16.迭代器模式设计思想

目录介绍

01.迭代器模式基础
- 1.1 迭代器模式由来
- 1.2 迭代器模式定义
- 1.3 迭代器模式场景
- 1.4 迭代器模式思考
- 1.5 主要解决的问题
02.迭代器模式原理
- 2.1 罗列一个场景
- 2.2 用例子理解迭代器
- 2.3 案例实现过程
- 2.4 迭代器实现步骤
03.迭代器模式结构
- 3.1 迭代器标准案例
- 3.2 迭代器模式结构图
- 3.3 迭代器模式时序图
04.迭代器模式案例
- 4.1 Java中Iterator接口
- 4.2 迭代器遍历案例
- 4.3 遍历时不建议删除元素
- 4.4 for循环VS迭代器
- 4.5 迭代器原理介绍
- 4.6 迭代器模式优势
05.迭代器者模式分析
- 5.1 迭代器模式优点
- 5.2 迭代器模式缺点
- 5.3 适用环境
- 5.4 思考题考察
06.观察者模式总结
- 6.1 总结一下学习
- 6.2 更多内容推荐

01.迭代器模式基础

1.1 迭代器模式由来

容器的种类有很多种，比如ArrayList、LinkedList、HashSet...

每种容器都有自己的特点，ArrayList底层维护的是一个数组；LinkedList是链表结构的；HashSet依赖的是哈希表，每种容器都有自己特有的数据结构。
因为容器的内部结构不同，很多时候可能不知道该怎样去遍历一个容器中的元素。所以为了使对容器内元素的操作更为简单，Java引入了迭代器模式！

不同的集合会对应不同的遍历方法，客户端代码无法复用。在实际应用中如何将两个不同集合整合是相当麻烦的。

所以才有Iterator，它总是用同一种逻辑来遍历集合。使得客户端自身不需要来维护集合的内部结构，所有的内部状态都由Iterator来维护。

1.2 迭代器模式定义

迭代器模式为遍历集合中的元素提供了一种通用接口。

其核心思想是，将集合的遍历逻辑与集合对象的实现分离。通过迭代器，客户端代码无需关心集合的底层实现方式（如数组、链表等），就能顺序地访问集合的每一个元素。

1.3 迭代器模式场景

典型场景如下所示：

Java 集合框架：Java 的 Iterator 接口是迭代器模式的一个经典实现。诸如 List、Set 等集合类都支持使用迭代器来遍历元素。
文件处理：处理文件中的多行内容时，可以使用迭代器模式来顺序读取每一行，而不需要在意底层文件如何存储。
数据库结果集遍历：数据库查询返回的结果集可以通过迭代器模式逐条访问，不必关心结果集的存储细节。

1.4 迭代器模式思考

以下是一些关于迭代器模式的思考：

遍历过程中的修改：在使用迭代器遍历集合时，如果需要对集合进行修改，可能会引发一些问题。
封装集合：迭代器模式允许将集合的内部实现细节隐藏起来，只暴露一个统一的迭代器接口。

1.5 主要解决的问题

迭代器模式主要解决以下问题：

隐藏集合的内部结构：迭代器模式允许客户端代码遍历集合中的元素，而无需了解集合的内部结构。
统一遍历接口：迭代器模式定义了一个统一的迭代器接口，提高代码复用性和可读性。
安全地遍历集合：迭代器模式可以确保在遍历集合时不会对集合的结构造成破坏。
支持并发遍历：在多线程环境下，使用迭代器模式可以支持并发遍历集合。

