Java中迭代器實現的原理

2019-11-14 15:18:02

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供稿：網友

一、引言

　　迭代這個名詞對于熟悉java的人來說絕對不陌生。我們常常使用JDK提供的迭代接口進行java collection的遍歷：

Iterator it = list.iterator();
while(it.hasNext()){
　//using “it.next();”do some businesss logic
}

　　而這就是關于迭代器模式應用很好的例子。

　　二、定義與結構

　　迭代器（Iterator）模式，又叫做游標（Cursor）模式。GOF給出的定義為：提供一種方法訪問一個容器（container）對象中各個元素，而又不需暴露該對象的內部細節。

　　從定義可見，迭代器模式是為容器而生。很明顯，對容器對象的訪問必然涉及到遍歷算法。你可以一股腦的將遍歷方法塞到容器對象中去；或者根本不去提供什么遍歷算法，讓使用容器的人自己去實現去吧。這兩種情況好像都能夠解決問題。

　　然而在前一種情況，容器承受了過多的功能，它不僅要負責自己“容器”內的元素維護（添加、刪除等等），而且還要提供遍歷自身的接口；而且由于遍歷狀態保存的問題，不能對同一個容器對象同時進行多個遍歷。第二種方式倒是省事，卻又將容器的內部細節暴露無遺。

　　而迭代器模式的出現，很好的解決了上面兩種情況的弊端。先來看下迭代器模式的真面目吧。

　　迭代器模式由以下角色組成：

　　1) 迭代器角色（Iterator）：迭代器角色負責定義訪問和遍歷元素的接口。

　　2) 具體迭代器角色（Concrete Iterator）：具體迭代器角色要實現迭代器接口，并要記錄遍歷中的當前位置。

　　3) 容器角色（Container）：容器角色負責提供創建具體迭代器角色的接口。

　　4) 具體容器角色（Concrete Container）：具體容器角色實現創建具體迭代器角色的接口——這個具體迭代器角色于該容器的結構相關。

　　迭代器模式的類圖如下：

　　從結構上可以看出，迭代器模式在客戶與容器之間加入了迭代器角色。迭代器角色的加入，就可以很好的避免容器內部細節的暴露，而且也使得設計符號“單一職責原則”。

　　注意，在迭代器模式中，具體迭代器角色和具體容器角色是耦合在一起的——遍歷算法是與容器的內部細節緊密相關的。為了使客戶程序從與具體迭代器角色耦合的困境中脫離出來，避免具體迭代器角色的更換給客戶程序帶來的修改，迭代器模式抽象了具體迭代器角色，使得客戶程序更具一般性和重用性。這被稱為多態迭代。

　　三、舉例

　　由于迭代器模式本身的規定比較松散，所以具體實現也就五花八門。我們在此僅舉一例，根本不能將實現方式一一呈現。因此在舉例前，我們先來列舉下迭代器模式的實現方式。

　　1．迭代器角色定義了遍歷的接口，但是沒有規定由誰來控制迭代。在Java collection的應用中，是由客戶程序來控制遍歷的進程，被稱為外部迭代器；還有一種實現方式便是由迭代器自身來控制迭代，被稱為內部迭代器。外部迭代器要比內部迭代器靈活、強大，而且內部迭代器在java語言環境中，可用性很弱。

　　2．在迭代器模式中沒有規定誰來實現遍歷算法。好像理所當然的要在迭代器角色中實現。因為既便于一個容器上使用不同的遍歷算法，也便于將一種遍歷算法應用于不同的容器。但是這樣就破壞掉了容器的封裝——容器角色就要公開自己的私有屬性，在java中便意味著向其他類公開了自己的私有屬性。

　　那我們把它放到容器角色里來實現好了。這樣迭代器角色就被架空為僅僅存放一個遍歷當前位置的功能。但是遍歷算法便和特定的容器緊緊綁在一起了。

　　而在Java Collection的應用中，提供的具體迭代器角色是定義在容器角色中的內部類。這樣便保護了容器的封裝。但是同時容器也提供了遍歷算法接口，你可以擴展自己的迭代器。

　　好了，我們來看下Java Collection中的迭代器是怎么實現的吧。

//迭代器角色，僅僅定義了遍歷接口

public interface Iterator {
　boolean hasNext();
　Object next();
　void remove();
}

//容器角色，這里以List為例。它也僅僅是一個接口，就不羅列出來了
//具體容器角色，便是實現了List接口的ArrayList等類。為了突出重點這里指羅列和迭代器相關的內容
//具體迭代器角色，它是以內部類的形式出來的。AbstractList是為了將各個具體容器角色的公共部分提取出來而存在的。

public abstract class AbstractList extends AbstractCollection implements List {
……
//這個便是負責創建具體迭代器角色的工廠方法
public Iterator iterator() {
　return new Itr();
}

//作為內部類的具體迭代器角色

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。正如引言中所列那樣，客戶程序要先得到具體容器角色，然后再通過具體容器角色得到具體迭代器角色。這樣便可以使用具體迭代器角色來遍歷容器了……

　　四、實現自己的迭代器

　　在實現自己的迭代器的時候，一般要操作的容器有支持的接口才可以。而且我們還要注意以下問題：

　　在迭代器遍歷的過程中，通過該迭代器進行容器元素的增減操作是否安全呢？

　　在容器中存在復合對象的情況，迭代器怎樣才能支持深層遍歷和多種遍歷呢？

　　以上兩個問題對于不同結構的容器角色，各不相同，值得考慮。

　　五、適用情況

　　由上面的講述，我們可以看出迭代器模式給容器的應用帶來以下好處：

　　1) 支持以不同的方式遍歷一個容器角色。根據實現方式的不同，效果上會有差別。

　　2) 簡化了容器的接口。但是在java Collection中為了提高可擴展性，容器還是提供了遍歷的接口。

　　3) 對同一個容器對象，可以同時進行多個遍歷。因為遍歷狀態是保存在每一個迭代器對象中的。

　　由此也能得出迭代器模式的適用范圍：

　　1) 訪問一個容器對象的內容而無需暴露它的內部表示。

　　2) 支持對容器對象的多種遍歷。

　　3) 為遍歷不同的容器結構提供一個統一的接口（多態迭代）。