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用 for/in 在 Java 5.0 中增强循环

这个方便的构造提供了什么?什么时候适用于代码?

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越短越好

这是资深电脑程序员都知道的一条最基本的原理:因为 更短 意味着 打字更少,所以更短自然也就更好。这个哲学造就了 vi 这样的 IDE,在这类 IDE 中,像 :wq!28G 这样的命令拥有丰富的含义。这个哲学还导致一些最神秘的代码,比如说,变量 ar 代表 Agile Runner(也可能是 Argyle,或者 Atomic Reactor 等等,总之,您明白就好)。

有些时候,在努力实现短小的时候,程序员会将明确性抛到脑后。也就是说,过于短小和过于繁冗的代码都会让人感到痛苦不堪。变量名为 theAtomicReactorLocatedInPhiladelphia 与名为 ar 的变量一样让人讨厌和不方便。一定会有一个让人高兴的解决方法,不是吗?

这个让人高兴的方法(至少我是这么认为的)是以寻找完成某事的 方便 途径为出发点,不是为了短小而短小。作为这类解决方案的一个好例子,Java 5.0 引入了新版的 for 循环,我把它称为 for/in。它也被称为 foreach,有时也叫作 增强的 for,但这些指的都是同一个构造。不管您叫它什么, for/in 都会使代码变得更简单,正如您在本文中将看到的那样。

不使用 Iterator

使用 for/in 与“普通”for 之间的最基本区别是,您不必使用计数器(通常称为 icount)或 Iterator。参见清单 1,它显示了一个使用的 Iteratorfor 循环:

清单 1. for 循环,旧式学院风格
public void testForLoop(PrintStream out) throws IOException {
  List list = getList();  // initialize this list elsewhere
  
  for (Iterator i = list.iterator(); i.hasNext(); ) {
    Object listElement = i.next();
    out.println(listElement.toString());
    
    // Do something else with this list element
  }
}

注意:如果您一直在看我写的关于 Tiger 新特性的文章(请参阅 参考资料),您就会知道,我常常感谢 O'Reilly Media, Inc.,因为它们允许我在本文中发布我其他书中的代码示例。这意味着您得到的代码已经通过了更多测试、更多评论,比我能提供给您的多得多。所以再次感谢 O'Reilly,如果您想了解 Tiger 的更多内容,请参考我撰写的一些书,它们列在 参考资源一节中,其中有完整的链接和更多的细节。

如果您期待着得到如何把这个代码转变成新的 for/in 循环的详细解释,我恐怕要让您失望。清单 2 显示了用 for/in 改写的清单 1 中的代码,您应该相当熟悉它。请参见下面代码清单,我将尽可能详细地解释 for/in 循环(但是仍然很难凑成一章)。

清单 2. 转换成 for/in
public void testForInLoop(PrintStream out) throws IOException {
  List list = getList();  // initialize this list elsewhere
  
  for (Object listElement : list) {
    out.println(listElement.toString());
    
    // Do something else with this list element
  }
}

for/in 循环的基本语法如清单 3 所示。如果您还不习惯阅读规范,那么该语法可能看起来有点古怪,但是当您一个部分一个部分了解它的时候,您会发现阅读它实际上非常容易。

清单 3. for/in 循环的基本结构
for(
        声明:
        表达式)
 
        语句

声明 是一个变量,例如 Object listElement。这个变量应该有自己的类型,这样,它就可以与将遍历的列表、数组或集合中的每一个项兼容。在清单 2 的例子中, list 包含一些对象,因此这些对象就是 listElement 的类型。

表达式 就是一个表达式。它计算的结果应当是可以遍历的(后面再详加介绍)。在现在,只要保证 表达式 计算的结果是一个集合或者数组就可以了。表达式可以简单到就是一个变量(如清单 2 所示)或者是一个方法调用(例如 getList()),亦或是包含布尔逻辑或三目运算符的复杂表达式。只要它返回一个数组或集合,就一切 OK。

语句 代表循环的内容,它对 声明 中定义的变量进行操作;当然,这是一个循环,所以 语句 将应用到数组中集合的每个项目上。而且,使用大括号( {})时,还能使用多条语句。

其用法如下:创建一个变量,指向要遍历的数组或集合,然后对定义的变量进行操作。不用对列表中的每个项目进行赋值,因为 for/in 替您处理了这件事。当然,如果您还觉得不太清楚,没关系,继续读下去,有大量的示例让您足够清楚这个事件。

