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迭代器模式的简介
在软件开发中，我们经常需要使用聚合对象来存储一系列数据。聚合对象拥有两个职责：一是存储数据；二是遍历数据。从依赖性来看，前者是聚合对象的基本职责；而后者既是可变化的，又是可分离的。因此，可以将遍历数据的行为从聚合对象中分离出来，封装在一个被称之为“迭代器”的对象中，由迭代器来提供遍历聚合对象内部数据的行为，这将简化聚合对象的设计，更符合“单一职责原则”的要求。
迭代器模式定义如下：
迭代器模式(Iterator Pattern)：提供一种方法来访问聚合对象，而不用暴露这个对象的内部表示，其别名为游标(Cursor)。迭代器模式是一种对象行为型模式。
在迭代器模式结构中包含聚合和迭代器两个层次结构，考虑到系统的灵活性和可扩展性，在迭代器模式中应用了工厂方法模式
迭代器模式的抽象代码
在迭代器模式结构图中包含如下几个角色：
● Iterator（抽象迭代器）：它定义了访问和遍历元素的接口，声明了用于遍历数据元素的方法，例如：用于获取第一个元素的first()方法，用于访问下一个元素的next()方法，用于判断是否还有下一个元素的hasNext()方法，用于获取当前元素的currentItem()方法等，在具体迭代器中将实现这些方法。
● ConcreteIterator（具体迭代器）：它实现了抽象迭代器接口，完成对聚合对象的遍历，同时在具体迭代器中通过游标来记录在聚合对象中所处的当前位置，在具体实现时，游标通常是一个表示位置的非负整数。
● Aggregate（抽象聚合类）：它用于存储和管理元素对象，声明一个createIterator()方法用于创建一个迭代器对象，充当抽象迭代器工厂角色。
● ConcreteAggregate（具体聚合类）：它实现了在抽象聚合类中声明的createIterator()方法，该方法返回一个与该具体聚合类对应的具体迭代器ConcreteIterator实例。
在迭代器模式中，提供了一个外部的迭代器来对聚合对象进行访问和遍历，迭代器定义了一个访问该聚合元素的接口，并且可以跟踪当前遍历的元素，了解哪些元素已经遍历过而哪些没有。迭代器的引入，将使得对一个复杂聚合对象的操作变得简单。
下面我们结合代码来对迭代器模式的结构进行进一步分析。在迭代器模式中应用了工厂方法模式，抽象迭代器对应于抽象产品角色，具体迭代器对应于具体产品角色，抽象聚合类对应于抽象工厂角色，具体聚合类对应于具体工厂角色。
在抽象迭代器中声明了用于遍历聚合对象中所存储元素的方法，典型代码如下所示：
interface Iterator {
public void first(); //将游标指向第一个元素
public void next(); //将游标指向下一个元素
public boolean hasNext(); //判断是否存在下一个元素
public Object currentItem(); //获取游标指向的当前元素
}
在具体迭代器中将实现抽象迭代器声明的遍历数据的方法，如下代码所示：
class ConcreteIterator implements Iterator {
private ConcreteAggregate objects; //维持一个对具体聚合对象的引用，以便于访问存储在聚合对象中的数据
private int cursor; //定义一个游标，用于记录当前访问位置
public ConcreteIterator(ConcreteAggregate objects) {
this.objects=objects;
}
public void first() { ...... }
public void next() { ...... }
public boolean hasNext() { ...... }
public Object currentItem() { ...... }
}
需要注意的是抽象迭代器接口的设计非常重要，一方面需要充分满足各种遍历操作的要求，尽量为各种遍历方法都提供声明，另一方面又不能包含太多方法，接口中方法太多将给子类的实现带来麻烦。因此，可以考虑使用抽象类来设计抽象迭代器，在抽象类中为每一个方法提供一个空的默认实现。如果需要在具体迭代器中为聚合对象增加全新的遍历操作，则必须修改抽象迭代器和具体迭代器的源代码，这将违反“开闭原则”，因此在设计时要考虑全面，避免之后修改接口。
聚合类用于存储数据并负责创建迭代器对象，最简单的抽象聚合类代码如下所示：
interface Aggregate {
Iterator createIterator();
}
具体聚合类作为抽象聚合类的子类，一方面负责存储数据，另一方面实现了在抽象聚合类中声明的工厂方法createIterator()，用于返回一个与该具体聚合类对应的具体迭代器对象，代码如下所示：
class ConcreteAggregate implements Aggregate {
......
public Iterator createIterator() {
return new ConcreteIterator(this);
}
......
