设计模式（十七）行为型：迭代器模式详解

设计模式（十七）行为型：迭代器模式详解

迭代器模式（Iterator Pattern）是 GoF 23 种设计模式中的行为型模式之一，其核心价值在于提供一种统一的方式遍历聚合对象（如集合、容器）中的元素，而无需暴露其内部表示结构。它将遍历算法从聚合对象中分离出来，封装在独立的迭代器对象中，实现了“单一职责原则”和“开闭原则”。迭代器模式是现代编程语言集合框架的基石，广泛应用于各种数据结构（列表、树、图、哈希表）的遍历操作，是实现 for-each 循环、流式处理（Stream）、延迟计算、外部迭代等机制的核心支撑，是构建可复用、可扩展、高内聚低耦合系统的必备设计模式。

一、详细介绍

迭代器模式解决的是“客户端需要访问聚合对象中的所有元素，但又不希望依赖其内部实现细节”的问题。在传统设计中，聚合类（如 List、Tree）通常提供 get(i) 或 elements() 等方法让客户端直接访问内部数据，这导致：

• 客户端代码与聚合的内部结构（数组、链表、树）紧耦合；
• 聚合类职责过重，既管理数据又提供遍历逻辑；
• 难以支持多种遍历方式（如正序、逆序、深度优先、广度优先）；
• 并发修改时难以保证遍历的安全性。

迭代器模式通过引入一个独立的迭代器对象（Iterator） 来封装遍历过程。客户端通过迭代器提供的统一接口（如 hasNext()、next()）访问元素，而无需关心底层是数组、链表还是树。聚合对象（Aggregate）负责创建并返回一个合适的迭代器实例。

该模式包含以下核心角色：

• Iterator（迭代器接口）：定义遍历聚合对象所需的操作，通常包括：
  • hasNext()：判断是否还有下一个元素。
  • next()：返回当前元素并将游标移至下一个。
  • remove()（可选）：移除当前元素（Java 中常见）。
• ConcreteIterator（具体迭代器）：实现 Iterator 接口，针对特定聚合结构（如数组、链表）实现具体的遍历逻辑。它持有对聚合对象的引用或内部状态（如索引、当前节点）。
• Aggregate（聚合接口）：定义创建迭代器的方法，通常为 createIterator()。
• ConcreteAggregate（具体聚合类）：实现 Aggregate 接口，返回一个与自身结构匹配的 ConcreteIterator 实例。
• Client（客户端）：通过聚合对象获取迭代器，并使用迭代器接口遍历元素。

迭代器模式的关键优势：

• 解耦聚合与遍历：客户端不依赖聚合的内部结构。
• 支持多种遍历方式：同一聚合可提供多种迭代器（如正序、逆序、过滤迭代器）。
• 简化客户端代码：提供统一的遍历接口。
• 支持并发安全遍历：迭代器可实现“快照”或“失败快速”机制（如 Java 的 ConcurrentModificationException）。
• 支持延迟计算（Lazy Evaluation）：元素可在 next() 调用时动态生成（如数据库游标、无限序列）。

与“访问者模式”相比，迭代器关注线性访问元素，访问者关注在不修改类的前提下为对象结构添加新操作；与“生成器模式”相比，生成器用于创建复杂对象，迭代器用于访问已有对象集合。

迭代器可分为：

• 外部迭代器（External Iterator）：客户端主动控制遍历过程（如 while(it.hasNext())）。
• 内部迭代器（Internal Iterator）：由聚合或迭代器内部控制遍历，客户端提供回调（如 Java 8 的 forEach(Consumer)），更接近“函数式编程”。

二、迭代器模式的UML表示

以下是迭代器模式的标准 UML 类图：

图解说明：

• Iterator 定义统一遍历接口。
• ConcreteIterator 针对 ConcreteAggregate 实现具体遍历逻辑。
• ConcreteAggregate 实现 createIterator() 返回其对应的迭代器。
• Client 通过聚合获取迭代器并遍历。

三、一个简单的Java程序实例及其UML图

以下是一个自定义的 BookShelf 聚合类，使用迭代器模式遍历书架上的书籍。

Java 程序实例

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

// 书籍类
class Book {
    private String title;
    private String author;

    public Book(String title, String author) {
        this.title = title;
        this.author = author;
    }

    // Getter 方法
    public String getTitle() { return title; }
    public String getAuthor() { return author; }

