迭代器模式（Iterator Pattern）詳解

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一、迭代器模式簡介

迭代器模式（Iterator Pattern） 是一種 行為型設計模式（對象行為型模式），它提供了一種方法來順序訪問一個聚合對象中的各個元素，而無需暴露該對象的內部表示。換句話說，迭代器模式使得客戶端可以通過統一的方式來遍歷不同的集合類型（如數組、鏈表等），同時不需要了解這些集合的內部結構。

你可以把它想象成電視遙控器上的“下一個頻道”按鈕，無論你當前在觀看哪個頻道，按下這個按鈕都會帶你去到下一個頻道，而你并不需要知道電視臺是如何排列這些頻道的。

電視機 <- -> 存儲電視頻道的集合 <- -> 聚合類(Aggregate Classes)
電視機遙控器 <- -> 操作電視頻道 <- -> 迭代器(Iterator)
訪問一個聚合對象中的元素但又不需要暴露它的內部結構

聚合對象的兩個職責：

1. 存儲數據，聚合對象的基本職責
2. 遍歷數據，既是可變化的，又是可分離的

將遍歷數據的行為從聚合對象中分離出來，封裝在迭代器對象中
由迭代器來提供遍歷聚合對象內部數據的行為，簡化聚合對象的設計，更符合單一職責原則

迭代器模式：提供一種方法順序訪問一個聚合對象中各個元素，且不用暴露該對象的內部表示。

又名**游標(Cursor)**模式。

通過引入迭代器，客戶端無須了解聚合對象的內部結構即可實現對聚合對象中成員的遍歷，還可以根據需要很方便地增加新的遍歷方式。

迭代器模式包含以下4個角色：

Iterator（抽象迭代器）
ConcreteIterator（具體迭代器）
Aggregate（抽象聚合類）
ConcreteAggregate（具體聚合類）

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二、解決的問題類型

迭代器模式主要用于解決以下問題：

• 不同數據結構的遍歷方式不一致：比如數組和鏈表有不同的遍歷方式。
• 希望隱藏容器的內部實現細節：使客戶端代碼與具體的容器實現解耦。
• 支持多種遍歷方式：例如前序遍歷、中序遍歷、后序遍歷等。
• 為遍歷不同的聚合結構提供一個統一的接口：在該接口的實現類中為不同的聚合結構提供不同的遍歷方式，而客戶端可以一致性地操作該接口。
• 訪問一個聚合對象的內容而無須暴露它的內部表示

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三、使用場景

場景	示例
集合類庫	Java 的 ArrayList, HashSet 等都實現了 Iterable 接口
自定義集合類	當你需要為自定義的數據結構提供遍歷功能時
復雜數據結構	如樹形結構或圖結構

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四、核心概念

1. Iterator（迭代器接口）：定義了遍歷操作的方法，如 hasNext(), next(), 和可選的 remove()。
2. ConcreteIterator（具體迭代器）：實現了 Iterator 接口，負責管理當前遍歷的位置。
3. Aggregate（聚合接口）：定義了創建迭代器對象的方法 createIterator()。
4. ConcreteAggregate（具體聚合類）：實現了 Aggregate 接口，返回一個 ConcreteIterator 實例。

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五、實際代碼案例（Java）

1. 定義 Iterator 接口

// 迭代器接口
public interface Iterator<T> {boolean hasNext();T next();
}

2. 定義 ConcreteIterator 類

// 具體迭代器類
class NameIterator implements Iterator<String> {private String[] names;private int position = 0;public NameIterator(String[] names) {this.names = names;}@Overridepublic boolean hasNext() {return position < names.length;}@Overridepublic String next() {if (this.hasNext()) {return names[position++];} else {return null;}}
}

3. 定義 Aggregate 接口

// 聚合接口
public interface Aggregate {Iterator createIterator();
}

4. 定義 ConcreteAggregate 類

// 具體聚合類
class NameCollection implements Aggregate {private String[] names;public NameCollection(String[] names) {this.names = names;}@Overridepublic Iterator createIterator() {return new NameIterator(names);}
}

