【设计模式】【行为型模式】迭代器模式（Iterator）
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文章目录
- 一、入门
- 什么是迭代器模式？
- 为什么要迭代器模式？
- 怎么实现迭代器模式？
- 二、迭代器模式在源码中的运用
- Java 集合框架（Java Collections Framework）
- Java集合框架迭代器的使用
- Java集合框架迭代器的源码实现
- 三、总结
- 迭代器模式的优点
- 迭代器模式的缺点
- 迭代器模式的典型应用场景
一、入门
什么是迭代器模式？
迭代器模式（Iterator Pattern）是一种行为设计模式，它提供了一种顺序访问聚合对象中元素的方法，而不需要暴露其底层表示。迭代器模式将遍历逻辑从聚合对象中分离出来，使得聚合对象可以专注于数据存储，而迭代器负责遍历。
为什么要迭代器模式？
在没有迭代器模式的情况下，客户端代码需要直接依赖书架的内部结构（如数组或列表）来遍历书籍。这种方式会导致遍历逻辑与书架类耦合。
// 书籍类
class Book {
private String name;
public Book(String name) {
this.name = name;
}
public String getName() {
return name;
}
}
// 书架类
class BookShelf {
private Book[] books;
private int size;
public BookShelf(int capacity) {
books = new Book[capacity];
size = 0;
}
public void addBook(Book book) {
if (size < books.length) {
books[size++] = book;
}
}
// 暴露内部数组
public Book[] getBooks() {
return books;
}
// 暴露书架大小
public int getSize() {
return size;
}
}
// 客户端代码
public class LibraryWithoutIterator {
public static void main(String[] args) {
BookShelf bookShelf = new BookShelf(3);
bookShelf.addBook(new Book("Design Patterns"));
bookShelf.addBook(new Book("Clean Code"));
bookShelf.addBook(new Book("Refactoring"));
// 直接依赖书架的内部结构（数组）进行遍历
Book[] books = bookShelf.getBooks();
for (int i = 0; i < bookShelf.getSize(); i++) {
System.out.println(books[i].getName());
}
}
}
存在的问题
- 耦合性强：客户端代码直接依赖书架的内部结构（数组），如果书架的存储结构改为链表，客户端代码也需要修改。
- 破坏封装性：书架类暴露了内部数据（数组和大小），客户端代码可以直接操作这些数据，可能导致数据不一致。
- 无法统一遍历接口：如果图书馆中有多种存储结构（如书架、电子书库等），客户端代码需要为每种结构编写特定的遍历逻辑。
怎么实现迭代器模式？
迭代器模式的组成：
- 迭代器接口（Iterator Interface）：定义了遍历元素所需的操作，如
next()、hasNext()等。 - 具体迭代器（Concrete Iterator）：实现迭代器接口，负责管理当前遍历的位置。
- 聚合接口（Aggregate Interface）：定义了创建迭代器的方法，如
createIterator()。 - 具体聚合类（Concrete Aggregate）：实现聚合接口，返回一个具体迭代器的实例。
【案例】图书管理 - 改
迭代器接口（Iterator Interface）：Iterator迭代器接口，定义遍历聚合对象所需的方法。
interface Iterator<T> {
boolean hasNext();
T next();
}
具体迭代器（Concrete Iterator）：BookShelfIterator 类，实现迭代器接口，负责管理当前遍历的位置，并实现具体的遍历逻辑。
// 具体迭代器
class BookShelfIterator implements Iterator<Book> {
private BookShelf bookShelf; // 关联的具体聚合类
private int currentIndex = 0; // 当前遍历的位置
// 构造函数，传入具体聚合类
public BookShelfIterator(BookShelf bookShelf) {
this.bookShelf = bookShelf;
}
@Override
public boolean hasNext() {
return currentIndex < bookShelf.getSize(); // 判断是否还有下一个元素
}
@Override
public Book next() {
Book book = bookShelf.getBookAt(currentIndex); // 获取当前元素
currentIndex++; // 移动游标
return book;
}
}
聚合接口（Aggregate Interface）: Aggregate接口，定义创建迭代器的方法。
// 聚合接口
interface Aggregate<T> {
Iterator<T> createIterator(); // 创建迭代器
}
具体聚合类（Concrete Aggregate）：BookShelf类，实现聚合接口，负责存储和管理数据，并提供创建迭代器的方法。
// 具体聚合类
class BookShelf implements Aggregate<Book> {
private Book[] books; // 存储书籍的数组
private int size; // 当前书籍数量
// 构造函数，初始化书架容量
public BookShelf(int capacity) {
books = new Book[capacity];
size = 0;
}
// 添加书籍