}
迭代器模式的具体代码
一个电视机（Tv）内有很多频道（Channel），对电视做一个迭代器（TvIterator），能搞循环得到一个个频道
Aggregate接口
有一个创建iterator的方法
package algorithm.designpattern.p12iteratorpattern;
public interface Aggregate {
public Iterator createIterator();
}
Tv类
内部有一个string类型的list，用addChannel往里面加东西
createIterator方法，返回一个新的TvIterator，用自身作为参数
package algorithm.designpattern.p12iteratorpattern;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class Tv implements Aggregate {
List<String> channels=new ArrayList<>();
@Override
public Iterator createIterator() {
return new TvIterator(this);
}
public void addChannel(String channel){
channels.add(channel);
}
public List<String> getChannels(){
return channels;
}
}
迭代器接口Iterator
简单的迭代器，有next和hasNext方法
package algorithm.designpattern.p12iteratorpattern;
public interface Iterator {
public Object next();
public boolean hasNext();
}
电视的迭代器类TvIterator
内部有一个tv和list的引用，通过构造函数传入，还有index作为指针，初始值为0，length的大小为list的长度
next方法先得到i位置的list，再i++
hasNext方法判断index与length的大小关系
package algorithm.designpattern.p12iteratorpattern;
import java.util.List;
public class TvIterator implements Iterator {
Tv tv;
List<String> list;
int index=0;
int length=0;
public TvIterator(Tv tv){
this.tv=tv;
this.list=tv.getChannels();
length=list.size();
}
public Object next(){
return list.get(index++);
}
public boolean hasNext(){
if(index>=length){
return false;
}
else{
return true;
}
}
}
测试
package algorithm.designpattern.p12iteratorpattern;
public class Client {
public static void main(String[] args) {
Tv tv=new Tv();
tv.addChannel("湖南");
tv.addChannel("上海");
tv.addChannel("央视");
Iterator iterator=tv.createIterator();
while(iterator.hasNext()){
System.out.println(iterator.next()+"卫视");
}
}
}
湖南卫视
上海卫视
央视卫视
如果需要增加一个新的具体聚合类，如客户数据集合类，并且需要为客户数据集合类提供不同于商品数据集合类的正向遍历和逆向遍历操作，只需增加一个新的聚合子类和一个新的具体迭代器类即可，原有类库代码无须修改，符合“开闭原则”；如果需要为ProductList类更换一个迭代器，只需要增加一个新的具体迭代器类作为抽象迭代器类的子类，重新实现遍历方法，原有迭代器代码无须修改，也符合“开闭原则”；但是如果要在迭代器中增加新的方法，则需要修改抽象迭代器源代码，这将违背“开闭原则”。
迭代器模式的内部迭代器
在迭代器模式结构图中，我们可以看到具体迭代器类和具体聚合类之间存在双重关系，其中一个关系为关联关系，在具体迭代器中需要维持一个对具体聚合对象的引用，该关联关系的目的是访问存储在聚合对象中的数据，以便迭代器能够对这些数据进行遍历操作。
除了使用关联关系外，为了能够让迭代器可以访问到聚合对象中的数据，我们还可以将迭代器类设计为聚合类的内部类，JDK中的迭代器类就是通过这种方法来实现的，如下AbstractList类代码片段所示：
package java.util;
……
public abstract class AbstractList<E> extends AbstractCollection<E> implements List<E> {
......
private class Itr implements Iterator<E> {
int cursor = 0;
......