5. 客戶端測試類

public class Client {public static void main(String[] args) {String[] names = {"Alice", "Bob", "Charlie"};Aggregate collection = new NameCollection(names);Iterator iterator = collection.createIterator();while (iterator.hasNext()) {System.out.println(iterator.next());}}
}

輸出結果：

Alice
Bob
Charlie

典型代碼

典型的抽象迭代器代碼

interface Iterator
{void First(); //將游標指向第一個元素void Next(); //將游標指向下一個元素bool HasNext(); //判斷是否存在下一個元素object CurrentItem(); //獲取游標指向的當前元素
}

典型的具體迭代器代碼

class ConcreteIterator : Iterator
{private ConcreteAggregate objects; //維持一個對具體聚合對象的引用，以便于訪問存儲在聚合對象中的數據private int cursor; //定義一個游標，用于記錄當前訪問位置public ConcreteIterator(ConcreteAggregate objects) {this.objects = objects;}public void First() {  //實現代碼  }	public void Next() { //實現代碼  }public bool HasNext() {  //實現代碼}	public object CurrentItem(){  //實現代碼}
}

典型的抽象聚合類代碼

interface Aggregate
{Iterator CreateIterator();
}

典型的具體聚合類代碼

class ConcreteAggregate : Aggregate 
{......public Iterator CreateIterator() {return new ConcreteIterator(this);}......
}

其他案例

1. 某軟件公司為某商場開發了一套銷售管理系統，在對該系統進行分析
   AbstractObjectList類的方法與說明
   
   AbstractObjectList類的子類ProductList和CustomerList分別用于存儲商品數據和客戶數據。
   通過分析，發現AbstractObjectList類的職責非常重，它既負責存儲和管理數據，又負責遍歷數據，違背了單一職責原則，實現代碼將非常復雜。因此，開發人員決定使用迭代器模式對AbstractObjectList類進行重構，將負責遍歷數據的方法提取出來，封裝到專門的類中，實現數據存儲和數據遍歷分離，還可以給不同的具體數據集合類提供不同的遍歷方式。
   現給出使用迭代器模式重構后的解決方案。

2. 電視機遙控器
   電視機遙控器就是一個迭代器的實例，通過它可以實現對電視機頻道集合的遍歷操作，本實例我們將模擬電視機遙控器的實現。

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六、優缺點分析

優點	描述
? 簡化了集合的遍歷過程	提供了一致的遍歷接口，便于維護和擴展，
? 封裝性良好	隱藏了集合的內部結構，增強了安全性，簡化了聚合類
? 支持多種遍歷方式	可以為同一集合提供不同的迭代器實現,在同一個聚合對象上可以定義多種遍歷方式
其他	由于引入了抽象層，增加新的聚合類和迭代器類都很方便，無須修改原有代碼，符合開閉原則

缺點	描述
? 增加了系統復雜度	對于簡單的集合遍歷需求，引入迭代器模式可能顯得過于復雜。在增加新的聚合類時需要對應地增加新的迭代器類，類的個數成對增加。
? 性能開銷	創建迭代器實例會帶來額外的內存消耗
其他	抽象迭代器的設計難度較大，需要充分考慮到系統將來的擴展。在自定義迭代器時，創建一個考慮全面的抽象迭代器并不是一件很容易的事情

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七、與其他模式對比（補充）

模式名稱	目標
組合模式	處理樹形結構的遍歷
觀察者模式	當對象狀態變化時通知其他對象
迭代器模式	提供統一的遍歷接口

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八、最終小結

迭代器模式是一種非常實用的設計模式，特別適用于那些需要對不同類型的數據集合進行遍歷操作的場景。通過應用迭代器模式，我們不僅能夠簡化集合的遍歷邏輯，還能有效地將集合的具體實現細節與遍歷算法分離，從而提高代碼的靈活性和可維護性。

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📌 一句話總結：

迭代器模式就像一個通用的遙控器，無論你的電視節目單（集合）如何組織，都能按順序播放每一個節目（元素）。

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? 推薦使用方式：

• 在需要對多種類型的集合進行遍歷時；
• 希望保持集合類的封裝性，不讓外部直接訪問其內部結構時；
• 支持多種遍歷策略時。

部分內容由AI大模型生成，注意識別！