public void addBook(Book book) {
if (size < books.length) {
books[size++] = book;
}
}
// 获取指定位置的书籍
public Book getBookAt(int index) {
return books[index];
}
// 获取当前书籍数量
public int getSize() {
return size;
}
// 实现聚合接口，创建迭代器
@Override
public Iterator<Book> createIterator() {
return new BookShelfIterator(this); // 将当前书架对象传递给迭代器
}
}
Book类
class Book {
private String name;
public Book(String name) {
this.name = name;
}
public String getName() {
return name;
}
}
测试类
// 客户端代码
public class LibraryDemo {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个书架
BookShelf bookShelf = new BookShelf(3);
bookShelf.addBook(new Book("Design Patterns"));
bookShelf.addBook(new Book("Clean Code"));
bookShelf.addBook(new Book("Refactoring"));
// 创建迭代器
Iterator<Book> iterator = bookShelf.createIterator();
// 使用迭代器遍历书架
System.out.println("Books in BookShelf:");
while (iterator.hasNext()) {
Book book = iterator.next();
System.out.println(book.getName());
}
}
}
输出结果
Books in BookShelf:
Design Patterns
Clean Code
Refactoring
二、迭代器模式在源码中的运用
Java 集合框架（Java Collections Framework）
Java集合框架迭代器的使用
Java 的集合框架（如 ArrayList、LinkedList、HashSet 等）广泛使用了迭代器模式。每个集合类都实现了 Iterable 接口，并提供了 iterator() 方法来返回一个迭代器。
import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;
public class JavaCollectionExample {
public static void main(String[] args) {
List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("Apple");
list.add("Banana");
list.add("Cherry");
// 使用迭代器遍历集合
Iterator<String> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
System.out.println(iterator.next());
}
}
}
Java集合框架迭代器的源码实现
Iterable接口：定义了iterator()方法，用于返回一个迭代器。
public interface Iterable<T> {
Iterator<T> iterator();
}
Iterator接口：定义了遍历集合的方法，如hasNext()和next()。
public interface Iterator<E> {
boolean hasNext();
E next();
void remove(); // 可选操作
}
ArrayList中的迭代器实现：
public Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}
private class Itr implements Iterator<E> {
int cursor; // 当前遍历的位置
int lastRet = -1; // 上一次返回的元素索引
public boolean hasNext() {
return cursor != size;
}
public E next() {
// 返回当前元素，并移动游标
// ...
}
public void remove() {
// 删除上一次返回的元素
// ...
}
}
三、总结
迭代器模式的优点
- 解耦遍历逻辑与聚合对象：
- 将遍历逻辑从聚合对象中分离出来，聚合对象可以专注于数据存储，而迭代器负责遍历。
- 符合单一职责原则。
- 统一遍历接口：
- 提供了一种统一的方式来遍历不同类型的聚合对象（如数组、链表、树等）。
- 客户端代码无需关心聚合对象的内部结构。
- 支持多种遍历方式：
- 可以为同一个聚合对象定义多个迭代器，实现不同的遍历方式（如正序遍历、逆序遍历、深度优先遍历等）。
- 增强封装性：
- 隐藏了聚合对象的内部结构，客户端代码只能通过迭代器访问元素，无法直接操作聚合对象的内部数据。
- 开闭原则：
- 新增聚合类和迭代器类不会影响现有代码，易于扩展。
迭代器模式的缺点
- 增加复杂性：
- 对于简单的聚合对象，使用迭代器模式可能会增加代码复杂性。
- 如果遍历逻辑非常简单，直接使用 for 循环可能更直观。
- 性能开销：
- 迭代器模式可能会引入额外的性能开销，尤其是在遍历大型数据集时。
- 不适合频繁修改的聚合对象：
- 如果聚合对象在遍历过程中频繁修改（如添加或删除元素），可能会导致迭代器失效或抛出异常。
迭代器模式的典型应用场景
- 集合框架：
- Java 的集合框架（如 ArrayList、LinkedList、HashSet 等）广泛使用了迭代器模式。
- 文件系统遍历：
- 遍历文件系统中的目录和文件时，可以使用迭代器模式封装遍历逻辑。
- 数据库查询结果遍历：
- 遍历数据库查询结果集时，可以使用迭代器模式提供统一的遍历接口。
- 树形结构遍历：
- 遍历树形结构（如 DOM 树、组织结构树等）时，可以使用迭代器模式支持多种遍历方式（如深度优先遍历、广度优先遍历等）。