C++设计模式_21_Iterator 迭代器（理解；面向对象的迭代器已过时；C++中使用泛型编程的方式实现）

Iterator 迭代器也是属于“数据结构”模式。GoF中面向对象的迭代器已经过时，C++中目前使用泛型编程的方式实现，其他语言还在使用面向对象的迭代器。

1. 动机(Motivation)

• 在软件构建过程中，集合对象内部结构常常变化各异。但对于这些集合对象，我们希望在不暴露其内部结构的同时，可以让外部客户代码透明地访问其中包含的元素;同时这种“透明遍历”也为同一种算法在多种集合对象上进行操作”提供了可能。

不关心内部实现结构，一种算法可以应用到树形结构，也可以应用到链表、堆、栈的结构

• 使用面向对象技术将这种遍历机制抽象为“迭代器对象”为“应对变化中的集合对象”提供了一种优雅的方式。

2. 模式定义

提供一种方法顺序访问一个聚合对象中的各个元素，而又不暴露(稳定)该对象的内部表示。

----《设计模式》GoF

GoF中最早提出面向对象对象的方式实现迭代器，但是在讲面向对象的方式之前，需要重点说一下，这种方式在C++今天来讲已经过时了，因为学过STL泛型编程的都知道泛型编程中存在迭代器，思想与今天所讲的是一样的，都是通过一种接口的方式来隔离算法和容器之间的变化，但是GoF当初定义是面向对象的方式来定义的。

3. Iterator 迭代器代码分析

整体代码：

template<typename T>
class Iterator
{
public:
    virtual void first() = 0;
    virtual void next() = 0;
    virtual bool isDone() const = 0;
    virtual T& current() = 0;
};



template<typename T>
class MyCollection{
    
public:
    
    Iterator<T> GetIterator(){
        //...
    }
    
};

template<typename T>
class CollectionIterator : public Iterator<T>{
    MyCollection<T> mc;
public:
    
    CollectionIterator(const MyCollection<T> & c): mc(c){ }
    
    void first() override {
        
    }
    void next() override {
        
    }
    bool isDone() const override{
        
    }
    T& current() override{
        
    }
};

void MyAlgorithm()
{
    MyCollection<int> mc;
    
    Iterator<int> iter= mc.GetIterator();
    
    for (iter.first(); !iter.isDone(); iter.next()){
        cout << iter.current() << endl;
    }
    
}

代码分析：

首先来看GoF定义的代码，面向对象的方式

template<typename T>
class Iterator
{
public:
    virtual void first() = 0;
    virtual void next() = 0;
    virtual bool isDone() const = 0;
    virtual T& current() = 0;
};

first()提供第一个元素；next()是往下一个元素走；isDone() 代表到头了；T& current()是取你当前的一组；有些设计会将next()和T& current()合二为一。

template<typename T>
class MyCollection{
    
public:
    
    Iterator<T> GetIterator(){
        //...
    }
    
};

MyCollection是自己定义的集合，会返回一个属于我这个集合的迭代器

template<typename T>
class CollectionIterator : public Iterator<T>{
    MyCollection<T> mc;
public:
    
    CollectionIterator(const MyCollection<T> & c): mc(c){ }
    
    void first() override {
        
    }
    void next() override {
        
    }
    bool isDone() const override{
        
    }
    T& current() override{
        
    }
};

继承Iterator抽象类，对纯虚函数进行实现，一般实现的时候需要将集合传递进来CollectionIterator(const MyCollection & c): mc(c){ }

到具体使用的时候

void MyAlgorithm()
{
    MyCollection<int> mc; //塞一个类型
    
    Iterator<int> iter= mc.GetIterator(); //拿到迭代器
    
    //进行遍历操作
    for (iter.first(); !iter.isDone(); iter.next()){
        cout << iter.current() << endl;
    }
    
}

4. 面向对象的迭代器与泛型编程实现的迭代器的对比

当我们说到面向对象时，多态是其特征。像刚才说，这种面向对象的设计已经过时，就因为泛型编程，STL库在98年出来之后，大家一对比发现，面向对象的实现方式具有很多的缺点，具体来说最核心的缺点就出在面向对象上，面向对象的方式都是虚函数调用，虚函数都是有性能成本的，要绕虚表指针找到函数地址，需要二次指针的间接运算，每次都这样做，当进行遍历操作时，数据假如有10万个元素，这个循环造成的成本就差了很多。

    //进行遍历操作
    for (iter.first(); !iter.isDone(); iter.next()){
        cout << iter.current() << endl;
    }

98年之后的C++泛型编程中使用到的迭代器是使用模板来描述的，而模板也是一种多态技术，其实现的多态是编译式多态，即编译器在编译的时候会遍析具体的源代码，但是虚函数是运行时多态，运行时多态性能要低于编译时多态，因为编译时已经把工作做了，运行时直接调用源代码，不需要计算函数地址，因此以STL为标准的泛型编程广泛使用的是基于模板的多态迭代器，性能高于虚函数面向对象的迭代器。

而且第二个，泛型编程里有很多种迭代器，迭代器的接口发展出了更多的可能性，上面的写法只支持往前走(next())，不支持往回走(back())，我们知道泛型编程里迭代器可以++往前，--往后走，这些通过虚函数实现也可以，但是成本很高。模板的灵活性基于隐式约束，可以利用++、–操作符做为接口描述，面向对象只有虚函数一种。事实也证明，有了泛型编程的迭代器，大家再也不会用面向对象的迭代器。

但是上面所写的设计思路在其他语言，比如java，C#等得等到了极大的应用(基于运行时的多态)，其他语言不支持编译时的模板体制。

5. 结构( Structure )

上图是《设计模式》GoF中定义的Iterator 迭代器的设计结构。结合上面的代码看图中对应关系如下图。

6. 要点总结

• 迭代抽象：访问一个聚合对象的内容而无需暴露它的内部表示。

• 迭代多态：为遍历不同的集合结构提供一个统一的接口，从而支持同样的算法在不同的集合结构上进行操作。

• 迭代器的健壮性考虑：遍历的同时更改迭代器所在的集合结构，会导致问题。

7. 其他参考

C++设计模式——迭代器模式