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词条 iterator
释义

迭代器(Iterator)模式,又叫做游标(Cursor)模式。GOF给出的定义为:提供一种方法访问一个容器(container)对象中各个元素,而又不需暴露该对象的内部细节。 从定义可见,迭代器模式是为容器而生。很明显,对容器对象的访问必然涉及到遍历算法。你可以一股脑的将遍历方法塞到容器对象中去;或者根本不去提供什么遍历算法,让使用容器的人自己去实现去吧。这两种情况好像都能够解决问题。

引言

迭代器模式(Iterator pattern)

迭代这个名词对于熟悉Java的人来说绝对不陌生。我们常常使用JDK提供的迭代接口进行java collection的遍历:

Iterator it = list.iterator();

while(it.hasNext()){

//using “it.next();”do some businesss logic

}

而这就是关于迭代器模式应用很好的例子。

定义与结构

然而在前一种情况,容器承受了过多的功能,它不仅要负责自己“容器”内的元素维护(添加、删除等等),而且还要提供遍历自身的接口;而且由于遍历状态保存的问题,不能对同一个容器对象同时进行多个遍历。第二种方式倒是省事,却又将容器的内部细节暴露无遗。

而迭代器模式的出现,很好的解决了上面两种情况的弊端。先来看下迭代器模式的真面目吧。

迭代器模式由以下角色组成:

1) 迭代器角色(Iterator):迭代器角色负责定义访问和遍历元素的接口。

2) 具体迭代器角色(Concrete Iterator):具体迭代器角色要实现迭代器接口,并要记录遍历中的当前位置。

3) 容器角色(Container):容器角色负责提供创建具体迭代器角色的接口。

4) 具体容器角色(Concrete Container):具体容器角色实现创建具体迭代器角色的接口——这个具体迭代器角色与该容器的结构相关。

迭代器模式的类图如下:

从结构上可以看出,迭代器模式在客户与容器之间加入了迭代器角色。迭代器角色的加入,就可以很好的避免容器内部细节的暴露,而且也使得设计符合“单一职责原则”。

注意,在迭代器模式中,具体迭代器角色和具体容器角色是耦合在一起的——遍历算法是与容器的内部细节紧密相关的。为了使客户程序从与具体迭代器角色耦合的困境中脱离出来,避免具体迭代器角色的更换给客户程序带来的修改,迭代器模式抽象了具体迭代器角色,使得客户程序更具一般性和重用性。这被称为多态迭代。

举例

由于迭代器模式本身的规定比较松散,所以具体实现也就五花八门。我们在此仅举一例,根本不能将实现方式一一呈现。因此在举例前,我们先来列举下迭代器模式的实现方式。

1.迭代器角色定义了遍历的接口,但是没有规定由谁来控制迭代。在Java collection的应用中,是由客户程序来控制遍历的进程,被称为外部迭代器;还有一种实现方式便是由迭代器自身来控制迭代,被称为内部迭代器。外部迭代器要比内部迭代器灵活、强大,而且内部迭代器在java语言环境中,可用性很弱。

2.在迭代器模式中没有规定谁来实现遍历算法。好像理所当然的要在迭代器角色中实现。因为既便于一个容器上使用不同的遍历算法,也便于将一种遍历算法应用于不同的容器。但是这样就破坏掉了容器的封装——容器角色就要公开自己的私有属性,在java中便意味着向其他类公开了自己的私有属性。

那我们把它放到容器角色里来实现好了。这样迭代器角色就被架空为仅仅存放一个遍历当前位置的功能。但是遍历算法便和特定的容器紧紧绑在一起了。

而在Java Collection的应用中,提供的具体迭代器角色是定义在容器角色中的内部类。这样便保护了容器的封装。但是同时容器也提供了遍历算法接口,你可以扩展自己的迭代器。

好了,我们来看下Java Collection中的迭代器是怎么实现的吧。

//迭代器角色,仅仅定义了遍历接口

public interface Iterator {

boolean hasNext();

Object next();

void remove();

}

//容器角色,这里以List为例。它也仅仅是一个接口,就不罗列出来了

//具体容器角色,便是实现了List接口的ArrayList等类。为了突出重点这里指罗列和迭代器相关的内容

//具体迭代器角色,它是以内部类的形式出来的。AbstractList是为了将各个具体容器角色的公共部分提取出来而存在的。

public abstract class AbstractList extends AbstractCollection implements List {

……

//这个便是负责创建具体迭代器角色的工厂方法

public Iterator iterator() {

return new Itr();

