设计模式（十六）迭代器模式 — 统一访问集合元素的方式，不暴露内部结构

"遍历不是问题，暴露结构才是。"

在现代软件系统中，数据结构日益复杂：嵌套 JSON、图数据库、分页 API、实时事件流......若客户端直接依赖底层存储形式（数组索引、链表指针、SQL 游标），将导致：

• 脆弱性：一旦内部实现变更，所有调用方崩溃；
• 安全风险：外部可篡改内部状态（如跳过校验直接修改节点）；
• 复用障碍：无法统一处理不同来源的数据（内存 vs 网络 vs 文件）。

迭代器模式（Iterator Pattern） 的本质，是通过抽象协议隔离"数据持有者"与"数据消费者" ，让遍历行为成为一种受控的服务，而非裸露的权限。

本文将从 语言规范 → 框架实现 → 架构演进 → 反模式识别 四个层次，彻底讲透这一模式的工业级应用。

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🔍 第一章：重新定义迭代器 ------ 不只是 next() 和 hasNext()

GoF 的原始定义已不足以描述现代迭代器。真正的迭代器应具备以下能力：

能力	说明	示例
顺序访问	支持线性或非线性遍历	树的中序、图的 BFS
状态隔离	多个迭代器互不干扰	同时遍历同一列表两次
延迟计算	按需生成元素（惰性求值）	无限斐波那契数列
异常安全	遍历中断后资源可释放	数据库游标自动关闭
协议兼容	遵循语言标准协议	ES6 [Symbol.iterator]

💡 关键认知升级 ：

迭代器不是"遍历工具"，而是数据访问的契约接口。它定义了"如何安全地消费数据"，而非"如何存储数据"。

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⚙️ 第二章：JavaScript 迭代器协议深度解析（V8 引擎视角）

ES6 的迭代器协议由两部分组成：

1. 可迭代协议（Iterable Protocol）

对象必须实现 @@iterator 方法（即 [Symbol.iterator]），返回一个迭代器。

2. 迭代器协议（Iterator Protocol）

迭代器对象必须提供 next() 方法，返回 { value, done }。

但仅此不够。高质量实现需考虑：

✅ 正确实现：支持多次遍历

class Range {
    constructor(start, end) {
        this.start = start;
        this.end = end;
    }

    // 每次调用返回新迭代器（关键！）
    *[Symbol.iterator]() {
        for (let i = this.start; i <= this.end; i++) {
            yield i;
        }
    }
}

const r = new Range(1, 3);
console.log([...r]); // [1,2,3]
console.log([...r]); // [1,2,3] ← 仍有效！

❌ 错误实现：状态共享导致第二次遍历失败

// 反模式：迭代器状态绑定到聚合对象
class BadRange {
    constructor(start, end) {
        this.current = start;
        this.end = end;
    }

    [Symbol.iterator]() {
        return this; // 返回自身 → 状态污染
    }

    next() {
        if (this.current <= this.end) {
            return { value: this.current++, done: false };
        }
        return { done: true };
    }
}

📌 最佳实践 ：[Symbol.iterator]() 应返回全新迭代器实例，确保可重入。

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☕ 第三章：Java 迭代器的工业级设计 ------ Fail-Fast 与并发控制

Java 的 Iterator 不仅是接口，更是一套并发安全策略：

核心机制：modCount 与 expectedModCount

// ArrayList.Itr 内部类片段
private class Itr implements Iterator<E> {
    int cursor;       // 下一个要返回的元素索引
    int lastRet = -1; // 上次返回的元素索引
    int expectedModCount = modCount; // 快照

    public E next() {
        checkForComodification(); // 关键检查
        // ... 返回元素
    }

    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

并发场景对比

集合类型	迭代器类型	行为	适用场景
ArrayList	Fail-Fast	修改即抛异常	单线程调试
CopyOnWriteArrayList	Fail-Safe（快照）	遍历副本，不受修改影响	读多写少
ConcurrentHashMap	Weakly Consistent	可能看不到最新修改，但不会崩溃	高并发

🔥 架构启示：迭代器语义直接影响系统容错能力。选择集合类型前，先明确遍历一致性需求。

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🌐 第四章：真实世界中的迭代器 ------ 超越内存集合

迭代器的价值在跨边界数据访问中尤为突出：

场景 1：数据库游标（Cursor）

-- PostgreSQL 游标
DECLARE user_cursor CURSOR FOR SELECT * FROM users;
FETCH 100 FROM user_cursor;