    @Override
    public String toString() {
        return "\"" + title + "\" by " + author;
    }
}

// 迭代器接口
interface Iterator<T> {
    boolean hasNext();
    T next();
}

// 聚合接口
interface Aggregate<T> {
    Iterator<T> createIterator();
}

// 具体聚合类：书架
class BookShelf implements Aggregate<Book> {
    private List<Book> books = new ArrayList<>();

    public void addBook(Book book) {
        books.add(book);
    }

    public int getSize() {
        return books.size();
    }

    public Book getBookAt(int index) {
        return books.get(index);
    }

    // 实现创建迭代器
    @Override
    public Iterator<Book> createIterator() {
        return new BookShelfIterator(this);
    }
}

// 具体迭代器：书架迭代器
class BookShelfIterator implements Iterator<Book> {
    private BookShelf bookShelf;
    private int currentIndex = 0;

    public BookShelfIterator(BookShelf bookShelf) {
        this.bookShelf = bookShelf;
    }

    @Override
    public boolean hasNext() {
        return currentIndex < bookShelf.getSize();
    }

    @Override
    public Book next() {
        if (!hasNext()) {
            throw new java.util.NoSuchElementException();
        }
        Book book = bookShelf.getBookAt(currentIndex);
        currentIndex++;
        return book;
    }
}

// 客户端使用示例
public class IteratorPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("📚 书架管理系统 - 迭代器模式示例\n");

        // 创建书架并添加书籍
        BookShelf bookShelf = new BookShelf();
        bookShelf.addBook(new Book("设计模式", "GoF"));
        bookShelf.addBook(new Book("重构", "Martin Fowler"));
        bookShelf.addBook(new Book("代码大全", "Steve McConnell"));

        // 获取迭代器
        Iterator<Book> iterator = bookShelf.createIterator();

        System.out.println("📖 正在遍历书架中的书籍:");
        while (iterator.hasNext()) {
            Book book = iterator.next();
            System.out.println("  ➡️ " + book);
        }

        System.out.println("\n✅ 遍历完成！");

        // 演示：可轻松替换为其他迭代器（如逆序）
        // 若实现 ReverseBookShelfIterator，只需替换 createIterator() 返回即可
        System.out.println("\n💡 说明：客户端代码无需修改即可支持不同遍历方式。");
        System.out.println("🔧 迭代器封装了遍历细节，书架内部可改为链表、树等结构。");
    }
}

实例对应的UML图（简化版）

运行说明：

• BookShelf 是具体聚合类，内部使用 List<Book> 存储书籍。
• BookShelfIterator 是具体迭代器，持有对 BookShelf 的引用和当前索引。
• 客户端通过 createIterator() 获取迭代器，使用 hasNext() 和 next() 安全遍历，无需知道 BookShelf 使用 List 实现。

四、总结

迭代器模式使用建议：

• Java 集合框架（Collection/Iterator）是迭代器模式的标准实现。
• 可实现只读迭代器、可移除迭代器、过滤迭代器、转换迭代器等变体。
• 支持泛型以提高类型安全。
• 注意并发修改问题，可实现“快照迭代器”或“失败快速”机制。

架构师洞见：
迭代器模式是“关注点分离”与“接口抽象”的典范。在现代架构中，其思想已演变为流式编程（Stream API）、响应式编程（Reactive Streams） 和数据管道的核心。例如，Java 8 的 Stream 是迭代器的高级抽象，支持链式操作（filter, map, reduce）；在大数据处理中，Iterator 是处理海量数据流的基础（如 Hadoop RecordReader）；在微服务中，分页 API 的 nextPageToken 本质是分布式迭代器；在前端框架中，虚拟列表（Virtual List）使用迭代器思想按需渲染。

未来趋势是：迭代器将与函数式编程深度融合，支持更复杂的组合操作；在AI 数据处理中，数据集迭代器（如 PyTorch DataLoader）是训练模型的关键；在边缘计算中，迭代器可实现低内存的流式数据处理；在量子计算中，状态叠加的遍历可能需要新型迭代器。

掌握迭代器模式，有助于设计出高内聚、低耦合、可复用的集合组件。作为架构师，应在设计任何容器类或数据访问层时，主动考虑使用迭代器。迭代器不仅是模式，更是数据访问的哲学——它告诉我们：真正的抽象，不在于隐藏数据，而在于提供一种安全、统一、可组合的方式来消费数据，让使用者专注于“做什么”，而非“如何做”。