迭代器模式：相比直接遍历集合数据，使用迭代器有哪些优势？

今天，我们学习另外一种行为型设计模式，迭代器模式。它用来遍历集合对象。不过，很多编程语言都将迭代器作为一个基础的类库，直接提供出来了。在平时开发中，特别是业务开发，我们直接使用即可，很少会自己去实现一个迭代器。不过，知其然知其所以然，弄懂原理能帮助我们更好的使用这些工具类，所以，我觉得还是有必要学习一下这个模式。

迭代器模式的原理和实现

迭代器模式（Iterator Design Pattern），也叫作游标模式（Cursor Design Pattern）。

在开篇中我们讲到，它用来遍历集合对象。这里说的“集合对象”也可以叫“容器”“聚合对象”，实际上就是包含一组对象的对象，比如数组、链表、树、图、跳表。迭代器模式将集合对象的遍历操作从集合类中拆分出来，放到迭代器类中，让两者的职责更加单一。

迭代器是用来遍历容器的，所以，一个完整的迭代器模式一般会涉及容器和容器迭代器两部分内容。为了达到基于接口而非实现编程的目的，容器又包含容器接口、容器实现类，迭代器又包含迭代器接口、迭代器实现类。

我们知道，线性数据结构包括数组和链表，在大部分编程语言中都有对应的类来封装这两种数据结构，在开发中直接拿来用就可以了。假设在这种新的编程语言中，这两个数据结构分别对应ArrayList和LinkedList两个类。除此之外，我们从两个类中抽象出公共的接口，定义为List接口，以方便开发者基于接口而非实现编程，编写的代码能在两种数据存储结构之间灵活切换。

现在，我们针对ArrayList和LinkedList两个线性容器，设计实现对应的迭代器。按照之前给出的迭代器模式的类图，我们定义一个迭代器接口Iterator，以及针对两种容器的具体的迭代器实现类ArrayIterator和ListIterator。

// 接口定义方式一
public interface Iterator<E> {
  boolean hasNext();
  void next();
  E currentItem();
}

// 接口定义方式二
public interface Iterator<E> {
  boolean hasNext();
  E next();
}

在第一种定义中，next()函数用来将游标后移一位元素，currentItem()函数用来返回当前游标指向的元素。在第二种定义中，返回当前元素与后移一位这两个操作，要放到同一个函数next()中完成。

第一种定义方式更加灵活一些，比如我们可以多次调用currentItem()查询当前元素，而不移动游标。所以，在接下来的实现中，我们选择第一种接口定义方式。

public class ArrayIterator<E> implements Iterator<E> {
  private int cursor;
  private ArrayList<E> arrayList;

  public ArrayIterator(ArrayList<E> arrayList) {
    this.cursor = 0;
    this.arrayList = arrayList;
  }

  @Override
  public boolean hasNext() {
    return cursor != arrayList.size(); //注意这里，cursor在指向最后一个元素的时候，hasNext()仍旧返回true。
  }

  @Override
  public void next() {
    cursor++;
  }

  @Override
  public E currentItem() {
    if (cursor >= arrayList.size()) {
      throw new NoSuchElementException();
    }
    return arrayList.get(cursor);
  }
}

public class Demo {
  public static void main(String[] args) {
    ArrayList<String> names = new ArrayList<>();
    names.add("xzg");
    names.add("wang");
    names.add("zheng");
    
    Iterator<String> iterator = new ArrayIterator(names);
    while (iterator.hasNext()) {
      System.out.println(iterator.currentItem());
      iterator.next();
    }
  }
}

在上面的代码实现中，我们需要将待遍历的容器对象，通过构造函数传递给迭代器类。实际上，为了封装迭代器的创建细节，我们可以在容器中定义一个iterator()方法，来创建对应的迭代器。为了能实现基于接口而非实现编程，我们还需要将这个方法定义在List接口中。具体的代码实现和使用示例如下所示：

public interface List<E> {
  Iterator iterator();
  //...省略其他接口函数...
}

public class ArrayList<E> implements List<E> {
  //...
  public Iterator iterator() {
    return new ArrayIterator(this);
  }
  //...省略其他代码
}

public class Demo {
  public static void main(String[] args) {
    List<String> names = new ArrayList<>();
    names.add("xzg");
    names.add("wang");
    names.add("zheng");
    