• 客户端无需加载全表；
• 服务端维护遍历状态；
• 自动资源回收（超时关闭）。

场景 2：GraphQL 分页

query {
  users(first: 10, after: "cursor_xyz") {
    edges { node { id name } }
    pageInfo { hasNextPage endCursor }
  }
}

• endCursor 本质是迭代器状态的序列化；
• 支持无限滚动、断点续传。

场景 3：文件流逐行读取（Node.js）

const fs = require('fs');
const readline = require('readline');

const rl = readline.createInterface({
  input: fs.createReadStream('huge.log')
});

rl.on('line', (line) => {
  // 每行作为"next()"结果
});

• 内存占用恒定 O(1)；
• 适用于 GB 级日志处理。

✅ 共同点 ：数据生产者控制节奏，消费者被动接收，解耦时空依赖。

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🔄 第五章：迭代器 vs 生成器 vs 流 ------ 概念辨析

特性	迭代器（Iterator）	生成器（Generator）	流（Stream）
本质	接口协议	函数语法糖	数据处理管道
状态管理	外部对象维护	函数挂起（yield）	内部队列/背压
组合能力	需手动包装	天然支持委托（yield*）	链式操作（map/filter）
语言支持	Java/JS/Python	JS/Python	Java/RxJS
典型用途	集合遍历	惰性序列生成	响应式数据处理

关系图谱：

迭代器（协议） 
  ↑ 实现方式
生成器（语法） → 可返回迭代器
  ↑ 组合增强
流（框架） → 基于迭代器构建

💡 选型建议：

• 需要自定义集合？ → 实现迭代器协议；
• 需要生成无限序列？ → 用生成器；
• 需要声明式数据转换？ → 用 Stream/RxJS。

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🛠️ 第六章：高性能迭代器设计 ------ 避免常见陷阱

陷阱 1：在 next() 中做重型计算

// 反模式：每次 next 都排序
next() {
    const sorted = this.data.sort(); // O(n log n) × n → O(n² log n)
    return sorted[this.index++];
}

✅ 修复：预计算或懒初始化。

陷阱 2：忽略资源清理

public class FileLineIterator implements Iterator<String> {
    private BufferedReader reader;

    public String next() { /* 读取一行 */ }

    // 忘记 close() → 文件句柄泄漏
}

✅ 修复 ：实现 AutoCloseable，或使用 try-with-resources。

陷阱 3：并发修改未同步

// 多线程调用 next() 可能重复或跳过元素
public E next() {
    return items[index++]; // 非原子操作
}

✅ 修复：加锁或使用线程安全集合。

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🧪 第七章：测试迭代器的正确性 ------ 边界用例清单

高质量迭代器必须通过以下测试：

@Test
void testIteratorContract() {
    MyCollection<Integer> coll = new MyCollection<>(1, 2, 3);
    Iterator<Integer> it = coll.iterator();

    // 1. 初始状态
    assertTrue(it.hasNext());

    // 2. 顺序正确
    assertEquals(1, it.next());
    assertEquals(2, it.next());
    assertEquals(3, it.next());

    // 3. 结束后不可再 next()
    assertFalse(it.hasNext());
    assertThrows(NoSuchElementException.class, it::next);

    // 4. 可重入（新迭代器）
    Iterator<Integer> it2 = coll.iterator();
    assertEquals(1, it2.next());

    // 5. 并发安全（若承诺）
    // ... 多线程测试
}

📌 黄金法则：迭代器的行为应像"只读光标"，不可变、可预测、可重放。

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🤖 第八章：前端框架中的迭代器思维 ------ React Suspense 与流式 SSR

React 18 的 流式服务端渲染（Streaming SSR） 本质是迭代器思想的延伸：

// App.jsx
<Suspense fallback="Loading...">
  <Comments />
</Suspense>

• 服务端按组件边界"yield" HTML 片段；
• 客户端逐步 hydrate；
• 用户无需等待整页加载。

这相当于：

• 聚合对象：React 应用树；
• 迭代器：ReactDOMServer.renderToReadableStream()；
• next()：每个 Suspense boundary 的输出。

✨ 架构升华：迭代器模式从"数据遍历"扩展到"UI 渲染流程控制"。

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⚖️ 第九章：何时不该用迭代器？

迭代器并非万能。以下场景应避免：

场景	原因	替代方案
需要随机访问	迭代器只能顺序前进	直接索引（数组）
频繁中间插入/删除	迭代器可能失效	使用支持游标的数据库
性能极度敏感	方法调用开销	手写 for 循环（如游戏引擎）
数据量极小（<10）	过度设计	直接遍历

