设计模式-迭代器模式

概述

在软件开发中，我们经常需要使用聚合对象来存储一系列数据。聚合对象拥有两个职责：一是存储数据；二是遍历数据。从依赖性来看，前者是聚合对象的基本职责；而后者既是可变化的，又是可分离的。因此，可以将遍历数据的行为从聚合对象中分离出来，封装在一个被称之为“迭代器”的对象中，由迭代器来提供遍历聚合对象内部数据的行为，这将简化聚合对象的设计，更符合“单一职责原则”的要求。

定义

迭代器模式定义如下：

迭代器模式(Iterator Pattern)：提供一种方法来访问聚合对象，而不用暴露这个对象的内部表示，其别名为游标(Cursor)。迭代器模式是一种对象行为型模式。

迭代器模式结构

在迭代器模式结构中包含聚合和迭代器两个层次结构，考虑到系统的灵活性和可扩展性，在迭代器模式中应用了工厂方法模式，其模式结构如图3所示：

在迭代器模式结构图中包含如下几个角色：
● Iterator（抽象迭代器）：它定义了访问和遍历元素的接口，声明了用于遍历数据元素的方法，例如：用于获取第一个元素的first()方法，用于访问下一个元素的next()方法，用于判断是否还有下一个元素的hasNext()方法，用于获取当前元素的currentItem()方法等，在具体迭代器中将实现这些方法。
● ConcreteIterator（具体迭代器）：它实现了抽象迭代器接口，完成对聚合对象的遍历，同时在具体迭代器中通过游标来记录在聚合对象中所处的当前位置，在具体实现时，游标通常是一个表示位置的非负整数。
● Aggregate（抽象聚合类）：它用于存储和管理元素对象，声明一个createIterator()方法用于创建一个迭代器对象，充当抽象迭代器工厂角色。
● ConcreteAggregate（具体聚合类）：它实现了在抽象聚合类中声明的createIterator()方法，该方法返回一个与该具体聚合类对应的具体迭代器ConcreteIterator实例。

在迭代器模式中，提供了一个外部的迭代器来对聚合对象进行访问和遍历，迭代器定义了一个访问该聚合元素的接口，并且可以跟踪当前遍历的元素，了解哪些元素已经遍历过而哪些没有。迭代器的引入，将使得对一个复杂聚合对象的操作变得简单。

迭代器模式的典型代码

下面我们结合代码来对迭代器模式的结构进行进一步分析。在迭代器模式中应用了工厂方法模式，抽象迭代器对应于抽象产品角色，具体迭代器对应于具体产品角色，抽象聚合类对应于抽象工厂角色，具体聚合类对应于具体工厂角色。

在抽象迭代器中声明了用于遍历聚合对象中所存储元素的方法，典型代码如下所示：

interface Iterator {      public void first(); //将游标指向第一个元素      public void next(); //将游标指向下一个元素      public boolean hasNext(); //判断是否存在下一个元素      public Object currentItem(); //获取游标指向的当前元素  }  

在具体迭代器中将实现抽象迭代器声明的遍历数据的方法，如下代码所示：

class ConcreteIterator implements Iterator {      private ConcreteAggregate objects; //维持一个对具体聚合对象的引用，以便于访问存储在聚合对象中的数据      private int cursor; //定义一个游标，用于记录当前访问位置      public ConcreteIterator(ConcreteAggregate objects) {          this.objects=objects;      }      public void first() {  ......  }      public void next() {  ......  }      public boolean hasNext() {  ......  }      public Object currentItem() {  ......  }  }  

需要注意的是抽象迭代器接口的设计非常重要，一方面需要充分满足各种遍历操作的要求，尽量为各种遍历方法都提供声明，另一方面又不能包含太多方法，接口中方法太多将给子类的实现带来麻烦。因此，可以考虑使用抽象类来设计抽象迭代器，在抽象类中为每一个方法提供一个空的默认实现。如果需要在具体迭代器中为聚合对象增加全新的遍历操作，则必须修改抽象迭代器和具体迭代器的源代码，这将违反“开闭原则”，因此在设计时要考虑全面，避免之后修改接口。

聚合类用于存储数据并负责创建迭代器对象，最简单的抽象聚合类代码如下所示：

interface Aggregate {      Iterator createIterator();  }  

具体聚合类作为抽象聚合类的子类，一方面负责存储数据，另一方面实现了在抽象聚合类中声明的工厂方法createIterator()，用于返回一个与该具体聚合类对应的具体迭代器对象，代码如下所示：

class ConcreteAggregate implements Aggregate {        ......        public Iterator createIterator() {      return new ConcreteIterator(this);      }      ......  }