但是,在进行下一步之前,我想用更加符合规范的方式说明 for/in 的工作方式。清单 4 显示了在提供通用化类型时,实际发挥作用的 for/in 循环。以下是编译器把该循环转换成普通的 for 循环之后,语句实际看起来的样子。

您明白了吗?编译器实际上把这个更短、更方便的 for/in 语句变成了一个更加编译器友好的 for 循环,而且您不会受到这项工作的影响。这就是为什么我认为它方便,而不仅仅说它更简短的原因。

清单 4. 转换后的 for/in 循环,带有一个 Iterable
for (Iterator<
        E> #i = (
        expression).iterator(); #i.hasNext(); ) {
 
        declaration = #i.next();
 
        statement
}

清单 5 是另外一个经过编译器转换之后的 for/in,这次没有通用化类型。虽然更简单,但做的事是一样的。但是在每种情况下,您都可以很容易地在脑子里(并通过编程方式)把 for/in 语句转换成普通的 for 语句,如果您能在脑子子里做这个转换,事情就变得极为容易了。

清单 5. 转换后的 for/in 循环,没有未经参数化的类型
for (Iterator #i = (
        expression).iterator(); #i.hasNext(); ) {
 
        declaration = #i.next();
 
        statement
}

使用数组

现在您已经了解了基本的语义,可以继续了解一些更具体的示例了。您已经看到 for/in 如何处理列表了;处理数组也一样容易。与集合相同,数组也被赋值(如清单 6 所示),然后这些值被逐个取出,并被处理。

清单 6. 简单的数组初始化
int[] int_array = new int[4];
String[] args = new String[10];
float[] float_array = new float[20];

对于使用 for 以及计算器或索引变量的场合,现在就可以使用 for/in(当然,前提是您正在使用 Tiger)。清单 7 显示了另外一个简单的示例:

清单 7. 用 for/in 对数组进行循环就是小菜一碟
public void testArrayLooping(PrintStream out) throws IOException {
  int[] primes = new int[] { 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29 };
  
  // Print the primes out using a for/in loop
  for (int n : primes) {
    out.println(n);
  }
}

没有任何需要特别说明的地方,这些都是非常基本的东西。数组被类型化,所以您需要很清楚地知道数组中每个项目的变量类型是什么。这个示例创建了变量(在这个示例中名为 n),然后对这个变量进行操作。非常简单,不是吗?我告诉过您在这里没有什么复杂的东西。

实际上,数据中有什么类型并不是问题,您只需为 声明 选择好正确的类型就可以了。在清单 8 中,数组的元素是 Lists。所以您得到的实际上是一个集合数组。同样,使用 for/in 就能使这些变得非常简单。

清单 8. 用 for/in 还可以在对象数组上循环
public void testObjectArrayLooping(PrintStream out) throws IOException {
  List[] list_array = new List[3];
  
  list_array[0] = getList();
  list_array[1] = getList();
  list_array[2] = getList();
  
  for (List l : list_array) {
    out.println(l.getClass().getName());
  }
}

甚至还可以在 for/in 循环中再加上一层循环,如清单 9 所示:

清单 9. 在 for/in 内部使用 for/in 不会有任何问题!
public void testObjectArrayLooping(PrintStream out) throws IOException {
  List[] list_array = new List[3];
  
  list_array[0] = getList();
  list_array[1] = getList();
  list_array[2] = getList();
  
  for (List l : list_array) {
    
        for (Object o : l) {
      out.println(o);
    }
  }
}

处理集合

同样,简单性也是我们关注的内容。使用 for/in 对集合进行遍历没有任何需要特殊处理或者复杂的地方,它工作起来,与您刚才看到的处理列表和集合的方式一样。清单 10 演示了一个在 ListSet 上遍历的示例,毫无惊人之处。与往常一样,我们将研究代码,确保您了解发生的事情。

清单 10. 以下程序中有许多简单循环,演示了如何使用 for/in
package com.oreilly.tiger.ch07;
import java.util.ArrayList;
import java.util.HashSet;
import java.util.List;
import java.util.Set;
public class ForInDemo {
  public static void main(String[] args) {
  
    // These are collections to iterate over below
    List wordlist = new ArrayList();
    Set wordset = new HashSet();
    
    // Basic loop, iterating over the elements of an array
    //   The body of the loop is executed once for each element of args[].
    //   Each time through, one element is assigned to the variable word.
    System.out.println("Assigning arguments to lists...");
    for (String word : args) {
      System.out.print(word + " ");
      wordlist.add(word);
      wordset.add(word);
    }
    
