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迭代器模式(详解版)

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在现实生活以及程序设计中,经常要访问一个聚合对象中的各个元素,如“数据结构”中的链表遍历,通常的做法是将链表的创建和遍历都放在同一个类中,但这种方式不利于程序的扩展,如果要更换遍历方法就必须修改程序源代码,这违背了 “开闭原则”。

既然将遍历方法封装在聚合类中不可取,那么聚合类中不提供遍历方法,将遍历方法由用户自己实现是否可行呢?答案是同样不可取,因为这种方式会存在两个缺点:
  1. 暴露了聚合类的内部表示,使其数据不安全;
  2. 增加了客户的负担。

“迭代器模式”能较好地克服以上缺点,它在客户访问类与聚合类之间插入一个迭代器,这分离了聚合对象与其遍历行为,对客户也隐藏了其内部细节,且满足“单一职责原则”和“开闭原则”,如 Java 中的 Collection、List、Set、Map 等都包含了迭代器。

模式的定义与特点

迭代器(Iterator)模式的定义:提供一个对象来顺序访问聚合对象中的一系列数据,而不暴露聚合对象的内部表示。迭代器模式是一种对象行为型模式,其主要优点如下。
  1. 访问一个聚合对象的内容而无须暴露它的内部表示。
  2. 遍历任务交由迭代器完成,这简化了聚合类。
  3. 它支持以不同方式遍历一个聚合,甚至可以自定义迭代器的子类以支持新的遍历。
  4. 增加新的聚合类和迭代器类都很方便,无须修改原有代码。
  5. 封装性良好,为遍历不同的聚合结构提供一个统一的接口。

其主要缺点是:增加了类的个数,这在一定程度上增加了系统的复杂性。

模式的结构与实现

迭代器模式是通过将聚合对象的遍历行为分离出来,抽象成迭代器类来实现的,其目的是在不暴露聚合对象的内部结构的情况下,让外部代码透明地访问聚合的内部数据。现在我们来分析其基本结构与实现方法。

1. 模式的结构

迭代器模式主要包含以下角色。
  1. 抽象聚合(Aggregate)角色:定义存储、添加、删除聚合对象以及创建迭代器对象的接口。
  2. 具体聚合(ConcreteAggregate)角色:实现抽象聚合类,返回一个具体迭代器的实例。
  3. 抽象迭代器(Iterator)角色:定义访问和遍历聚合元素的接口,通常包含 hasNext()、first()、next() 等方法。
  4. 具体迭代器(Concretelterator)角色:实现抽象迭代器接口中所定义的方法,完成对聚合对象的遍历,记录遍历的当前位置。

其结构图如图 1 所示。

迭代器模式的结构图
图1 迭代器模式的结构图

2. 模式的实现

迭代器模式的实现代码如下:
package iterator;
import java.util.*;
public class IteratorPattern
{
    public static void main(String[] args)
    {
        Aggregate ag=new ConcreteAggregate(); 
        ag.add("中山大学"); 
        ag.add("华南理工"); 
        ag.add("韶关学院");
        System.out.print("聚合的内容有:");
        Iterator it=ag.getIterator(); 
        while(it.hasNext())
        { 
            Object ob=it.next(); 
            System.out.print(ob.toString()+"\t"); 
        }
        Object ob=it.first();
        System.out.println("\nFirst:"+ob.toString());
    }
}
//抽象聚合
interface Aggregate
{ 
    public void add(Object obj); 
    public void remove(Object obj); 
    public Iterator getIterator(); 
}
//具体聚合
class ConcreteAggregate implements Aggregate
{ 
    private List<Object> list=new ArrayList<Object>(); 
    public void add(Object obj)
    { 
        list.add(obj); 
    }
    public void remove(Object obj)
    { 
        list.remove(obj); 
    }
    public Iterator getIterator()
    { 
        return(new ConcreteIterator(list)); 
    }     
}
//抽象迭代器
interface Iterator
{
    Object first();
    Object next();
    boolean hasNext();
}
//具体迭代器
class ConcreteIterator implements Iterator
{ 
    private List<Object> list=null; 
    private int index=-1; 
    public ConcreteIterator(List<Object> list)
    { 
        this.list=list; 
    } 
    public boolean hasNext()
    { 
        if(index<list.size()-1)
        { 
            return true;
        }
        else
        {
            return false;
        }
    }
    public Object first()
    {
        index=0;
        Object obj=list.get(index);;
        return obj;
    }
    public Object next()
    { 
        Object obj=null; 
        if(this.hasNext())
        { 
            obj=list.get(++index); 
        } 
        return obj; 
    }   
}