使用内部类实现迭代器

在迭代器模式结构图中，我们可以看到具体迭代器类和具体聚合类之间存在双重关系，其中一个关系为关联关系，在具体迭代器中需要维持一个对具体聚合对象的引用，该关联关系的目的是访问存储在聚合对象中的数据，以便迭代器能够对这些数据进行遍历操作。

除了使用关联关系外，为了能够让迭代器可以访问到聚合对象中的数据，我们还可以将迭代器类设计为聚合类的内部类，JDK中的迭代器类就是通过这种方法来实现的，如下AbstractList类代码片段所示：

package java.util;  ……  public abstract class AbstractList<E> extends AbstractCollection<E> implements List<E> {      ......      private class Itr implements Iterator<E> {          int cursor = 0;          ......      }      ...... } 

JDK内置迭代器

为了让开发人员能够更加方便地操作聚合对象，在Java、C#等编程语言中都提供了内置迭代器。在Java集合框架中，常用的List和Set等聚合类都继承（或实现）了java.util.Collection接口，在Collection接口中声明了如下方法（部分）：

package java.util;  public interface Collection<E> extends Iterable<E> {      ……  boolean add(Object c);  boolean addAll(Collection c);  boolean remove(Object o);  boolean removeAll(Collection c);  boolean remainAll(Collection c);   Iterator iterator();  ……  } 

除了包含一些增加元素和删除元素的方法外，还提供了一个iterator()方法，用于返回一个Iterator迭代器对象，以便遍历聚合中的元素；具体的Java聚合类可以通过实现该iterator()方法返回一个具体的Iterator对象。

JDK中定义了抽象迭代器接口Iterator，代码如下所示：

package java.util;  public interface Iterator<E> {  boolean hasNext();  E next();  void remove();  }

其中，hasNext()用于判断聚合对象中是否还存在下一个元素，为了不抛出异常，在每次调用next()之前需先调用hasNext()，如果有可供访问的元素，则返回true；next()方法用于将游标移至下一个元素，通过它可以逐个访问聚合中的元素，它返回游标所越过的那个元素的引用；remove()方法用于删除上次调用next()时所返回的元素。

总结

迭代器模式是一种使用频率非常高的设计模式，通过引入迭代器可以将数据的遍历功能从聚合对象中分离出来，聚合对象只负责存储数据，而遍历数据由迭代器来完成。由于很多编程语言的类库都已经实现了迭代器模式，因此在实际开发中，我们只需要直接使用Java、C#等语言已定义好的迭代器即可，迭代器已经成为我们操作聚合对象的基本工具之一。

优点

迭代器模式的主要优点如下：
(1) 它支持以不同的方式遍历一个聚合对象，在同一个聚合对象上可以定义多种遍历方式。在迭代器模式中只需要用一个不同的迭代器来替换原有迭代器即可改变遍历算法，我们也可以自己定义迭代器的子类以支持新的遍历方式。
(2) 迭代器简化了聚合类。由于引入了迭代器，在原有的聚合对象中不需要再自行提供数据遍历等方法，这样可以简化聚合类的设计。
(3) 在迭代器模式中，由于引入了抽象层，增加新的聚合类和迭代器类都很方便，无须修改原有代码，满足“开闭原则”的要求。

缺点

迭代器模式的主要缺点如下：
(1) 由于迭代器模式将存储数据和遍历数据的职责分离，增加新的聚合类需要对应增加新的迭代器类，类的个数成对增加，这在一定程度上增加了系统的复杂性。
(2) 抽象迭代器的设计难度较大，需要充分考虑到系统将来的扩展，例如JDK内置迭代器Iterator就无法实现逆向遍历，如果需要实现逆向遍历，只能通过其子类ListIterator等来实现，而ListIterator迭代器无法用于操作Set类型的聚合对象。在自定义迭代器时，创建一个考虑全面的抽象迭代器并不是件很容易的事情

适用场景

在以下情况下可以考虑使用迭代器模式：
(1) 访问一个聚合对象的内容而无须暴露它的内部表示。将聚合对象的访问与内部数据的存储分离，使得访问聚合对象时无须了解其内部实现细节。
(2) 需要为一个聚合对象提供多种遍历方式。
(3) 为遍历不同的聚合结构提供一个统一的接口，在该接口的实现类中为不同的聚合结构提供不同的遍历方式，而客户端可以一致性地操作该接口。