    System.out.println();
    
    // Iterate through the elements of the List now
    //   Since lists have an order, these words should appear as above
    System.out.println("Printing words from wordlist " +
      "(ordered, with duplicates)...");
    for (Object word : wordlist) {
      System.out.print((String)word + " ");
    }
    
    System.out.println();
    
    // Do the same for the Set. The loop looks the same but by virtue
    //   of using a Set, word order is lost, and duplicates are discarded.
    System.out.println("Printing words from wordset " +
      "(unordered, no duplicates)...");
    for (Object word : wordset) {
      System.out.print((String)word + " ");
    }
  }
}

清单 11 显示了这个程序的输出(在命令行上输出了一些用来演示的数据):

清单 11. 输出正是您想要的 —— 许多打印!
run-ch07:
    [echo] Running Chapter 7 examples from Java 5.0 Tiger: A Developer's Notebook
    [echo] Running ForInDemo...
    [java] Assigning arguments to lists...
    [java] word1 word2 word3 word4 word1
    [java] Printing words from wordList (ordered, with duplicates)...
    [java] word1 word2 word3 word4 word1
    [java] Printing words from wordset (unordered, no duplicates)...
    [java] word4 word1 word3 word2

类型转换之痛

迄今为止,在处理集合的时候,您已经看到 for/in 使用通用的变量类型,例如 Object。这么做很好,但是没有真正利用到 Tiger 的另一项特性 —— 泛型(有时也叫作 参数化类型)。我把泛型的细节留给 developerWorks 即将针对这个主题推出的教程,但是泛型让 for/in 变得更加强大。

记得 for/in 语句的 声明 部分创建了一个变量,它代表要遍历的集合中每个项目的类型。在数组中,类型非常明确,因为类型是强类型的, int[] 只能包含整数,所以在循环中没有类型转换。在您通过泛型使用类型化列表时,也有可能做到这点。清单 12 演示了几个简单的参数化集合:

清单 12. 向集合类型添加参数意味着可以避免以后的类型转换
List
        <String> wordlist = new ArrayList
        <String>();
Set
        <String> wordset = new HashSet
        <String>();

现在,您的 for/in 循环可以避开老式的 Object,变得更加具体。清单 13 演示了这一点:

清单 13. 在知道集合中的类型时,您的循环体可以更加具有类型针对性
for (String word : wordlist) {
  System.out.print(word + " ");
}

作为一个更加完整的示例,清单 14 沿用了清单 10 所示的程序,并添加了一些通用的列表和更加具体的 for/in 循环:

清单 14:可以利用泛型重写清单 10
package com.oreilly.tiger.ch07;
import java.util.ArrayList;
import java.util.HashSet;
import java.util.List;
import java.util.Set;
public class ForInDemo {
  public static void main(String[] args) {
  
    // These are collections to iterate over below
    
        List<String> wordlist = new ArrayList<String>();
    Set<String> wordset = new HashSet<String>();
    
    // Basic loop, iterating over the elements of an array
    //   The body of the loop is executed once for each element of args[].
    //   Each time through, one element is assigned to the variable word.
    System.out.println("Assigning arguments to lists...");
    for (String word : args) {
      System.out.print(word + " ");
      wordlist.add(word);
      wordset.add(word);
    }
    
    System.out.println();
    
    // Iterate through the elements of the List now
    //   Since lists have an order, these words should appear as above
    System.out.println("Printing words from wordlist " +
      "(ordered, with duplicates)...");
    for (
        String word : wordlist) {
      System.out.print((String)word + " ");
    }
    
    System.out.println();
    
    // Do the same for the Set. The loop looks the same but by virtue
    //   of using a Set, word order is lost, and duplicates are discarded.
    System.out.println("Printing words from wordset " +
      "(unordered, no duplicates)...");
    for (
        String word : wordset) {
      System.out.print((String)word + " ");
    }
  }
}

当然,在这些例子中,类型转换还没有完全消失。但是,这些工作正逐步转交给编译器完成(如果您对这类事情感兴趣,那么可以说这就是泛型或多或少要做的事)。在编译的时候,所有这些类型都会被检测,您可能得到相应的错误信息。如果有人能做这项工作,那么,其他所有人也能这么做,不是吗?

