Java设计模式之Java迭代器模式详解


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。

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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。

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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

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上面案例的类图

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案例实现代码

顶层迭代器接口为Java内部提供的Iterator接口:

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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

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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();
    }

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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

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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) {
            //...
        }
    //...
}

ArrayList 源码中看到了有两个迭代器 ItrListItr,分别实现 IteratorListIterator 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, ListIteratorIterator 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

IteratorListIterator 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,MybatisCursor 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
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