}
……
}
我们可以通过类似的方法来设计第3节中的ProductList类，将ProductIterator类作为ProductList类的内部类，代码如下所示：
//商品数据类：具体聚合类
class ProductList extends AbstractObjectList {
public ProductList(List products) {
super(products);
}
public AbstractIterator createIterator() {
return new ProductIterator();
}
//商品迭代器：具体迭代器，内部类实现
private class ProductIterator implements AbstractIterator {
private int cursor1;
private int cursor2;
public ProductIterator() {
cursor1 = 0;
cursor2 = objects.size() -1;
}
public void next() {
if(cursor1 < objects.size()) {
cursor1++;
}
}
public boolean isLast() {
return (cursor1 == objects.size());
}
public void previous() {
if(cursor2 > -1) {
cursor2--;
}
}
public boolean isFirst() {
return (cursor2 == -1);
}
public Object getNextItem() {
return objects.get(cursor1);
}
public Object getPreviousItem() {
return objects.get(cursor2);
}
}
}
无论使用哪种实现机制，客户端代码都是一样的，也就是说客户端无须关心具体迭代器对象的创建细节，只需通过调用工厂方法createIterator()即可得到一个可用的迭代器对象，这也是使用工厂方法模式的好处，通过工厂来封装对象的创建过程，简化了客户端的调用。
jdk自带的迭代器
为了让开发人员能够更加方便地操作聚合对象，在Java、C#等编程语言中都提供了内置迭代器。在Java集合框架中，常用的List和Set等聚合类都继承（或实现）了java.util.Collection接口，在Collection接口中声明了如下方法（部分）：
package java.util;
public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
……
boolean add(Object c);
boolean addAll(Collection c);
boolean remove(Object o);
boolean removeAll(Collection c);
boolean remainAll(Collection c);
Iterator iterator();
……
}
除了包含一些增加元素和删除元素的方法外，还提供了一个iterator()方法，用于返回一个Iterator迭代器对象，以便遍历聚合中的元素；具体的Java聚合类可以通过实现该iterator()方法返回一个具体的Iterator对象。
JDK中定义了抽象迭代器接口Iterator，代码如下所示：
package java.util;
public interface Iterator<E> {
boolean hasNext();
E next();
void remove();
}
其中，hasNext()用于判断聚合对象中是否还存在下一个元素，为了不抛出异常，在每次调用next()之前需先调用hasNext()，如果有可供访问的元素，则返回true；next()方法用于将游标移至下一个元素，通过它可以逐个访问聚合中的元素，它返回游标所越过的那个元素的引用；remove()方法用于删除上次调用next()时所返回的元素。
Java迭代器工作原理如图5所示，在第一个next()方法被调用时，迭代器游标由“元素1”与“元素2”之间移至“元素2”与“元素3”之间，跨越了“元素2”，因此next()方法将返回对“元素2”的引用；在第二个next()方法被调用时，迭代器由“元素2”与“元素3”之间移至“元素3”和“元素4”之间，next()方法将返回对“元素3”的引用，如果此时调用remove()方法，即可将“元素3”删除。
如下代码片段可用于删除聚合对象中的第一个元素：
Iterator iterator = collection.iterator(); //collection是已实例化的聚合对象
iterator.next(); // 跳过第一个元素
iterator.remove(); // 删除第一个元素
需要注意的是，在这里，next()方法与remove()方法的调用是相互关联的。如果调用remove()之前，没有先对next()进行调用，那么将会抛出一个IllegalStateException异常，因为没有任何可供删除的元素。 如下代码片段可用于删除两个相邻的元素：
iterator.remove();
iterator.next(); //如果删除此行代码程序将抛异常
iterator.remove();