程序运行结果如下:
聚合的内容有:中山大学    华南理工    韶关学院   
First:中山大学

模式的应用实例

【例1】用迭代器模式编写一个浏览婺源旅游风景图的程序。

分析:婺源的名胜古迹较多,要设计一个查看相关景点图片(点此下载本实例所要显示的景点图片)和简介的程序,用“迭代器模式”设计比较合适。

首先,设计一个婺源景点(WyViewSpot)类来保存每张图片的名称与简介;再设计一个景点集(ViewSpotSet)接口,它是抽象聚合类,提供了增加和删除婺源景点的方法,以及获取迭代器的方法。

然后,定义一个婺源景点集(WyViewSpotSet)类,它是具体聚合类,用 ArrayList 来保存所有景点信息,并实现父类中的抽象方法;再定义婺源景点的抽象迭代器(ViewSpotltemtor)接口,其中包含了查看景点信息的相关方法。

最后,定义婺源景点的具体迭代器(WyViewSpotlterator)类,它实现了父类的抽象方法;客户端程序设计成窗口程序,它初始化婺源景点集(ViewSpotSet)中的数据,并实现 ActionListener 接口,它通过婺源景点迭代器(ViewSpotlterator)来査看婺源景点(WyViewSpot)的信息。图 2 所示是其结构图。