02.迭代器模式原理

2.1 罗列一个场景

用 Java 代码实现一个简单的迭代器模式示例，场景为遍历一个字符串集合。

2.2 用例子理解迭代器

2.3 案例实现过程

1 迭代器接口，定义了遍历集合的方法

interface Iterator<T> {
   
    boolean hasNext();
    T next();
}

2 集合接口，定义了创建迭代器的方法

interface Aggregate<T> {
   
    Iterator<T> createIterator();
}

3 具体的集合类，包含一个字符串数组

class ConcreteAggregate implements Aggregate<String> {
   
    private String[] items;
    private int size;

    public ConcreteAggregate(int size) {
   
        this.size = size;
        items = new String[size];
        for (int i = 0; i < size; i++) {
   
            items[i] = "Item " + (i + 1);
        }
    }

    // 创建具体的迭代器
    @Override
    public Iterator<String> createIterator() {
   
        return new ConcreteIterator(this);
    }

    // 获取集合的大小
    public int getSize() {
   
        return size;
    }

    // 通过索引获取集合中的元素
    public String getItem(int index) {
   
        if (index < size) {
   
            return items[index];
        }
        return null;
    }
}

4 具体的迭代器类，负责遍历字符串集合

class ConcreteIterator implements Iterator<String> {
   
    private ConcreteAggregate aggregate;
    private int currentIndex = 0;

    public ConcreteIterator(ConcreteAggregate aggregate) {
   
        this.aggregate = aggregate;
    }

    // 判断是否还有下一个元素
    @Override
    public boolean hasNext() {
   
        return currentIndex < aggregate.getSize();
    }

    // 获取下一个元素
    @Override
    public String next() {
   
        return aggregate.getItem(currentIndex++);
    }
}

5 测试迭代器模式

public class IteratorPatternDemo {
   
    public static void main(String[] args) {
   
        // 创建具体集合
        ConcreteAggregate aggregate = new ConcreteAggregate(5);

        // 创建迭代器
        Iterator<String> iterator = aggregate.createIterator();

        // 使用迭代器遍历集合
        while (iterator.hasNext()) {
   
            System.out.println(iterator.next());
        }
    }
}

ConcreteAggregate：表示一个具体的集合，内部存储若干个字符串，并且实现了 Aggregate 接口，提供创建迭代器的功能。

ConcreteIterator：实现 Iterator 接口，内部持有对集合的引用，负责遍历集合中的元素。

IteratorPatternDemo：测试类，创建集合对象，并使用迭代器逐一访问集合中的元素。

2.4 迭代器实现步骤

Iterator（迭代器接口）：定义了访问集合元素的方法。通常包括以下常见操作：
- hasNext()：检查是否还有下一个元素。
- next()：返回集合中的下一个元素。
- remove()：删除当前元素（可选）。
ConcreteIterator（具体迭代器类）：实现 Iterator 接口，负责遍历具体集合中的元素。
Aggregate（集合接口）：定义创建迭代器的接口。集合类通常提供一个 createIterator() 方法，用于返回一个 Iterator 对象。
ConcreteAggregate（具体集合类）：实现集合接口，包含若干元素，并能够生成相应的迭代器对象。
Client（客户端）：使用迭代器的地方。

03.迭代器模式结构

3.1 迭代器标准案例

3.2 迭代器模式结构图

角色职责说明

Aggregate：定义了创建迭代器的接口，负责管理集合中的元素。
ConcreteAggregate：具体的集合类，实现了创建迭代器的接口，并持有具体的数据。
Iterator：定义了用于遍历集合的方法。
ConcreteIterator：负责具体的迭代操作，内部维护一个指针来跟踪当前访问的元素。

3.3 迭代器模式时序图

04.迭代器模式案例

4.1 Java中Iterator接口

看看Java中的Iterator接口是如何实现的。在Java中Iterator为一个接口，它只提供了迭代的基本规则。

package java.util;
public interface Iterator<E> {
   
    boolean hasNext();//判断是否存在下一个对象元素
    E next();//获取下一个元素
    void remove();//移除元素
}

Iterable，Java中还提供了一个Iterable接口，Iterable接口实现后的功能是‘返回’一个迭代器

我们常用的实现了该接口的子接口有:Collection、List、Set等。该接口的iterator()方法返回一个标准的Iterator实现。实现Iterable接口允许对象成为Foreach语句的目标。就可以通过foreach语句来遍历你的底层序列。

Iterable接口包含一个能产生Iterator对象的方法，并且Iterable被foreach用来在序列中移动。因此如果创建了实现Iterable接口的类，都可以将它用于foreach中。