}

//作为内部类的具体迭代器角色

private class Itr implements Iterator {

int cursor = 0;

int lastRet = -1;

int expectedModCount = modCount;

public boolean hasNext() {

return cursor != size();

}

public Object next() {

checkForComodification();

try {

Object next = get(cursor);

lastRet = cursor++;

return next;

} catch(IndexOutOfBoundsException e) {

checkForComodification();

throw new NoSuchElementException();

}

}

public void remove() {

if (lastRet == -1)

throw new IllegalStateException();

checkForComodification();

try {

AbstractList.this.remove(lastRet);

if (lastRet < cursor)

cursor--;

lastRet = -1;

expectedModCount = modCount;

} catch(IndexOutOfBoundsException e) {

throw new ConcurrentModificationException();

}

}

final void checkForComodification() {

if (modCount != expectedModCount)

throw new ConcurrentModificationException();

}

}

至于迭代器模式的使用。正如引言中所列那样,客户程序要先得到具体容器角色,然后再通过具体容器角色得到具体迭代器角色。这样便可以使用具体迭代器角色来遍历容器了……

实现自己的迭代器

在实现自己的迭代器的时候,一般要操作的容器有支持的接口才可以。而且我们还要注意以下问题:

在迭代器遍历的过程中,通过该迭代器进行容器元素的增减操作是否安全呢?

在容器中存在复合对象的情况,迭代器怎样才能支持深层遍历和多种遍历呢?

以上两个问题对于不同结构的容器角色,各不相同,值得考虑。

适用情况

由上面的讲述,我们可以看出迭代器模式给容器的应用带来以下好处:

1) 支持以不同的方式遍历一个容器角色。根据实现方式的不同,效果上会有差别。

2) 简化了容器的接口。但是在java Collection中为了提高可扩展性,容器还是提供了遍历的接口。

3) 对同一个容器对象,可以同时进行多个遍历。因为遍历状态是保存在每一个迭代器对象中的。

由此也能得出迭代器模式的适用范围:

1) 访问一个容器对象的内容而无需暴露它的内部表示。

2) 支持对容器对象的多种遍历。

3) 为遍历不同的容器结构提供一个统一的接口(多态迭代)。

标准C++中的Iterator(迭代器)简介

一、概述

Iterator(迭代器)模式又称Cursor(游标)模式,用于提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素, 而又不需暴露该对象的内部表示。或者这样说可能更容易理解:Iterator模式是运用于聚合对象的一种模式,通过运用该模式,使得我们可以在不知道对象内部表示的情况下,按照一定顺序(由iterator提供的方法)访问聚合对象中的各个元素。

由于Iterator模式的以上特性:与聚合对象耦合,在一定程度上限制了它的广泛运用,一般仅用于底层聚合支持类,如STL的list、vector、stack等容器类及ostream_iterator等扩展iterator。

根据STL中的分类,iterator包括:

Input Iterator:只能单步向前迭代元素,不允许修改由该类迭代器引用的元素。

Output Iterator:该类迭代器和Input Iterator极其相似,也只能单步向前迭代元素,不同的是该类迭代器对元素只有写的权力。

Forward Iterator:该类迭代器可以在一个正确的区间中进行读写操作,它拥有Input Iterator的所有特性,和Output Iterator的部分特性,以及单步向前迭代元素的能力。

Bidirectional Iterator:该类迭代器是在Forward Iterator的基础上提供了单步向后迭代元素的能力。

Random Access Iterator:该类迭代器能完成上面所有迭代器的工作,它自己独有的特性就是可以像指针那样进行算术计算,而不是仅仅只有单步向前或向后迭代。

vector 和deque提供的是RandomAccessIterator,list提供的是BidirectionalIterator,set和map提供的 iterators是 ForwardIterator,关于STL中iterator的更多信息,请阅读参考1或2。

二、应用

Iterator模式有三个重要的作用:

1)它支持以不同的方式遍历一个聚合 复杂的聚合可用多种方式进行遍历,如二叉树的遍历,可以采用前序、中序或后序遍历。迭代器模式使得改变遍历算法变得很容易: 仅需用一个不同的迭代器的实例代替原先的实例即可,你也可以自己定义迭代器的子类以支持新的遍历,或者可以在遍历中增加一些逻辑,如有条件的遍历等。

