Java设计模式之java迭代器模式详解
作者：大忽悠爱忽悠
前言
很早之前，我们的电视调节频道是需要用电视上的按钮去控制的，那时并没有遥控器，如果我们想要调台，只能一次又一次的拧按钮。
越来越高级的电视机相继出现，现在的电话机，我们有了电视遥控器，我们使用电视遥控器来调台，这个时候，无需直接操作电视。
我们可以将电视机看成一个存储电视频道的集合对象，通过遥控器可以对电视机中的电视频道集合进行操作，如返回上一个频道、跳转到下一个频道或者跳转至指定的频道。遥控器为我们操作电视频道带来很大的方便，用户并不需要知道这些频道到底如何存储在电视机中。
介绍
迭代器模式(Iterator Pattern)：提供一种方法来访问聚合对象，而不用暴露这个对象的内部表示，其别名为游标(Cursor)。迭代器模式是一种对象行为型模式。
角色
Iterator（抽象迭代器）：它定义了访问和遍历元素的接口，声明了用于遍历数据元素的方法，例如：用于获取第一个元素的first()方法，用于访问下一个元素的next()方法，用于判断是否还有下一个元素的hasNext()方法，用于获取当前元素的currentItem()方法等，在具体迭代器中将实现这些方法。
ConcreteIterator（具体迭代器）：它实现了抽象迭代器接口，完成对聚合对象的遍历，同时在具体迭代器中通过游标来记录在聚合对象中所处的当前位置，在具体实现时，游标通常是一个表示位置的非负整数。
Aggregate（抽象聚合类）：它用于存储和管理元素对象，声明一个createIterator()方法用于创建一个迭代器对象，充当抽象迭代器工厂角色。
ConcreteAggregate（具体聚合类）：它实现了在抽象聚合类中声明的createIterator()方法，该方法返回一个与该具体聚合类对应的具体迭代器ConcreteIterator实例。
在迭代器模式中，提供了一个外部的迭代器来对聚合对象进行访问和遍历，迭代器定义了一个访问该聚合元素的接口，并且可以跟踪当前遍历的元素，了解哪些元素已经遍历过而哪些没有。迭代器的引入，将使得对一个复杂聚合对象的操作变得简单。
迭代器模式中的工厂模式
在迭代器模式中应用了工厂方法模式，抽象迭代器对应于抽象产品角色，具体迭代器对应于具体产品角色，抽象聚合类对应于抽象工厂角色，具体聚合类对应于具体工厂角色。
学院遍历的案例
编写程序展示一个学校院系结构：需求是这样，要在一个页面中展示出学校的院系 组成， 一个学校有多个学院，一个学院有多个系。
分析
每一个学院都有添加系的功能，如果我们将遍历的方法hasNext() next()等写入。这将导致聚合类的职责过重，它既负责存储和管理数据，又负责遍历数据，违反了“单一职责原则”，由于聚合类非常庞大，实现代码过长，还将给测试和维护增加难度。
那么这个时候，我们也许会这样想，因为有多个学院，我们不妨将学院封装为接口，但是在这个接口中充斥着大量方法，不利于子类实现，违反了“接口隔离原则”。
解决方案
解决方案之一就是将聚合类中负责遍历数据的方法提取出来，封装到专门的类中，实现数据存储和数据遍历分离，无须暴露聚合类的内部属性即可对其进行操作，而这正是迭代器模式的意图所在。
基本介绍
- 迭代器模式（Iterator Pattern）是常用的设计模式，属于行为型模式
- 如果我们的集合元素是用不同的方式实现的，有数组，还有java的集合类，或者还有其他方式，当客户端要遍历这些集合元素的时候就要使用多种遍历 方式，而且还会暴露元素的内部结构，可以考虑使用迭代器模式解决。
- 迭代器模式，提供一种遍历集合元素的统一接口，用一致的方法遍历集合元素， 不需要知道集合对象的底层表示，即：不暴露其内部的结构。
原理类图
上面案例的类图
案例实现代码
顶层迭代器接口为Java内部提供的Iterator接口:
计算机学院迭代器类，负责遍历计算机学院类下面的系集合
public class ComputerCollegeIterator implements Iterator {
//以数组的方式存放计算机学院下面的各个系
private Department[] departments;
//当前遍历到的位置
private Integer position=0;
//通过构造器获得要遍历的集合
public ComputerCollegeIterator(Department[] departments)
{
this.departments=departments;
}
//判断是否还存在下一个元素
@Override
public boolean hasNext() {
if(position>departments.length-1||departments[position]==null)
{
return false;
}
return true;
}
//返回下一个元素
@Override
public Object next() {
return departments[position++];
}
//删除的方法默认空实现
@Override
public void remove()
{}
}
信息学院迭代器类，负责遍历信息学院下面的系集合
//信息学院
public class InfoCollegeIterator implements Iterator
{
//以list的方式存放系
private List<Department> departments;
//索引
private Integer index=0;
//构造器得到要遍历的集合
InfoCollegeIterator(List<Department> departments)
{
this.departments=departments;
}
//判断list集合中是否还有下一个元素
@Override
public boolean hasNext() {
if(index>departments.size()-1)
{
return false;
}
return true;
}
@Override
public Object next() {
return departments.get(index++);
}
@Override
public void remove() {
}
}
