深入探索迭代器模式的原理与应用

迭代器模式

💻 迭代器模式 (Iterator Pattern) 是一种行为设计模式，它允许你顺序访问一个集合对象中的元素，而无需暴露其底层表示。在不同的数据结构中，如数组、链表或其他集合，它可以统一提供一种方式来逐个遍历这些元素。

主要组成部分和UML类图

1. Iterator 接口 ：定义遍历元素所需要的操作，如 hasNext() 和 next().
2. ConcreteIterator 具体迭代器 ：实现 Iterator 接口，负责具体遍历操作。
3. Aggregate 聚合接口 ：提供创建迭代器的方法 createIterator().
4. ConcreteAggregate 具体聚合类：实现聚合接口，包含实际元素集合，并返回迭代器实例。

生动案例理解：图书馆书架

情景：你走进图书馆，看到有许多不同的书架，每个书架有一排书。你想要逐一遍历每本书，但图书馆有不同种类的书架，它们的排列规则不同。使用迭代器模式，你可以通过同一个接口来遍历所有的书架，而无需关心每个书架的具体实现。

代码实现迭代器模式

让我们实现一个书架例子。书架有不同的书，通过迭代器，我们可以按顺序遍历这些书。

Step 1:定义书的类

lass Book {
    private String name;

    public Book(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }
}

作用 : 定义书的属性和构造函数，通过getName()方法可以获取书名。

Step 2:创建迭代器接口

interface BookIterator extends Iterator<Book> {
    boolean hasNext();
    Book next();
}

作用 : 定义迭代器的接口，提供了hasNext()和next()方法，用于遍历书籍。

Step 3: 具体的迭代器实现

// 第三步：具体迭代器实现类
class ShelfIterator implements BookIterator {
    private List<Book> books;
    private int position = 0;

    public ShelfIterator(List<Book> books) {
        this.books = books;
    }

    @Override
    public boolean hasNext() {
        return position < books.size();
    }

    @Override
    public Book next() {
        return books.get(position++);
    }
}

作用 : ShelfIterator是迭代器的具体实现类，内部维护了当前遍历的位置并提供具体的遍历实现

Step 4: 定义聚合接口

// 第四步：抽象聚合接口
interface BookShelf {
    BookIterator createIterator();
}

作用: 定义了一个抽象聚合接口，用于创建一个新的迭代器。

Step 5: 实现具体聚合类

// 第五步：具体聚合实现类
class LibraryShelf implements BookShelf {
    private List<Book> books;

    public LibraryShelf() {
        this.books = new ArrayList<>();
    }

    public void addBook(Book book) {
        this.books.add(book);
    }

    @Override
    public BookIterator createIterator() {
        return new ShelfIterator(books);
    }
}

作用 : LibraryShelf是具体的聚合类，管理书籍的集合，并提供创建迭代器的方法。

Step 6: 测试类

// 第六步：测试类
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        LibraryShelf shelf = new LibraryShelf();
        shelf.addBook(new Book("Effective Java"));
        shelf.addBook(new Book("Design Patterns"));
        shelf.addBook(new Book("Clean Code"));

        BookIterator iterator = shelf.createIterator();

        System.out.println("Traversing the book shelf:");
        while (iterator.hasNext()) {
            Book book = iterator.next();
            System.out.println("Book: " + book.getName());
        }
    }
}

输出结果

Traversing the book shelf:
Book: Effective Java
Book: Design Patterns
Book: Clean Code

通过这个案例，你可以看到迭代器模式如何解耦聚合对象和遍历逻辑，使得可以以统一的方式遍历不同的集合。

JDK源码中的应用

在JDK中，迭代器模式广泛用于Collection框架，特别是在List、Set和Map等数据结构中。让我们看看几个常见的示例：

java.util.Iterator

public interface Iterator<E> {
    boolean hasNext();
    E next();
    default void remove() {
        throw new UnsupportedOperationException("remove");
    }
}

应用 : Iterator接口是Java集合框架中的迭代器标准接口。几乎所有的集合类(ArrayList, HashSet, LinkedList)都实现了这个接口，用于提供遍历方法。

java.util.ArrayList 的迭代器实现

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    // ArrayList中的内部类实现了Iterator
    private class Itr implements Iterator<E> {
        int cursor;       // index of next element to return
        int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such

        public boolean hasNext() {
            return cursor != size();
        }

        public E next() {
            int i = cursor;
            if (i >= size)
                throw new NoSuchElementException();
            cursor = i + 1;
            return (E) elementData[lastRet = i];
        }

        public void remove() {
            // 删除操作
        }
    }

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

应用场景 : ArrayList 的 iterator() 方法返回的是内部类 Itr 的实例，Itr 实现了 Iterator 接口，通过 hasNext() 和 next() 方法来遍历 ArrayList 中的元素。

迭代器模式总结

优点🟢

1. 解耦集合与遍历：可以在不暴露集合内部表示的前提下遍历集合。
2. 统一遍历接口：无论集合的类型或内部实现如何，迭代器提供了一致的遍历接口。
3. 开闭原则：可以很容易地在不修改集合类的情况下扩展新类型的迭代器。
4. 单一职责：将遍历逻辑从集合类中分离出来，简化了集合类的职责。

缺点 🔴

1. 性能开销：迭代器模式通常需要额外的类来实现，可能会导致开销增加，尤其是对于大量的小型对象。
2. 复杂性增加：对简单的数据结构来说，使用迭代器模式可能会使代码更加复杂。

适用场景

• 遍历复杂数据结构：如树、图、链表等。迭代器可以隐藏这些数据结构的复杂性。
• 需要统一遍历接口的地方：例如在一个框架或库中，不同的数据结构都需要通过相同的接口遍历。
• 需要多种遍历方式：如从前到后、从后到前等，迭代器可以轻松扩展不同的遍历方式。