类与 for/in 的集成

迄今为止,我只是针对 Java 事先打包的类和类型(array、list、map、set 和其他集合)进行遍历。尽管这已经相当不错,但编程语言的美丽在于它们能帮助您定义自己的类。定制对象是大型应用程序的支柱。这一节要处理的只是允许 for/in 构造使用您自己的对象所涉及的一些概念与步骤。

一个新接口

到了现在,您应当熟悉 java.util.Iterator 接口了,倘若您不熟悉它,清单 15 演示了这个接口,而且是按照它在 Tiger 出现的形式演示的:

清单 15. Iterator 长时间以来一直是 Java 语言的中流砥柱
package java.util;
public interface Iterator<E> {
  public boolean hasNext();
  
  public E next();
  
  public void remove();
}

但是,为了利用 for/in,需要在您的域知识中添加另一个接口 java.lang.Iterable。该接口如清单 16 所示:

清单 16. Iterable 接口是 for/in 构造的基础
package java.lang;
public interface Iterable<E> {
  public java.util.Iterator<E> iterator();
}

为了让您的对象或类能与 for/in 一起工作,对象和类需要实现 Iterable 接口。这留给您两个基本场景:

  • 扩展现有的、已经实现了 Iterable(因此也就已经支持 for/in)的集合类。
  • 手动处理遍历,定义自己的 Iterable 实现。

手动处理遍历

如果有可能,我极力建议您用定制对象扩展现有的集合。事情会变得极为简单,而您可以避免所有繁琐的细节。清单 17 显示了一个这样做的类:

清单 17. 扩展现有的集合是利用 for/in 的捷径
package com.oreilly.tiger.ch07;
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;
public class GuitarManufacturerList extends LinkedList<String> {
  public GuitarManufacturerList() {
    super();
  }
  public boolean add(String manufacturer) {
    if (manufacturer.indexOf("Guitars") == -1) {
      return false;
    } else {
      super.add(manufacturer);
      return true;
    }
  }
}

因为 LinkedList 已经可以使用 for/in,所以,不需要特殊的代码,就可以在 for/in 中使用这个新类。清单 18 演示了这点,以及做到这一点需要做的工作是多么地少:

清单 18. Iterable 接口是 for/in 构造的基础
package com.oreilly.tiger.ch07;
import java.io.IOException;
import java.io.PrintStream;
public class CustomObjectTester {
  
        /** A custom object that extends List */
  private GuitarManufacturerList manufacturers;
  
  public CustomObjectTester() {
    
        this.manufacturers = new GuitarManufacturerList<String>();
  }
  
  public void testListExtension(PrintStream out) throws IOException {
    // Add some items for good measure
    manufacturers.add("Epiphone Guitars");
    manufacturers.add("Gibson Guitars");
    
    // Iterate with for/in
    
        for (String manufacturer : manufacturers) {
      out.println(manufacturer);
    }
  }
  
  public static void main(String[] args) {
    try {
      CustomObjectTester tester = new CustomObjectTester();
      
      tester.testListExtension(System.out);
    } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

手动处理遍历

在某些不常见的情况下 —— 老实说,我费了很大劲想到了很多 —— 在您的定制对象可以遍历的时候,您可能需要执行特定的行为。在这些(相当不幸)的情况下,您必须自己处理这些事情。清单 19 演示了如何做,虽然需要做很多工作,但是并不复杂,所以我把代码留给您自己来看。以下这个类提供了文本文件的包装器,在遍历它的时候,它将列出文件中的每行内容。

清单 19. 耐心点,您自己也能实现 Iterable 接口,并在循环中提供定制行为
package com.oreilly.tiger.ch07;
import java.util.Iterator;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.FileReader;
import java.io.IOException;
/**
 * This class allows line-by-line iteration through a text file.
 *   The iterator's remove() method throws UnsupportedOperatorException.
 *   The iterator wraps and rethrows IOExceptions as IllegalArgumentExceptions.
 */
public class TextFile implements Iterable<String> {
  // Used by the TextFileIterator below
  final String filename;
  
  public TextFile(String filename) {
    this.filename = filename;
  }
  
  // This is the one method of the Iterable interface
  public Iterator<String> iterator() {
    return new TextFileIterator();
  }
  
  // This non-static member class is the iterator implementation
  class TextFileIterator implements Iterator<String> {
  
    // The stream being read from
    BufferedReader in;
    
