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设计模式-迭代器模式

发表于 分类于 阅读次数： Valine：
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今天，我们学习另外一种行为型设计模式，迭代器模式。它用来遍历集合对象。不过，很多编程语言都将迭代器作为一个基础的类库，直接提供出来了。在平时开发中，特别是业务开 发，我们直接使用即可，很少会自己去实现一个迭代器。不过，知其然知其所以然，弄懂原理能帮助我们更好的使用这些工具类，所以，我觉得还是有必要学习一下这个模式。我们知道，大部分编程语言都提供了多种遍历集合的方式，比如 for 循环、foreach 循环、 迭代器等。所以，今天我们除了讲解迭代器的原理和实现之外，还会重点讲一下，相对于其他遍历方式，利用迭代器来遍历集合的优势。

迭代器模式的原理和实现

迭代器模式（Iterator Design Pattern），也叫作游标模式（Cursor Design Pattern）。

在开篇中我们讲到，它用来遍历集合对象。这里说的“集合对象”也可以叫“容器”“聚合 对象”，实际上就是包含一组对象的对象，比如数组、链表、树、图、跳表。迭代器模式将集合对象的遍历操作从集合类中拆分出来，放到迭代器类中，让两者的职责更加单一。

迭代器是用来遍历容器的，所以，一个完整的迭代器模式一般会涉及容器和容器迭代器两部分内容。为了达到基于接口而非实现编程的目的，容器又包含容器接口、容器实现类，迭代器又包含迭代器接口、迭代器实现类。对于迭代器模式，我画了一张简单的类图，你可以看一看，先有个大致的印象。

接下来，我们通过一个例子来具体讲，如何实现一个迭代器。开篇中我们有提到，大部分编程语言都提供了遍历容器的迭代器类，我们在平时开发中，直接拿来用即可，几乎不大可能从零编写一个迭代器。不过，这里为了讲解迭代器的实现原理，我们假设某个新的编程语言的基础类库中，还没有提供线性容器对应的迭代器，需要我们从零开始开发。现在，我们一块来看具体该如何去做。

我们知道，线性数据结构包括数组和链表，在大部分编程语言中都有对应的类来封装这两种数据结构，在开发中直接拿来用就可以了。假设在这种新的编程语言中，这两个数据结构分别对应 ArrayList 和 LinkedList 两个类。除此之外，我们从两个类中抽象出公共的接口， 定义为 List 接口，以方便开发者基于接口而非实现编程，编写的代码能在两种数据存储结构之间灵活切换。

现在，我们针对 ArrayList 线性容器，设计实现对应的迭代器。按照之前给出的迭代器模式的类图，我们定义一个迭代器接口 Iterator，以及针对两种容器的具体的迭代器实现类 ArrayIterator。

我们先来看下 Iterator 接口的定义。具体的代码如下所示：

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// 接口定义方式一
public interface Iterator<E> {
    boolean hasNext();
    void next();
    E currentItem();
}
// 接口定义方式二
public interface Iterator<E> {
    boolean hasNext();
    E next();
}

Iterator 接口有两种定义方式。在第一种定义中，next() 函数用来将游标后移一位元素，currentItem() 函数用来返回当前游标指向的元素。在第二种定义中，返回当前元素与后移一位这两个操作，要放到同一个函数 next() 中完成。

第一种定义方式更加灵活一些，比如我们可以多次调用 currentItem() 查询当前元素，而不移动游标。所以，在接下来的实现中，我们选择第一种接口定义方式。现在，我们再来看下 ArrayIterator 的代码实现，具体如下所示。代码实现非常简单，不需要太多解释。你可以结合着我给出的 demo，自己理解一下。

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public class ArrayIterator<E> implements Iterator<E> {
    private int cursor;
    private ArrayList<E> arrayList;
    public ArrayIterator(ArrayList<E> arrayList) {
        this.cursor = 0;
        this.arrayList = arrayList;
    }
    @Override
    public boolean hasNext() {
        return cursor < arrayList.size();
    }
    @Override
    public void next() {
        cursor++;
    }
    @Override
    public E currentItem() {
        if (cursor >= arrayList.size()) {
            throw new NoSuchElementException();
        }
        return arrayList.get(cursor);
    }
}
public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<String> names = new ArrayList<>();
        names.add("xzg");
        names.add("wang");
        names.add("zheng");
        Iterator<String> iterator = new ArrayIterator(names);
        while (iterator.hasNext()) {
            System.out.println(iterator.currentItem());
            iterator.next();
        }
    }
}