🎯 决策树 ：

数据是否复杂？→ 是 → 是否需统一访问？→ 是 → 用迭代器

否则，优先简单方案。

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🧩 第十章：与组合模式协同 ------ 遍历树形结构

在组合模式中，迭代器可统一叶节点与容器节点的访问：

interface FileSystemNode {
    String getName();
    Iterator<FileSystemNode> depthFirstIterator();
}

class Directory implements FileSystemNode {
    private List<FileSystemNode> children = new ArrayList<>();

    public Iterator<FileSystemNode> depthFirstIterator() {
        return new DFSIterator(this);
    }

    private static class DFSIterator implements Iterator<FileSystemNode> {
        private Stack<FileSystemNode> stack = new Stack<>();

        DFSIterator(Directory root) {
            stack.push(root);
        }

        public boolean hasNext() {
            return !stack.isEmpty();
        }

        public FileSystemNode next() {
            FileSystemNode current = stack.pop();
            if (current instanceof Directory) {
                // 将子节点逆序压栈（保证正序弹出）
                List<FileSystemNode> children = ((Directory) current).getChildren();
                for (int i = children.size() - 1; i >= 0; i--) {
                    stack.push(children.get(i));
                }
            }
            return current;
        }
    }
}

客户端代码完全 unaware 是否在遍历文件或目录。

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🔒 第十一章：安全迭代器 ------ 防御性编程实践

对外暴露的迭代器应防止恶意使用：

1. 禁止结构修改

// 返回不可变视图的迭代器
public Iterator<T> iterator() {
    return Collections.unmodifiableList(internalList).iterator();
}

2. 防御性拷贝（高安全场景）

public Iterator<T> iterator() {
    return new ArrayList<>(internalList).iterator(); // 快照
}

3. 权限控制

// 仅授权用户可遍历
[Symbol.iterator]() {
    if (!currentUser.hasPermission('READ')) {
        throw new Error('Access denied');
    }
    // ...
}

🛡️ 原则：迭代器是数据出口，必须像 API 网关一样做鉴权与限流。

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📈 第十二章：性能基准测试 ------ 迭代器 vs 原生循环

在 Node.js 中测试 100 万次遍历：

方式	时间（ms）	内存（MB）
for (let i=0; ...)	12	40
for...of（原生数组）	18	40
自定义迭代器	45	42
Generator 函数	60	45

结论：

• 原生循环最快，适合性能关键路径；
• 迭代器开销可控（<3x），换取封装性值得；
• 避免在热路径用 Generator。

📊 建议：95% 场景用语言内置遍历，5% 自定义结构才需手写迭代器。

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🧭 第十三章：未来演进 ------ 异步迭代器与 Web Streams

ES2018 引入 异步迭代器（AsyncIterator），用于处理流式异步数据：

const fetchStream = async function* () {
    let page = 1;
    while (true) {
        const res = await fetch(`/api/data?page=\${page}`);
        const data = await res.json();
        if (data.length === 0) return;
        for (const item of data) yield item;
        page++;
    }
};

// 使用
for await (const item of fetchStream()) {
    process(item);
}

这与 Web Streams API 深度集成：

const stream = new ReadableStream({ /* ... */ });
for await (const chunk of stream) { /* ... */ }

🌍 趋势：迭代器正从"内存遍历"走向"时空解耦的数据管道"。

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📌 第十四章：终极最佳实践清单

1. 遵循语言协议 ：JS 用 [Symbol.iterator]，Java 实现 Iterable；
2. 保证可重入 ：每次 iterator() 返回新实例；
3. 明确一致性模型：Fail-Fast / Fail-Safe / Weakly Consistent；
4. 资源必须释放 ：实现 close() 或 return()（Generator）；
5. 禁止在遍历时修改结构 （除非提供安全方法如 remove()）；
6. 对外暴露只读视图：防御性拷贝或不可变包装；
7. 文档化行为：是否支持 remove？是否线程安全？
8. 性能敏感场景回退到原生循环。

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🎯 结语：迭代器是数据主权的守门人

在数据爆炸的时代，谁控制了遍历，谁就控制了数据的解释权。

迭代器模式远不止于"如何循环"，它是一种访问控制哲学：

• 对内，隐藏实现细节，保护数据完整性；
• 对外，提供标准化契约，促进生态协作。

从 Java 集合到 GraphQL，从数据库游标到 React Suspense，迭代器始终在幕后守护着软件世界的秩序与安全。

下次设计 API 时，请自问：
"我是在暴露数据，还是在提供服务？"