2)迭代器简化了聚合的接口 有了迭代器的遍历接口,聚合本身就不再需要类似的遍历接口了,这样就简化了聚合的接口。

3)在同一个聚合上可以有多个遍历 每个迭代器保持它自己的遍历状态,因此你可以同时进行多个遍历。

4)此外,Iterator模式可以为遍历不同的聚合结构(需拥有相同的基类)提供一个统一的接口,即支持多态迭代。

简 单说来,迭代器模式也是Delegate原则的一个应用,它将对集合进行遍历的功能封装成独立的Iterator,不但简化了集合的接口,也使得修改、增 加遍历方式变得简单。从这一点讲,该模式与Bridge模式、Strategy模式有一定的相似性,但Iterator模式所讨论的问题与集合密切相关, 造成在Iterator在实现上具有一定的特殊性,具体将在示例部分进行讨论。

三、优缺点

正如前面所说,与集合密切相关,限制了 Iterator模式的广泛使用,就个人而言,我不大认同将Iterator作为模式提出的观点,但它又确实符合模式“经常出现的特定问题的解决方案”的 特质,以至于我又不得不承认它是个模式。在一般的底层集合支持类中,我们往往不愿“避轻就重”将集合设计成集合 + Iterator 的形式,而是将遍历的功能直接交由集合完成,以免犯了“过度设计”的诟病,但是,如果我们的集合类确实需要支持多种遍历方式(仅此一点仍不一定需要考虑 Iterator模式,直接交由集合完成往往更方便),或者,为了与系统提供或使用的其它机制,如STL算法,保持一致时,Iterator模式才值得考 虑。

四、举例

可以考虑使用两种方式来实现Iterator模式:内嵌类或者友元类。通常迭代类需访问集合类中的内部数据结构,为此,可在集合类中设置迭代类为friend class,但这不利于添加新的迭代类,因为需要修改集合类,添加friend class语句。也可以在抽象迭代类中定义protected型的存取集合类内部数据的函数,这样迭代子类就可以访问集合类数据了,这种方式比较容易添加新的迭代方式,但这种方式也存在明显的缺点:这些函数只能用于特定聚合类,并且,不可避免造成代码更加复杂。

STL的list::iterator、deque::iterator、rbtree::iterator等采用的都是外部Iterator类的形式,虽然STL的集合类的iterator分散在各个集合类中,但由于各Iterator类具有相同的基类,保持了相同的对外的接口(包括一些traits及tags等,感兴趣者请认真阅读参考1、2),从而使得它们看起来仍然像一个整体,同时也使得应用algorithm成为可能。我们如果要扩展STL的iterator,也需要注意这一点,否则,我们扩展的iterator将可能无法应用于各algorithm。

以下是一个遍历二叉树的Iterator的例子,为了方便支持多种遍历方式,并便于遍历方式的扩展,其中还使用了Strategy模式(见笔记21):

(注:1、虽然下面这个示例是本系列所有示例中花费我时间最多的一个,但我不得不承认,它非常不完善,感兴趣的朋友,可以考虑参考下面的参考材料将其补充完善,或提出宝贵改进意见。2、 我本想考虑将其封装成与STL风格一致的形式,使得我们遍历二叉树必须通过Iterator来进行,但由于二叉树在结构上较线性存储结构复杂,使访问必须 通过Iterator来进行,但这不可避免使得BinaryTree的访问变得异常麻烦,在具体应用中还需要认真考虑。3、以下只提供了Inorder<中序>遍历iterator的实现。)

#include <assert.h>

#include <iostream>

#include <xutility>

#include <iterator>

#include <algorithm>

using namespace std;

template <typename T>

class BinaryTree;

template <typename T>

class Iterator;

template <typename T>

class BinaryTreeNode

{

public:

typedef BinaryTreeNode<T> NODE;

typedef BinaryTreeNode<T>* NODE_PTR;

BinaryTreeNode(const T& element) : data(element), leftChild(NULL), rightChild(NULL), parent(NULL) { }

BinaryTreeNode(const T& element, NODE_PTR leftChild, NODE_PTR rightChild)

:data(element), leftChild(leftChild), rightChild(rightChild), parent(NULL)

{

if (leftChild)

leftChild->setParent(this);

if (rightChild)

rightChild->setParent(this);

}

T getData(void) const { return data; }

NODE_PTR getLeft(void) const { return leftChild; }

NODE_PTR getRight(void) const { return rightChild; }

NODE_PTR getParent(void) const { return parent; }

void SetData(const T& data) { this->data = item; }

void setLeft(NODE_PTR ptr) { leftChild = ptr; ptr->setParent(this); }

void setRight(NODE_PTR ptr) { rightChild = ptr; ptr->setParent(this); }

void setParent(NODE_PTR ptr) { parent = ptr; }

private:

T data;

NODE_PTR leftChild;

NODE_PTR rightChild;

NODE_PTR parent; // pointer to parent node, needed by iterator

friend class BinaryTree<T>;

};

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更新时间:2025/2/3 11:58:35