这里对应的各个学院的迭代器类，单独负责遍历当前学院下面系集合的逻辑
这里的优化措施可以将两个迭代器里面重复内容抽取出来，放到CollegeIterator类里面进行默认实现，该类继承Iterator接口，而上面两个学院迭代器类继承该默认实现类
迭代器遍历集合里面存放的元素:
@Data
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
//学院下面的各个系--也是迭代器需要遍历的对象
public class Department
{
private String name;//名字
private Integer score;//分数线
}
顶层抽象学院接口
//抽象学院接口
public interface College
{
//获取当前系的名字
void getName();
//增加系
void addDepartment(String name,Integer score);
//返回一个迭代器，负责遍历
Iterator createIterator();
}
计算机学院，管理学院下面的各个系
public class ComputerCollege implements College{
//数组默认大小为10
private Department[] departments=new Department[10];
private Integer numOfDepartment=0;//当前数组中保存的对象个数
@Override
public void getName() {
System.out.println("计算机学院");
}
//获取到对应的系集合
public ComputerCollege(Department[] departments)
{
int i=0;
for (Department department : departments) {
this.departments[i++]=department;
}
}
//增加系
@Override
public void addDepartment(String name,Integer score)
{
Department department=new Department(name,score);
departments[numOfDepartment++]=department;
}
//创建对应的迭代器，并传入要遍历的集合给迭代器
@Override
public Iterator createIterator() {
return new ComputerCollegeIterator(departments);
}
}
信息学院，负责管理下面的各个系:
//信息学院
public class InfoCollegeIterator implements Iterator
{
//以list的方式存放系
private List<Department> departments;
//索引
private Integer index=0;
InfoCollegeIterator(List<Department> departments)
{
this.departments=departments;
}
//判断list集合中是否还有下一个元素
@Override
public boolean hasNext() {
if(index>departments.size()-1)
{
return false;
}
return true;
}
@Override
public Object next() {
return departments.get(index++);
}
@Override
public void remove() {
}
}
输出类，主要负责输出功能:
public class OutputImp
{
//学院集合
private List<College> collegeList;
public OutputImp(List<College> collegeList)
{
this.collegeList=collegeList;
}
//输出所有学院，以及学院下面的所有系
public void printColleges()
{
//获取到遍历学院集合需要用到的迭代器
//list集合实现了iterator接口
Iterator<College> collegeIterator = collegeList.iterator();
while(collegeIterator.hasNext())
{
College college = collegeIterator.next();
System.out.println("当前学院:");
college.getName();
System.out.println("当前学院下面的系:");
//如果要遍历当前学院下面的所有系，需要获取对应的迭代器
printDeparts(college.createIterator());
System.out.println("=============================");
}
}
//输出当前学院的所有系
protected void printDeparts(Iterator iterator)
{
while(iterator.hasNext())
{
Department department=(Department)iterator.next();
System.out.println(department.getName());
}
}
}
客户端调用:
public static void main(String[] args) {
List<College> collegeList=new ArrayList<>();
Department[] departments=new Department[3];
departments[0]=new Department("c++",520);
departments[1]=new Department("java",521);
College college=new ComputerCollege(departments);
