5和代碼清單6。代碼清單6是大多數(shù)Java開發(fā)人員比較熟悉的，它使用主動式迭代完成同樣的功能。很顯然，只要掌握了流的基本概念和操作，清單5中的方法易讀性更好且不易出錯(cuò)，特別是，在多線程環(huán)境下清單6中的邏輯不是線程安全的，而清單5是線程安全的，它也更容易進(jìn)行并行化。

Java8集合類不僅具有Stream（）方法，該方法返回一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)流，Java8集合類還有一個(gè)parallelStream（）方法，該方法返回一個(gè)并行流。并行流的作用在于允許管道操作同時(shí)在不同的Java線程中執(zhí)行以提高性能；但要注意，集合元素的處理順序可能發(fā)生改變。測試顯示，使用并行流打印列表中的名字，他們打印的順序不同于他們在列表中出現(xiàn)的順序。下面是使用并行流之后的代碼：

long count=names.parallelStream（）.filter（name-> name.startsWith（"A"））.count（）；

4 性能比較（Performance comparison）

雖然使用Java 8中的被動迭代器有多種優(yōu)勢，那么它是否提供更快的集合處理速度呢？為了比較主動迭代器、流和并行流的性能，下面我們還是以計(jì)算字母A開頭的人名的個(gè)數(shù)為例，采取上述三種迭代方法做一個(gè)比較測試。在一臺雙核奔騰處理器、4G內(nèi)存、64位Windows 7和64位版本的Java 8配置環(huán)境下，使用五種不同的集合類（LinkedList，ArrayList、HashSet、LinkedHashSet和TreeSet）運(yùn)行上述程序，將平均時(shí)間總結(jié)在如下所示的表1中。

5 結(jié)論（Conclusion）

Java 8支持一種新功能進(jìn)行迭代，它是聲明性的方法，這種新方法帶來的好處是代碼的可讀性更好，不易出錯(cuò)，也更容易并行化。然而測試表明，并行流對每一種集合類而言不一定性能更快。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] Erich Gamma， Richard Helm， Ralph Johnson， and John Vlissides，Design Patterns： Elements of Reusable Object-OrientedSoftware [A]， Addison-Wesley Professional， 1994.

[2] Oracle， The JavaTM Tutorials，Lambda Expressions [EB/OL]，http：//docs.oracle.com/javase/tutorial/java/javaOO/lambdaexpressions.html.

[3] Oracle， The JavaTM Tutorials，Lesson： Aggregate Operations[EB/OL]，http：//docs.oracle.com/javase/tutorial/collections/streams/index.html.

作者簡介：

錢宇虹（1967-），女，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：軟件開發(fā)與應(yīng)用，軟件工程，軟件測試技術(shù).endprint

Java8集合類不僅具有Stream（）方法，該方法返回一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)流，Java8集合類還有一個(gè)parallelStream（）方法，該方法返回一個(gè)并行流。并行流的作用在于允許管道操作同時(shí)在不同的Java線程中執(zhí)行以提高性能；但要注意，集合元素的處理順序可能發(fā)生改變。測試顯示，使用并行流打印列表中的名字，他們打印的順序不同于他們在列表中出現(xiàn)的順序。下面是使用并行流之后的代碼：

long count=names.parallelStream（）.filter（name-> name.startsWith（"A"））.count（）；

4 性能比較（Performance comparison）

雖然使用Java 8中的被動迭代器有多種優(yōu)勢，那么它是否提供更快的集合處理速度呢？為了比較主動迭代器、流和并行流的性能，下面我們還是以計(jì)算字母A開頭的人名的個(gè)數(shù)為例，采取上述三種迭代方法做一個(gè)比較測試。在一臺雙核奔騰處理器、4G內(nèi)存、64位Windows 7和64位版本的Java 8配置環(huán)境下，使用五種不同的集合類（LinkedList，ArrayList、HashSet、LinkedHashSet和TreeSet）運(yùn)行上述程序，將平均時(shí)間總結(jié)在如下所示的表1中。

5 結(jié)論（Conclusion）

Java 8支持一種新功能進(jìn)行迭代，它是聲明性的方法，這種新方法帶來的好處是代碼的可讀性更好，不易出錯(cuò)，也更容易并行化。然而測試表明，并行流對每一種集合類而言不一定性能更快。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] Erich Gamma， Richard Helm， Ralph Johnson， and John Vlissides，Design Patterns： Elements of Reusable Object-OrientedSoftware [A]， Addison-Wesley Professional， 1994.

[2] Oracle， The JavaTM Tutorials，Lambda Expressions [EB/OL]，http：//docs.oracle.com/javase/tutorial/java/javaOO/lambdaexpressions.html.

[3] Oracle， The JavaTM Tutorials，Lesson： Aggregate Operations[EB/OL]，http：//docs.oracle.com/javase/tutorial/collections/streams/index.html.

作者簡介：

錢宇虹（1967-），女，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：軟件開發(fā)與應(yīng)用，軟件工程，軟件測試技術(shù).endprint

Java8集合類不僅具有Stream（）方法，該方法返回一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)流，Java8集合類還有一個(gè)parallelStream（）方法，該方法返回一個(gè)并行流。并行流的作用在于允許管道操作同時(shí)在不同的Java線程中執(zhí)行以提高性能；但要注意，集合元素的處理順序可能發(fā)生改變。測試顯示，使用并行流打印列表中的名字，他們打印的順序不同于他們在列表中出現(xiàn)的順序。下面是使用并行流之后的代碼：

long count=names.parallelStream（）.filter（name-> name.startsWith（"A"））.count（）；

4 性能比較（Performance comparison）

雖然使用Java 8中的被動迭代器有多種優(yōu)勢，那么它是否提供更快的集合處理速度呢？為了比較主動迭代器、流和并行流的性能，下面我們還是以計(jì)算字母A開頭的人名的個(gè)數(shù)為例，采取上述三種迭代方法做一個(gè)比較測試。在一臺雙核奔騰處理器、4G內(nèi)存、64位Windows 7和64位版本的Java 8配置環(huán)境下，使用五種不同的集合類（LinkedList，ArrayList、HashSet、LinkedHashSet和TreeSet）運(yùn)行上述程序，將平均時(shí)間總結(jié)在如下所示的表1中。

5 結(jié)論（Conclusion）

Java 8支持一種新功能進(jìn)行迭代，它是聲明性的方法，這種新方法帶來的好處是代碼的可讀性更好，不易出錯(cuò)，也更容易并行化。然而測試表明，并行流對每一種集合類而言不一定性能更快。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] Erich Gamma， Richard Helm， Ralph Johnson， and John Vlissides，Design Patterns： Elements of Reusable Object-OrientedSoftware [A]， Addison-Wesley Professional， 1994.

[2] Oracle， The JavaTM Tutorials，Lambda Expressions [EB/OL]，http：//docs.oracle.com/javase/tutorial/java/javaOO/lambdaexpressions.html.

[3] Oracle， The JavaTM Tutorials，Lesson： Aggregate Operations[EB/OL]，http：//docs.oracle.com/javase/tutorial/collections/streams/index.html.

作者簡介：

錢宇虹（1967-），女，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：軟件開發(fā)與應(yīng)用，軟件工程，軟件測試技術(shù).endprint