设计模式 18 迭代器模式 Iterator Pattern

1.定义

迭代器模式 (Iterator Pattern) 是一种行为型设计模式，它提供了一种访问集合元素的标准方法，而无需暴露集合的内部表示。

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

核心思想来自将遍历集合的逻辑从集合本身中分离出来，封装到一个独立的迭代器对象中。
迭代器对象负责维护遍历的当前位置，并提供访问下一个元素的方法。

想象一个书架，上面摆满了书籍。如果你想阅读这些书籍，你可以选择不同的方式：

• 直接访问: 你直接走到书架前，从最左边开始一本一本地拿书阅读。
• 使用书签: 你用书签标记当前阅读的位置，下次阅读时直接从书签处开始。

2.内涵

迭代器模式就像使用书签一样，它提供了一种间接访问集合元素的方式：

迭代器对象: 就像书签，它记录了当前访问的位置。

• next() 方法: 就像翻到下一页，它返回下一个元素。
• hasNext() 方法: 就像判断是否有下一页，它判断是否还有下一个元素。

3.案例分析

/Iterator Design Pattern/include <iostream>
include <string>
include <vector>template <typename T, typename U>
class Iterator {public:typedef typename std::vector<T>::iterator iter_type;Iterator(U p_data, bool reverse = false) : m_p_data_(p_data) {m_it_ = m_p_data_->m_data_.begin();}void First() {m_it_ = m_p_data_->m_data_.begin();}void Next() {m_it_++;}bool IsDone() {return (m_it_ == m_p_data_->m_data_.end());}iter_type Current() {return m_it_;}private:U m_p_data_;iter_type m_it_;
};template <class T>
class Container {friend class Iterator<T, Container>;public:void Add(T a) {m_data_.push_back(a);}Iterator<T, Container> CreateIterator() {return new Iterator<T, Container>(this);}private:std::vector<T> m_data_;
};class Data {public:Data(int a = 0) : m_data_(a) {}void set_data(int a) {m_data_ = a;}int data() {return m_data_;}private:int m_data_;
};void ClientCode() {std::cout << "________________Iterator with int______________________________________" << std::endl;Container<int> cont;for (int i = 0; i < 10; i++) {cont.Add(i);}Iterator<int, Container<int>> it = cont.CreateIterator();for (it->First(); !it->IsDone(); it->Next()) {std::cout << it->Current() << std::endl;}Container<Data> cont2;Data a(100), b(1000), c(10000);cont2.Add(a);cont2.Add(b);cont2.Add(c);std::cout << "________________Iterator with custom Class______________________________" << std::endl;Iterator<Data, Container<Data>> it2 = cont2.CreateIterator();for (it2->First(); !it2->IsDone(); it2->Next()) {std::cout << it2->Current()->data() << std::endl;}delete it;delete it2;
}int main() {ClientCode();return 0;
}

上述代码 uml 类图如下

4.注意事项

     迭代器模式 Iterator Pattern 使用时需要注意什么？

    使用迭代器模式时，需要注意以下几点：

    1. 迭代器状态的维护:

     迭代器对象需要维护当前遍历的位置，确保每次调用 `next()` 方法都能返回下一个元素。
     迭代器对象需要处理遍历结束的情况，例如在 `hasNext()` 方法中返回 `false`，或在 `next()` 方法中抛出异常。

    2. 迭代器的类型:

     迭代器可以是内部迭代器，也称为迭代器方法，它将遍历逻辑封装在集合类内部，例如 Java 中的 `forEach` 方法。
     迭代器可以是外部迭代器，它是一个独立的类，负责遍历集合，例如 Java 中的 `Iterator` 接口。

    3. 迭代器的可复用性:

     迭代器对象通常是不可复用的，因为它们维护了遍历状态。
     如果需要多次遍历同一个集合，需要创建新的迭代器对象。

    4. 迭代器的并发访问:

     如果多个线程同时访问同一个迭代器对象，可能会导致数据不一致或异常。
     在并发环境中使用迭代器时，需要进行同步处理，例如使用锁机制来保护迭代器对象。

    5. 迭代器的性能:

     迭代器的性能取决于集合的类型和迭代器的实现方式。
     对于一些集合类型，例如链表，迭代器可能比直接访问元素效率低。

    6. 迭代器的灵活性:

     迭代器模式可以提供灵活的遍历方式，例如正序、逆序、随机访问等。
     可以根据需要自定义迭代器，实现不同的遍历逻辑。

    总结:

    迭代器模式是一种强大的设计模式，它可以简化对集合的遍历操作，并提供灵活的遍历方式。在使用迭代器模式时，需要关注迭代器状态的维护、类型、可复用性、并发访问和性能等方面，以确保代码的正确性和效率。

5.最佳实践

在使用迭代器模式时，除了前面提到的需要注意的地方，还需要遵循以下经验：

1. 明确迭代器职责

迭代器应该只负责遍历集合，不应该包含其他操作，例如修改集合元素。
如果需要修改集合元素，应该使用专门的方法，而不是通过迭代器来实现。

2. 保持迭代器简单

迭代器应该尽可能简单易懂，避免过度设计。
迭代器应该只包含必要的操作，例如 hasNext()、next() 等。

3. 考虑迭代器的性能

如果需要频繁遍历集合，应该选择性能较高的迭代器实现。
对于一些特殊类型的集合，例如链表，可能需要使用自定义迭代器来提高性能。

4. 避免迭代器中的副作用

迭代器不应该修改集合的状态，例如添加或删除元素。
如果需要修改集合，应该使用专门的方法，而不是通过迭代器来实现。

5. 使用迭代器模式的最佳实践

优先使用语言提供的内置迭代器，例如 Java 中的 Iterator 接口。
如果需要自定义迭代器，应该遵循迭代器模式的规范，并提供必要的操作。
避免在迭代器中使用 break 或 continue 语句，因为它们会破坏迭代器的正常逻辑。

6. 迭代器与并发

在并发环境中使用迭代器时，需要格外小心，因为多个线程可能会同时访问同一个迭代器对象。
如果需要在并发环境中使用迭代器，应该使用线程安全的迭代器实现，例如 Java 中的 ConcurrentIterator 接口。

6.总结

        迭代器模式是一种非常实用的设计模式，它可以帮助我们简化对集合的遍历操作，并提高代码的可读性和可维护性。在使用迭代器模式时，遵循以上经验可以帮助我们写出更加健壮和高效的代码。

7.行为模式汇总图