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[Java教程]Java中迭代器实现的原理


一、 引言 

  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。

  二、 定义与结构

  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。

  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于该容器的结构相关。

  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,而且也使得设计符号“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。

  三、 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……

  四、 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。

  五、 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)。