List<Department> departmentList=new ArrayList<>();
departmentList.add(new Department("密码学",520));
College college1=new InfoCollege(departmentList);
collegeList.add(college);
collegeList.add(college1);
OutputImp outputImp=new OutputImp(collegeList);
outputImp.printColleges();
}
案例总结
如果需要增加一个新的具体聚合类，只需增加一个新的聚合子类和一个新的具体迭代器类即可,原有类库代码无须修改，符合“开闭原则”；
如果需要为聚合类更换一个迭代器，只需要增加一个新的具体迭代器类作为抽象迭代器类的子类，重新实现遍历方法，原有迭代器代码无须修改，也符合“开闭原则”；
但是如果要在迭代器中增加新的方法，则需要修改抽象迭代器源代码，这将违背“开闭原则”。
应用实例
Java集合中的迭代器模式
看 java.util.ArrayList 类
public class ArrayList<E> extends AbstractList<E> implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
transient Object[] elementData; // non-private to simplify nested class access
private int size;
public E get(int index) {
rangeCheck(index);
return elementData(index);
}
public boolean add(E e) {
ensureCapacityInternal(size + 1); // Increments modCount!!
elementData[size++] = e;
return true;
}
public ListIterator<E> listIterator() {
return new ListItr(0);
}
public ListIterator<E> listIterator(int index) {
if (index < 0 || index > size)
throw new IndexOutOfBoundsException("Index: "+index);
return new ListItr(index);
}
public Iterator<E> iterator() {
return new Itr();
}
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
int expectedModCount = modCount;
public boolean hasNext() {
return cursor != size;
}
public E next() {
//...
}
public E next() {
//...
}
public void remove() {
//...
}
//...
}
private class ListItr extends Itr implements ListIterator<E> {
public boolean hasPrevious() {
return cursor != 0;
}
public int nextIndex() {
return cursor;
}
public int previousIndex() {
return cursor - 1;
}
public E previous() {
//...
}
public void set(E e) {
//...
}
public void add(E e) {
//...
}
//...
}
从 ArrayList 源码中看到了有两个迭代器 Itr 和 ListItr，分别实现 Iterator 和 ListIterator 接口；
第一个当然很容易看明白，它跟我们示例的迭代器的区别是这里是一个内部类，可以直接使用 ArrayList 的数据列表；第二个迭代器是第一次见到， ListIterator 跟 Iterator 有什么区别呢？
先看 ListIterator 源码
public interface ListIterator<E> extends Iterator<E> {
boolean hasNext();
E next();
boolean hasPrevious(); // 返回该迭代器关联的集合是否还有上一个元素
E previous(); // 返回该迭代器的上一个元素
int nextIndex(); // 返回列表中ListIterator所需位置后面元素的索引
int previousIndex(); // 返回列表中ListIterator所需位置前面元素的索引
void remove();
void set(E var1); // 从列表中将next()或previous()返回的最后一个元素更改为指定元素e
void add(E var1);
}
接着是 Iterator 的源码
public interface Iterator<E> {
boolean hasNext();
E next();
default void remove() {
throw new UnsupportedOperationException("remove");
}
// 备注：JAVA8允许接口方法定义默认实现
default void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
Objects.requireNonNull(action);
while (hasNext())
action.accept(next());
}
}
通过源码我们看出：ListIterator 是一个功能更加强大的迭代器，它继承于 Iterator 接口，只能用于各种List类型的访问。可以通过调用 listIterator() 方法产生一个指向List开始处的 ListIterator, 还可以调用 listIterator(n) 方法创建一个一开始就指向列表索引为n的元素处的 ListIterator。