Iterable接口的具体实现:

import java.util.Iterator;
public interface Iterable<T> {
   
    Iterator<T> iterator();
}

4.2 迭代器遍历案例

如果要问Java中使用最多的一种模式，答案不是单例模式，也不是工厂模式，更不是策略模式，而是迭代器模式，先来看一段代码吧：

public static void print(Collection coll){
     
    Iterator it = coll.iterator();  
    while(it.hasNext()){
     
        String str = (String)it.next();  
        System.out.println(str);  
    }  
}

这个方法的作用是循环打印一个字符串集合，里面就用到了迭代器模式

java语言已经完整地实现了迭代器模式，例如List，Set，Map，而迭代器的作用就是把容器中的对象一个一个地遍历出来。

4.3 遍历时不建议删除元素

Iterator遍历时不可以删除集合中的元素问题。在使用Iterator的时候禁止对所遍历的容器进行改变其大小结构的操作。

例如:在使用Iterator进行迭代时，如果对集合进行了add、remove操作就会出现ConcurrentModificationException异常。

在你迭代之前，迭代器已经被通过list.iterator()创建出来了，如果在迭代的过程中，又对list进行了改变其容器大小的操作，那么Java就会给出异常。

因为此时Iterator对象已经无法主动同步list做出的改变，Java会认为你做出这样的操作是线程不安全的，就会给出善意的提醒（抛出ConcurrentModificationException异常）

List<String> list = new ArrayList<String>();
list.add("张三1");
list.add("张三2");
list.add("张三3");
list.add("张三4");
//……
list.add("张三N");

//使用迭代器遍历ArrayList集合
Iterator<String> listIt = list.iterator();
while(listIt.hasNext()){
   
    Object obj = listIt.next();
    if(obj.equals("张三100")){
   
        list.remove(obj);
    }
}

看一下ArrayList中的源码，看看迭代器中next和remove的实现方法代码。

public Iterator<E> iterator() {
   
    return new Itr();
}

/**
 * An optimized version of AbstractList.Itr
 */
private class Itr implements Iterator<E> {
   
    // Android-changed: Add "limit" field to detect end of iteration.
    // The "limit" of this iterator. This is the size of the list at the time the
    // iterator was created. Adding & removing elements will invalidate the iteration
    // anyway (and cause next() to throw) so saving this value will guarantee that the
    // value of hasNext() remains stable and won't flap between true and false when elements
    // are added and removed from the list.
    protected int limit = ArrayList.this.size;

    int cursor;       // index of next element to return
    int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
    int expectedModCount = modCount;

    public boolean hasNext() {
   
        return cursor < limit;
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E next() {
   
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
        int i = cursor;
        if (i >= limit)
            throw new NoSuchElementException();
        Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
        if (i >= elementData.length)
            throw new ConcurrentModificationException();
        cursor = i + 1;
        return (E) elementData[lastRet = i];
    }

    public void remove() {
   
        if (lastRet < 0)
            throw new IllegalStateException();
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();

        try {
   
            ArrayList.this.remove(lastRet);
            cursor = lastRet;
            lastRet = -1;
            expectedModCount = modCount;
            limit--;
        } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
   
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

    @Override
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public void forEachRemaining(Consumer<? super E> consumer) {
   
        Objects.requireNonNull(consumer);
        final int size = ArrayList.this.size;
        int i = cursor;
        if (i >= size) {
   
            return;
        }
        final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
        if (i >= elementData.length) {
   
            throw new ConcurrentModificationException();
        }
        while (i != size && modCount == expectedModCount) {
   
            consumer.accept((E) elementData[i++]);
        }
        // update once at end of iteration to reduce heap write traffic
        cursor = i;
        lastRet = i - 1;

        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

查看源码发现原来检查并抛出异常的是 checkForComodification() 方法。在ArrayList中modCount是当前集合的版本号，每次修改(增、删)集合都会加1；expectedModCount是当前迭代器的版本号，在迭代器实例化时初始化为modCount。

