本文，让我们来思考如何实现一个支持“快照”功能的迭代器？

问题描述

• 背景：如何实现一个支持“快照”功能的迭代器模式？
• 所谓“快照”，指我们为容器创建迭代器的时候，相当于给容器拍了一张快照（Snapshot）。之后即便我们增删容器中的元素，快照中的元素并不会做相应的改动。而迭代器遍历的对象是快照而非容器，这样就避免了在使用迭代器遍历的过程中，增删容器中的元素，导致的不可预期的结果或者报错。
• 接下来，举一个例子来解释一下上面这段话。具体的代码如下所示。容器 list 中初始存储了 3、8、2 三个元素。尽管在创建迭代器 iter1 之后，容器 list 删除了元素 3，只剩下 8、2 两个元素，但是，通过 iter1 遍历的对象是快照，而非容器 list 本身。所以，遍历的结果仍然是 3、8、2。同理，iter2、iter3 也是在各自的快照上遍历，输出的结果如代码中注释所示。

List<Integer> list = new ArrayList<>();
list.add(3);
list.add(8);
list.add(2);
Iterator<Integer> iter1 = list.iterator();//snapshot: 3, 8, 2
list.remove(new Integer(2));//list：3, 8
Iterator<Integer> iter2 = list.iterator();//snapshot: 3, 8
list.remove(new Integer(3));//list：8
Iterator<Integer> iter3 = list.iterator();//snapshot: 3
// 输出结果：3 8 2
while (iter1.hasNext()) {
  System.out.print(iter1.next() + " ");
}
System.out.println();
// 输出结果：3 8
while (iter2.hasNext()) {
  System.out.print(iter1.next() + " ");
}
System.out.println();
// 输出结果：8
while (iter3.hasNext()) {
  System.out.print(iter1.next() + " ");
}
System.out.println();

• 下面是针对这个功能需求的骨架代码，其中包含 ArrayList、SnapshotArrayIterator 两个类

public ArrayList<E> implements List<E> {
  // TODO: 成员变量、私有函数等随便你定义
  
  @Override
  public void add(E obj) {
    //TODO: 由你来完善
  }
  
  @Override
  public void remove(E obj) {
    // TODO: 由你来完善
  }
  
  @Override
  public Iterator<E> iterator() {
    return new SnapshotArrayIterator(this);
  }
}
public class SnapshotArrayIterator<E> implements Iterator<E> {
  // TODO: 成员变量、私有函数等随便你定义
  
  @Override
  public boolean hasNext() {
    // TODO: 由你来完善
  }
  
  @Override
  public E next() {//返回当前元素，并且游标后移一位
    // TODO: 由你来完善
  }
}

解决方案一

• 我们先来看最简单的一种解决办法。在迭代器类中定义一个成员变量 snapshot 来存储快照。每当创建迭代器的时候，都拷贝一份容器中的元素到快照中，后续的遍历操作都基于这个迭代器自己持有的快照来进行。具体的代码实现如下所示：

public class SnapshotArrayIterator<E> implements Iterator<E> {
  private int cursor;
  private ArrayList<E> snapshot;
  public SnapshotArrayIterator(ArrayList<E> arrayList) {
    this.cursor = 0;
    this.snapshot = new ArrayList<>();
    this.snapshot.addAll(arrayList);
  }
  @Override
  public boolean hasNext() {
    return cursor < snapshot.size();
  }
  @Override
  public E next() {
    E currentItem = snapshot.get(cursor);
    cursor++;
    return currentItem;
  }
}

• 这个解决方案虽然简单，但代价也有点高。每次创建迭代器的时候，都要拷贝一份数据到快照中，会增加内存的消耗。如果一个容器同时有多个迭代器在遍历元素，就会导致数据在内存中重复存储多份。不过，庆幸的是，Java 中的拷贝属于浅拷贝，也就是说，容器中的对象并非真的拷贝了多份，而只是拷贝了对象的引用而已