    // Return value of next call to next()
    String nextline;
    
    public TextFileIterator() {
      // Open the file and read and remember the first line
      //   Peek ahead like this for the benefit of hasNext()
      try {
        in = new BufferedReader(new FileReader(filename));
        nextline = in.readLine();
      } catch (IOException e) {
        throw new IllegalArgumentException(e);
      }
    }
    
    // If the next line is non-null, then we have a next line
    public boolean hasNext() {
      return nextline != null;
    }
    
    // Return the next line, but first read the line that follows it
    public String next() {
      try {
        String result = nextline;
        
        // If we haven't reached EOF yet...
        if (nextline != null) {
          nextline = in.readLine();    // Read another line
          if (nextline == null)
            in.close();                // And close on EOF
        }
        
        // Return the line we read last time through
        return result;
        
      } catch (IOException e) {
        throw new IllegalArgumentException(e);
      }
    }
    
    // The file is read-only; we don't allow lines to be removed
    public void remove() {
      throw new UnsupportedOperationException();
    }
  }
  
  public static void main(String[] args) {
    String filename = "TextFile.java";
    if (args.length > 0)
      filename = args[0];
      
    for (String line : new TextFile(filename))
      System.out.println(line);
  }
}

其中大部分工作是实现 Iterator,然后通过 iterator() 方法返回它。其他的事情就非常简单了。但是,您可以看到,与扩展一个现成的类来完成同样的工作相比,手动实现 Iterable 接口需要做的工作多得多。

不能做什么

我确实认为 for/in 是这些好东西中的一个,但是与所有的好东西一样,它们也有自身的局限性。原因是 for/in 设置的方式,特别是因为它没有显式地使用 Iterator,所以使用这个新构造时,有些事情是您不能做的。

定位

最明显的显然是不能确定您在列表或数组(或者定制对象)中的位置。为了提醒您,清单20 显示了典型 for 循环的一个可能用法。请注意,索引变量不仅能是在列表中移动,还能指示其所在位置:

清单 20. 在普通的循环中使用迭代变量
List<String> wordList = new LinkedList<String>();
for (int i=0; i<args.length; i++) {
  wordList.add("word " + (i+1) + ": '" + args[i] + "'");
}

这不是什么古怪的用法,而是很普通的编程方式。但是,您不能用 for/in 完成这个简单的任务,如清单 21 所示:

清单 21. 不可能在 for/in 循环中访问位置
public void determineListPosition(PrintStream out, String[] args)
    throws IOException {
    
    List<String> wordList = new LinkedList<String>();
    
    
        // Here, it's easy to find position
    for (int i=0; i<args.length; i++) {
      wordList.add("word " + (i+1) + ": '" + args[i] + "'");
    }
    
    
        // Here, it's 
           possible to locate position
        
    for (String word : wordList) {
      out.println(word);
    }
}

在这里,没有任何类型的计数器变量(或者 Iterator),也不存在任何侥幸。如果需要定位,就得用“普通”的 for。清单 22 显示了定位的另外一个常见用法 —— 处理字符串:

清单 22. 另一个问题 —— 字符串连接
StringBuffer longList = new StringBuffer();
for (int i=0, len=wordList.size(); i < len; i++) {
  if (i < (len-1)) {
    longList.append(wordList.get(i))
            .append(", ");
  } else {
    longList.append(wordList.get(i));
  }
}
out.println(longList);

删除项目

另外一个限制是项目删除。如清单 23 所示,在列表遍历期间无法删除项目:

清单 23. 在 for/in 循环中无法删除项目
public void removeListItems(PrintStream out, String[] args)
    throws IOException {
    
    List<String> wordList = new LinkedList<String>();
    
    // Assign some words
    for (int i=0; i<args.length; i++) {
      wordList.add("word " + (i+1) + ": " '" + args[i] + "'");
    }
    
    // Remove all words with "1" in them. 
        Impossible with for/in!
    for (Iterator i = wordList.iterator(); i.hasNext(); ) {
      String word = (String)i.next();
      if (word.indexOf("1") != -1) {
        
        i.remove();
      }
    }
    
    // You can print the words using for/in
    for (String word : wordList) {
      out.println(word);
    }
}

从整体来看,这些不算什么限制,只是什么时候使用 for、什么时候使用 for/in 的一个准则。可能是一些不值一提的细节。

最糟糕的结果是您可能找不到 需要 for/in 的地方,这也正是我所担心的。请记住,for/in 是一项很方便的功能,它能让代码更清晰、更简洁,同时也能让代码简洁得让人头痛。


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ArticleTitle=用 for/in 在 Java 5.0 中增强循环
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