我们看到在checkForComodification()方法中就是在验证modCount的值和expectedModCount的值是否相等，所以当你在调用了ArrayList.add()或者ArrayList.remove()时，只更新了modCount的状态，而迭代器中的expectedModCount未同步，因此才会导致再次调用Iterator.next()方法时抛出异常。

但是为什么使用Iterator.remove()就没有问题呢？通过源码的第32行发现，在Iterator的remove()中同步了expectedModCount的值，所以当你下次再调用next()的时候，检查不会抛出异常。

使用该机制的主要目的是为了实现ArrayList中的快速失败机制（fail-fast），在Java集合中较大一部分集合是存在快速失败机制的。

快速失败机制产生的条件:当多个线程对Collection进行操作时，若其中某一个线程通过Iterator遍历集合时，该集合的内容被其他线程所改变，则会抛出ConcurrentModificationException异常。

所以要保证在使用Iterator遍历集合的时候不出错误，就应该保证在遍历集合的过程中不会对集合产生结构上的修改。

4.4 for循环VS迭代器

for循环与迭代器的对比，效率上各有各的优势:

ArrayList对随机访问比较快，而for循环中使用的get()方法，采用的即是随机访问的方法，因此在ArrayList里for循环快。
LinkedList则是顺序访问比较快，Iterator中的next()方法采用的是顺序访问方法，因此在LinkedList里使用Iterator较快。

4.5 迭代器原理介绍

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

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。

4.6 迭代器模式优势

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：

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()既移动游标又返回数据
}

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。
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。

05.迭代器者模式分析

5.1 迭代器模式优点

①简化了遍历方式，对于对象集合的遍历，还是比较麻烦的，对于数组或者有序列表，我们尚可以通过游标来取得，但用户需要在对集合了解很清楚的前提下，自行遍历对象，但是对于hash表来说，用户遍历起来就比较麻烦了。而引入了迭代器方法后，用户用起来就简单的多了。
②可以提供多种遍历方式，比如说对有序列表，我们可以根据需要提供正序遍历，倒序遍历两种迭代器，用户用起来只需要得到我们实现好的迭代器，就可以方便的对集合进行遍历了。
③封装性良好，用户只需要得到迭代器就可以遍历，而对于遍历算法则不用去关心。

5.2 迭代器模式缺点

对于比较简单的遍历（像数组或者有序列表），使用迭代器方式遍历较为繁琐，大家可能都有感觉，像ArrayList，我们宁可愿意使用for循环和get方法来遍历集合。

5.3 适用环境

需要顺序访问集合对象的元素，但又不想暴露集合的底层实现。比如：有时我们希望从列表、栈、队列等数据结构中提取数据，但不希望直接操作这些数据结构的内部。
支持多种遍历方式。迭代器模式不仅仅能实现前向遍历，还可以实现其他方式的遍历，如双向遍历、逆序遍历等。
希望为不同的集合对象提供统一的遍历接口。无论是链表、数组，还是自定义的复杂数据结构，迭代器模式可以提供一种统一的遍历接口。

5.4 思考题考察

06.观察者模式总结

6.1 总结一下学习

迭代器模式，也叫游标模式。它用来遍历集合对象。这里说的“集合对象”，我们也可以叫“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。

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。

容器中需要定义 iterator() 方法，用来创建迭代器。迭代器接口中需要定义 hasNext()、currentItem()、next() 三个最基本的方法。容器对象通过依赖注入传递到迭代器类中。

6.2 更多内容推荐

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23种设计模式 & 描述 & 核心作用	包括
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行为型模式特别关注对象之间的通信。主要解决的就是“类或对象之间的交互”问题	责任链模式（Chain of Responsibility Pattern）命令模式（Command Pattern）解释器模式（Interpreter Pattern）迭代器模式（Iterator Pattern）中介者模式（Mediator Pattern）备忘录模式（Memento Pattern）观察者模式（Observer Pattern）状态模式（State Pattern）空对象模式（Null Object Pattern）策略模式（Strategy Pattern）模板模式（Template Pattern）访问者模式（Visitor Pattern）

6.3 更多内容

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