在上面的代码实现中，我们需要将待遍历的容器对象，通过构造函数传递给迭代器类。实际上，为了封装迭代器的创建细节，我们可以在容器中定义一个 iterator() 方法，来创建对应的迭代器。为了能实现基于接口而非实现编程，我们还需要将这个方法定义在 List 接口中。具体的代码实现和使用示例如下所示：

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public interface List<E> {
    Iterator iterator();
    int size();
    boolean add(E e);
    E get(int index);
}
public class ArrayList<E> implements List<E> {
    // 默认容量大小
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    // 数据数组
    transient Object[] elementData;
    // list 大小
    private int size;

    public ArrayList() {
        this.elementData = new Object[DEFAULT_CAPACITY];
    }

    @Override
    public Iterator iterator() {
        return new ArrayIterator(this);
    }

    // 添加元素
    @Override
    public boolean add(E e) {
        // 扩容..
        elementData[size++] = e;
        return true;
    }

    @Override
    public E get(int index) {
        // 校验数组越界..
        return (E) elementData[index];
    }

    @Override
    public int size() {
        return this.size;
    }
}
public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> names = new ArrayList<>();
        names.add("xzg");
        names.add("wang");
        names.add("zheng");
        Iterator<String> iterator = names.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            System.out.println(iterator.currentItem());
            iterator.next();
        }
    }
}

对于 LinkedIterator，它的代码结构跟 ArrayIterator 完全相同，我这里就不给出具体的代 码实现了，你可以参照 ArrayIterator 自己去写一下。结合刚刚的例子，我们来总结一下迭代器的设计思路。总结下来就三句话：迭代器中需要定义 hasNext()、currentItem()、next() 三个最基本的方法。待遍历的容器对象通过依赖注入传递到迭代器类中。容器通过 iterator() 方法来创建迭代器。

迭代器模式的优势

迭代器的原理和代码实现讲完了。接下来，我们来一块看一下，使用迭代器遍历集合的优势。一般来讲，遍历集合数据有三种方法：for 循环、foreach 循环、iterator 迭代器。对于这 三种方式，我拿 Java 语言来举例说明一下。具体的代码如下所示：

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List<String> names = new ArrayList<>();
names.add("xzg");
names.add("wang");
names.add("zheng");
// 第一种遍历方式：for循环
for (int i = 0; i < names.size(); i++) {
    System.out.print(names.get(i) + ",");
}
// 第二种遍历方式：foreach循环
for (String name : names) {
    System.out.print(name + ",")
}
// 第三种遍历方式：迭代器遍历
Iterator<String> iterator = names.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
    System.out.print(iterator.next() + ",");//Java中的迭代器接口是第二种定义方式，next
}

实际上，foreach 循环只是一个语法糖而已，底层是基于迭代器来实现的。也就是说，上面代码中的第二种遍历方式（foreach 循环代码）的底层实现，就是第三种遍历方式（迭代器遍历代码）。这两种遍历方式可以看作同一种遍历方式，也就是迭代器遍历方式。

从上面的代码来看，for 循环遍历方式比起迭代器遍历方式，代码看起来更加简洁。那我们为什么还要用迭代器来遍历容器呢？为什么还要给容器设计对应的迭代器呢？原因有以下三 个。

首先，对于类似数组和链表这样的数据结构，遍历方式比较简单，直接使用 for 循环来遍历就足够了。但是，对于复杂的数据结构（比如树、图）来说，有各种复杂的遍历方式。比如，树有前中后序、按层遍历，图有深度优先、广度优先遍历等等。如果由客户端代码来实现这些遍历算法，势必增加开发成本，而且容易写错。如果将这部分遍历的逻辑写到容器类中，也会导致容器类代码的复杂性。

前面也多次提到，应对复杂性的方法就是拆分。我们可以将遍历操作拆分到迭代器类中。比如，针对图的遍历，我们就可以定义 DFSIterator、BFSIterator 两个迭代器类，让它们分别来实现深度优先遍历和广度优先遍历。

其次，将游标指向的当前位置等信息，存储在迭代器类中，每个迭代器独享游标信息。这样，我们就可以创建多个不同的迭代器，同时对同一个容器进行遍历而互不影响。

最后，容器和迭代器都提供了抽象的接口，方便我们在开发的时候，基于接口而非具体的实现编程。当需要切换新的遍历算法的时候，比如，从前往后遍历链表切换成从后往前遍历链 表，客户端代码只需要将迭代器类从 LinkedIterator 切换为 ReversedLinkedIterator 即可，其他代码都不需要修改。除此之外，添加新的遍历算法，我们只需要扩展新的迭代器 类，也更符合开闭原则。

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