解决方案二

• 我们可以在容器中，为每个元素保存两个时间戳，一个是添加时间戳 addTimestamp，一个是删除时间戳 delTimestamp。当元素被加入到集合中的时候，我们将 addTimestamp 设置为当前时间，将 delTimestamp 设置成最大长整型值（Long.MAX_VALUE）。当元素被删除时，我们将 delTimestamp 更新为当前时间，表示已经被删除。注意，这里只是标记删除，而非真正将它从容器中删除。
• 如果元素的 addTimestamp>snapshotTimestamp，说明元素在创建了迭代器之后才加入的，不属于这个迭代器的快照；如果元素的 delTimestamp<snapshotTimestamp，说明元素在创建迭代器之前就被删除掉了，也不属于这个迭代器的快照。
• 这样就在不拷贝容器的情况下，在容器本身上借助时间戳实现了快照功能。具体的代码实现如下所示

public class ArrayList<E> implements List<E> {
  private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
  private int actualSize; //不包含标记删除元素
  private int totalSize; //包含标记删除元素
  private Object[] elements;
  private long[] addTimestamps;
  private long[] delTimestamps;
  public ArrayList() {
    this.elements = new Object[DEFAULT_CAPACITY];
    this.addTimestamps = new long[DEFAULT_CAPACITY];
    this.delTimestamps = new long[DEFAULT_CAPACITY];
    this.totalSize = 0;
    this.actualSize = 0;
  }
  @Override
  public void add(E obj) {
    elements[totalSize] = obj;
    addTimestamps[totalSize] = System.currentTimeMillis();
    delTimestamps[totalSize] = Long.MAX_VALUE;
    totalSize++;
    actualSize++;
  }
  @Override
  public void remove(E obj) {
    for (int i = 0; i < totalSize; ++i) {
      if (elements[i].equals(obj)) {
        delTimestamps[i] = System.currentTimeMillis();
        actualSize--;
      }
    }
  }
  public int actualSize() {
    return this.actualSize;
  }
  public int totalSize() {
    return this.totalSize;
  }
  public E get(int i) {
    if (i >= totalSize) {
      throw new IndexOutOfBoundsException();
    }
    return (E)elements[i];
  }
  public long getAddTimestamp(int i) {
    if (i >= totalSize) {
      throw new IndexOutOfBoundsException();
    }
    return addTimestamps[i];
  }
  public long getDelTimestamp(int i) {
    if (i >= totalSize) {
      throw new IndexOutOfBoundsException();
    }
    return delTimestamps[i];
  }
}
public class SnapshotArrayIterator<E> implements Iterator<E> {
  private long snapshotTimestamp;
  private int cursorInAll; // 在整个容器中的下标，而非快照中的下标
  private int leftCount; // 快照中还有几个元素未被遍历
  private ArrayList<E> arrayList;
  public SnapshotArrayIterator(ArrayList<E> arrayList) {
    this.snapshotTimestamp = System.currentTimeMillis();
    this.cursorInAll = 0;
    this.leftCount = arrayList.actualSize();;
    this.arrayList = arrayList;
    justNext(); // 先跳到这个迭代器快照的第一个元素
  }
  @Override
  public boolean hasNext() {
    return this.leftCount >= 0; // 注意是>=, 而非>
  }
  @Override
  public E next() {
    E currentItem = arrayList.get(cursorInAll);
    justNext();
    return currentItem;
  }
  private void justNext() {
    while (cursorInAll < arrayList.totalSize()) {
      long addTimestamp = arrayList.getAddTimestamp(cursorInAll);
      long delTimestamp = arrayList.getDelTimestamp(cursorInAll);
      if (snapshotTimestamp > addTimestamp && snapshotTimestamp < delTimestamp) {
        leftCount--;
        break;
      }
      cursorInAll++;
    }
  }
}

• 实际上，上面的解决方案相当于解决了一个问题，又引入了另外一个问题。ArrayList 底层依赖数组这种数据结构，原本可以支持快速的随机访问，在 O(1) 时间复杂度内获取下标为 i 的元素，但现在，删除数据并非真正的删除，只是通过时间戳来标记删除，这就导致无法支持按照下标快速随机访问了。如果你对数组随机访问这块知识点不了解，可以去看我的《数据结构与算法之美》专栏，这里我就不展开讲解了。
• 现在，我们来看怎么解决这个问题：让容器既支持快照遍历，又支持随机访问？
• 解决的方法也不难，我稍微提示一下。我们可以在 ArrayList 中存储两个数组。一个支持标记删除的，用来实现快照遍历功能；一个不支持标记删除的（也就是将要删除的数据直接从数组中移除），用来支持随机访问。

小结

• 本文仅是一个场景思考，看懂即可