Iterator 和 ListIterator 主要区别概括如下:
- ListIterator 有 add() 方法，可以向List中添加对象，而 Iterator 不能
- ListIterator 和 Iterator 都有 hasNext() 和 next() 方法，可以实现顺序向后遍历，但是ListIterator 有 hasPrevious() 和 previous()方法，可以实现逆向（顺序向前）遍历。Iterator 就不可以。
- ListIterator 可以定位当前的索引位置，nextIndex() 和 previousIndex()可以实现。Iterator 没有此功能。
- 都可实现删除对象，但是 ListIterator 可以实现对象的修改，set() 方法可以实现。Iierator仅能遍历，不能修改。
角色说明
- 内部类Itr 充当具体实现迭代器Iterator 的类， 作为ArrayList 内部类
- List 就是充当了聚合接口，含有一个iterator() 方法，返回一个迭代器对象
- ArrayList 是实现聚合接口List 的子类，实现了iterator()
- Iterator 接口系统提供
- 迭代器模式解决了 不同集合(ArrayList ,LinkedList) 统一遍历问题
Mybatis中的迭代器模式
当查询数据库返回大量的数据项时可以使用游标 Cursor，利用其中的迭代器可以懒加载数据，避免因为一次性加载所有数据导致内存奔溃，Mybatis 为 Cursor 接口提供了一个默认实现类 DefaultCursor，代码如下
public interface Cursor<T> extends Closeable, Iterable<T> {
boolean isOpen();
boolean isConsumed();
int getCurrentIndex();
}
public class DefaultCursor<T> implements Cursor<T> {
private final DefaultResultSetHandler resultSetHandler;
private final ResultMap resultMap;
private final ResultSetWrapper rsw;
private final RowBounds rowBounds;
private final ObjectWrapperResultHandler<T> objectWrapperResultHandler = new ObjectWrapperResultHandler<T>();
// 游标迭代器
private final CursorIterator cursorIterator = new CursorIterator();
protected T fetchNextUsingRowBound() {
T result = fetchNextObjectFromDatabase();
while (result != null && indexWithRowBound < rowBounds.getOffset()) {
result = fetchNextObjectFromDatabase();
}
return result;
}
@Override
public Iterator<T> iterator() {
if (iteratorRetrieved) {
throw new IllegalStateException("Cannot open more than one iterator on a Cursor");
}
iteratorRetrieved = true;
return cursorIterator;
}
private class CursorIterator implements Iterator<T> {
T object;
int iteratorIndex = -1;
@Override
public boolean hasNext() {
if (object == null) {
object = fetchNextUsingRowBound();
}
return object != null;
}
@Override
public T next() {
T next = object;
if (next == null) {
next = fetchNextUsingRowBound();
}
if (next != null) {
object = null;
iteratorIndex++;
return next;
}
throw new NoSuchElementException();
}
@Override
public void remove() {
throw new UnsupportedOperationException("Cannot remove element from Cursor");
}
}
// ...
}
游标迭代器 CursorIterator 实现了 java.util.Iterator 迭代器接口，这里的迭代器模式跟 ArrayList 中的迭代器几乎一样
优点
- 提供一个统一的方法遍历对象，客户不用再考虑聚合的类型，使用一种方法就可以遍历对象了。
- 隐藏了聚合的内部结构，客户端要遍历聚合的时候只能取到迭代器，而不会知道聚合的具体组成。
- 提供了一种设计思想，就是一个类应该只有一个引起变化的原因（叫做单一责任
- 原则）。在聚合类中，我们把迭代器分开，就是要把管理对象集合和遍历对象集
- 合的责任分开，这样一来集合改变的话，只影响到聚合对象。而如果遍历方式改变的话，只影响到了迭代器。
- 当要展示一组相似对象，或者遍历一组相同对象时使用, 适合使用迭代器模式
缺点
- 每个聚合对象都要一个迭代器，会生成多个迭代器不好管理类
总结
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