婺源旅游风景图浏览程序的结构图
图2 婺源旅游风景图浏览程序的结构图(点此查看原图

程序代码如下:
package iterator;
import java.awt.*;
import java.awt.event.*;
import java.util.ArrayList;
import javax.swing.*;
public class PictureIterator{
    public static void main(String[] args)
    {
        new PictureFrame();
    }
}
//相框类
class PictureFrame extends JFrame implements ActionListener
{
    private static final long serialVersionUID=1L;
    ViewSpotSet ag; //婺源景点集接口
    ViewSpotIterator it; //婺源景点迭代器接口
    WyViewSpot ob;    //婺源景点类
    PictureFrame()
    {
        super("中国最美乡村“婺源”的部分风景图");
        this.setResizable(false);
        ag=new WyViewSpotSet(); 
        ag.add(new WyViewSpot("江湾","江湾景区是婺源的一个国家5A级旅游景区,景区内有萧江宗祠、永思街、滕家老屋、婺源人家、乡贤园、百工坊等一大批古建筑,精美绝伦,做工精细。")); 
        ag.add(new WyViewSpot("李坑","李坑村是一个以李姓聚居为主的古村落,是国家4A级旅游景区,其建筑风格独特,是著名的徽派建筑,给人一种安静、祥和的感觉。")); 
        ag.add(new WyViewSpot("思溪延村","思溪延村位于婺源县思口镇境内,始建于南宋庆元五年(1199年),当时建村者俞氏以(鱼)思清溪水而名。"));
        ag.add(new WyViewSpot("晓起村","晓起有“中国茶文化第一村”与“国家级生态示范村”之美誉,村屋多为清代建筑,风格各具特色,村中小巷均铺青石,曲曲折折,回环如棋局。")); 
        ag.add(new WyViewSpot("菊径村","菊径村形状为山环水绕型,小河成大半圆型,绕村庄将近一周,四周为高山环绕,符合中国的八卦“后山前水”设计,当地人称“脸盆村”。")); 
        ag.add(new WyViewSpot("篁岭","篁岭是著名的“晒秋”文化起源地,也是一座距今近六百历史的徽州古村;篁岭属典型山居村落,民居围绕水口呈扇形梯状错落排布。"));
        ag.add(new WyViewSpot("彩虹桥","彩虹桥是婺源颇有特色的带顶的桥——廊桥,其不仅造型优美,而且它可在雨天里供行人歇脚,其名取自唐诗“两水夹明镜,双桥落彩虹”。")); 
        ag.add(new WyViewSpot("卧龙谷","卧龙谷是国家4A级旅游区,这里飞泉瀑流泄银吐玉、彩池幽潭碧绿清新、山峰岩石挺拔奇巧,活脱脱一幅天然泼墨山水画。"));
        it = ag.getIterator(); //获取婺源景点迭代器 
        ob = it.first(); 
        this.showPicture(ob.getName(),ob.getIntroduce());
    }
    //显示图片
    void showPicture(String Name,String Introduce)
    {       
        Container cp=this.getContentPane();       
        JPanel picturePanel=new JPanel();
        JPanel controlPanel=new JPanel();       
        String FileName="src/iterator/Picture/"+Name+".jpg";
        JLabel lb=new JLabel(Name,new ImageIcon(FileName),JLabel.CENTER);   
        JTextArea ta=new JTextArea(Introduce);       
        lb.setHorizontalTextPosition(JLabel.CENTER);
        lb.setVerticalTextPosition(JLabel.TOP);
        lb.setFont(new Font("宋体",Font.BOLD,20));
        ta.setLineWrap(true);       
        ta.setEditable(false);
        //ta.setBackground(Color.orange);
        picturePanel.setLayout(new BorderLayout(5,5));
        picturePanel.add("Center",lb);       
        picturePanel.add("South",ta);       
        JButton first, last, next, previous;
        first=new JButton("第一张");
        next=new JButton("下一张");
        previous=new JButton("上一张");
        last=new JButton("最末张");
        first.addActionListener(this);
        next.addActionListener(this);
        previous.addActionListener(this);
        last.addActionListener(this);        
        controlPanel.add(first);
        controlPanel.add(next);
        controlPanel.add(previous);
        controlPanel.add(last);       
        cp.add("Center",picturePanel);
        cp.add("South",controlPanel);
        this.setSize(630, 550);
        this.setVisible(true);
        this.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
    }
    @Override
    public void actionPerformed(ActionEvent arg0)
    {
        String command=arg0.getActionCommand();
        if(command.equals("第一张"))
        {
            ob=it.first(); 
            this.showPicture(ob.getName(),ob.getIntroduce());
        }
        else if(command.equals("下一张"))
        {
            ob=it.next(); 
            this.showPicture(ob.getName(),ob.getIntroduce());
        }
        else if(command.equals("上一张"))
        {
            ob=it.previous(); 
            this.showPicture(ob.getName(),ob.getIntroduce());
        }
        else if(command.equals("最末张"))
        {
            ob=it.last(); 
            this.showPicture(ob.getName(),ob.getIntroduce());
        }
    }
}
//婺源景点类
class WyViewSpot
{
    private String Name;
    private String Introduce;
    WyViewSpot(String Name,String Introduce)
    {
        this.Name=Name;
        this.Introduce=Introduce;
    }
    public String getName()
    {
        return Name;
    }
    public String getIntroduce()
    {
        return Introduce;
    }
}
//抽象聚合:婺源景点集接口
interface ViewSpotSet
{ 
    void add(WyViewSpot obj); 
    void remove(WyViewSpot obj); 
    ViewSpotIterator getIterator(); 
}
//具体聚合:婺源景点集
class WyViewSpotSet implements ViewSpotSet
{ 
    private ArrayList<WyViewSpot> list=new ArrayList<WyViewSpot>(); 
    public void add(WyViewSpot obj)
    { 
        list.add(obj); 
    }
    public void remove(WyViewSpot obj)
    { 
        list.remove(obj); 
    }
    public ViewSpotIterator getIterator()
    { 
        return(new WyViewSpotIterator(list)); 
    }     
}
//抽象迭代器:婺源景点迭代器接口
interface ViewSpotIterator
{
    boolean hasNext();
    WyViewSpot first();
    WyViewSpot next();
    WyViewSpot previous();
    WyViewSpot last(); 
}
//具体迭代器:婺源景点迭代器
class WyViewSpotIterator implements ViewSpotIterator
{ 
    private ArrayList<WyViewSpot> list=null; 
    private int index=-1;
    WyViewSpot obj=null;
    public WyViewSpotIterator(ArrayList<WyViewSpot> list)
    {
        this.list=list; 
    } 
    public boolean hasNext()
    { 
        if(index<list.size()-1)
        { 
            return true;
        }
        else
        {
            return false;
        }
    }
    public WyViewSpot first()
    {
        index=0;
        obj=list.get(index);
        return obj;
    }
    public WyViewSpot next()
    {         
        if(this.hasNext())
        { 
            obj=list.get(++index);
        } 
        return obj; 
    }
    public WyViewSpot previous()
    { 
        if(index>0)
        { 
            obj=list.get(--index); 
        } 
        return obj; 
    }
    public WyViewSpot last()
    {
        index=list.size()-1;
        obj=list.get(index);
        return obj;
    }
}

程序运行结果如图 3 所示。

婺源旅游风景图浏览程序的运行结果
图3 婺源旅游风景图浏览程序的运行结果(点此查看原图

模式的应用场景

前面介绍了关于迭代器模式的结构与特点,下面介绍其应用场景,迭代器模式通常在以下几种情况使用。
  1. 当需要为聚合对象提供多种遍历方式时。
  2. 当需要为遍历不同的聚合结构提供一个统一的接口时。
  3. 当访问一个聚合对象的内容而无须暴露其内部细节的表示时。

由于聚合与迭代器的关系非常密切,所以大多数语言在实现聚合类时都提供了迭代器类,因此大数情况下使用语言中已有的聚合类的迭代器就已经够了。

模式的扩展

迭代器模式常常与组合模式结合起来使用,在对组合模式中的容器构件进行访问时,经常将迭代器潜藏在组合模式的容器构成类中。当然,也可以构造一个外部迭代器来对容器构件进行访问,其结构图如图 4 所示。

组合迭代器模式的结构图
图4 组合迭代器模式的结构图
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