    Iterator<String> iterator = names.iterator();
    while (iterator.hasNext()) {
      System.out.println(iterator.currentItem());
      iterator.next();
    }
  }
}

结合刚刚的例子，我们来总结一下迭代器的设计思路。总结下来就三句话：迭代器中需要定义hasNext()、currentItem()、next()三个最基本的方法。待遍历的容器对象通过依赖注入传递到迭代器类中。容器通过iterator()方法来创建迭代器。

迭代器模式的优势

一般来讲，遍历集合数据有三种方法：for循环、foreach循环、iterator迭代器。对于这三种方式，我拿Java语言来举例说明一下。具体的代码如下所示：

List<String> names = new ArrayList<>();
names.add("xzg");
names.add("wang");
names.add("zheng");

// 第一种遍历方式：for循环
for (int i = 0; i < names.size(); i++) {
  System.out.print(names.get(i) + ",");
}

// 第二种遍历方式：foreach循环
for (String name : names) {
  System.out.print(name + ",")
}

// 第三种遍历方式：迭代器遍历
Iterator<String> iterator = names.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
  System.out.print(iterator.next() + ",");//Java中的迭代器接口是第二种定义方式，next()既移动游标又返回数据
}

从上面的代码来看，for循环遍历方式比起迭代器遍历方式，代码看起来更加简洁。那我们为什么还要用迭代器来遍历容器呢？为什么还要给容器设计对应的迭代器呢？原因有以下三个。

首先，对于类似数组和链表这样的数据结构，遍历方式比较简单，直接使用for循环来遍历就足够了。但是，对于复杂的数据结构（比如树、图）来说，有各种复杂的遍历方式。比如，树有前中后序、按层遍历，图有深度优先、广度优先遍历等等。如果由客户端代码来实现这些遍历算法，势必增加开发成本，而且容易写错。如果将这部分遍历的逻辑写到容器类中，也会导致容器类代码的复杂性。

前面也多次提到，应对复杂性的方法就是拆分。我们可以将遍历操作拆分到迭代器类中。比如，针对图的遍历，我们就可以定义DFSIterator、BFSIterator两个迭代器类，让它们分别来实现深度优先遍历和广度优先遍历。

其次，将游标指向的当前位置等信息，存储在迭代器类中，每个迭代器独享游标信息。这样，我们就可以创建多个不同的迭代器，同时对同一个容器进行遍历而互不影响。

最后，容器和迭代器都提供了抽象的接口，方便我们在开发的时候，基于接口而非具体的实现编程。当需要切换新的遍历算法的时候，比如，从前往后遍历链表切换成从后往前遍历链表，客户端代码只需要将迭代器类从LinkedIterator切换为ReversedLinkedIterator即可，其他代码都不需要修改。除此之外，添加新的遍历算法，我们只需要扩展新的迭代器类，也更符合开闭原则。

遍历集合的同时，为什么不能增删集合元素？

在通过迭代器来遍历集合元素的同时，增加或者删除集合中的元素，有可能会导致某个元素被重复遍历或遍历不到。不过，并不是所有情况下都会遍历出错，有的时候也可以正常遍历，所以，这种行为称为结果不可预期行为或者未决行为，也就是说，运行结果到底是对还是错，要视情况而定。

如何应对遍历时改变集合导致的未决行为？

有两种比较干脆利索的解决方案：一种是遍历的时候不允许增删元素，另一种是增删元素之后让遍历报错。

第一种实现比较困难，我们并不知道遍历什么时候结束。Java语言就是采用的这种解决方案，增删元素之后，让遍历报错。

怎么确定在遍历时候，集合有没有增删元素呢？我们在ArrayList中定义一个成员变量modCount，记录集合被修改的次数，集合每调用一次增加或删除元素的函数，就会给modCount加1。当通过调用集合上的iterator()函数来创建迭代器的时候，我们把modCount值传递给迭代器的expectedModCount成员变量，之后每次调用迭代器上的hasNext()、next()、currentItem()函数，我们都会检查集合上的modCount是否等于expectedModCount，也就是看，在创建完迭代器之后，modCount是否改变过。