在上面的代码片段中如果将代码iterator.next();去掉则程序运行抛异常，因为第二次删除时将找不到可供删除的元素。
在JDK中，Collection接口和Iterator接口充当了迭代器模式的抽象层，分别对应于抽象聚合类和抽象迭代器，而Collection接口的子类充当了具体聚合类，下面以List为例加以说明，图6列出了JDK中部分与List有关的类及它们之间的关系：
在JDK中，实际情况比图6要复杂很多，在图6中，List接口除了继承Collection接口的iterator()方法外，还增加了新的工厂方法listIterator()，专门用于创建ListIterator类型的迭代器，在List的子类LinkedList中实现了该方法，可用于创建具体的ListIterator子类ListItr的对象，代码如下所示：
public ListIterator<E> listIterator(int index) {
return new ListItr(index);
}
listIterator()方法用于返回具体迭代器ListItr类型的对象。在JDK源码中，AbstractList中的iterator()方法调用了listIterator()方法，如下代码所示：
public Iterator iterator() {
return listIterator();
}
客户端通过调用LinkedList类的iterator()方法，即可得到一个专门用于遍历LinkedList的迭代器对象。
大家可能会问？既然有了iterator()方法，为什么还要提供一个listIterator()方法呢？这两个方法的功能不会存在重复吗？干嘛要多此一举？
这是一个好问题。我给大家简单解释一下为什么要这样设计：由于在Iterator接口中定义的方法太少，只有三个，通过这三个方法只能实现正向遍历，而有时候我们需要对一个聚合对象进行逆向遍历等操作，因此在JDK的ListIterator接口中声明了用于逆向遍历的hasPrevious()和previous()等方法，如果客户端需要调用这两个方法来实现逆向遍历，就不能再使用iterator()方法来创建迭代器了，因为此时创建的迭代器对象是不具有这两个方法的。我们只能通过如下代码来创建ListIterator类型的迭代器对象：
ListIterator i = c.listIterator();
正因为如此，在JDK的List接口中不得不增加对listIterator()方法的声明，该方法可以返回一个ListIterator类型的迭代器，ListIterator迭代器具有更加强大的功能。
思考
为什么使用iterator()方法创建的迭代器无法实现逆向遍历？
在Java语言中，我们可以直接使用JDK内置的迭代器来遍历聚合对象中的元素，下面的代码演示了如何使用Java内置的迭代器：
import java.util.*;
class IteratorDemo {
public static void process(Collection c) {
Iterator i = c.iterator(); //创建迭代器对象
//通过迭代器遍历聚合对象
while(i.hasNext()) {
System.out.println(i.next().toString());
}
}
public static void main(String args[]) {
Collection persons;
persons = new ArrayList(); //创建一个ArrayList类型的聚合对象
persons.add("张无忌");
persons.add("小龙女");
persons.add("令狐冲");
persons.add("韦小宝");
persons.add("袁紫衣");
persons.add("小龙女");
process(persons);
}
}
在静态方法process()中使用迭代器Iterator对Collection对象进行处理，该代码运行结果如下：
张无忌 小龙女 令狐冲 韦小宝 袁紫衣 小龙女
如果需要更换聚合类型，如将List改成Set，则只需更换具体聚合类类名，如将上述代码中的ArrayList改为HashSet，则输出结果如下：
令狐冲 张无忌 韦小宝 小龙女 袁紫衣 ```
在HashSet中合并了重复元素，并且元素以随机次序输出，其结果与使用ArrayList不相同。由此可见，通过使用迭代器模式，使得更换具体聚合类变得非常方便，而且还可以根据需要增加新的聚合类，新的聚合类只需要实现Collection接口，无须修改原有类库代码，符合“开闭原则”。
迭代器模式的优点
(1)它支持以不同的方式遍历一个聚合对象，在同一个聚合对象上可以定义多种遍历方式。在迭代器模式中只需要用一个不同的迭代器来替换原有迭代器即可改变遍历算法，我们也可以自己定义迭代器的子类以支持新的遍历方式。
(2) 迭代器简化了聚合类。由于引入了迭代器，在原有的聚合对象中不需要再自行提供数据遍历等方法，这样可以简化聚合类的设计。
(3) 在迭代器模式中，由于引入了抽象层，增加新的聚合类和迭代器类都很方便，无须修改原有代码，满足“开闭原则”的要求。
迭代器模式的缺点
(1) 由于迭代器模式将存储数据和遍历数据的职责分离，增加新的聚合类需要对应增加新的迭代器类，类的个数成对增加，这在一定程度上增加了系统的复杂性。
(2) 抽象迭代器的设计难度较大，需要充分考虑到系统将来的扩展，例如JDK内置迭代器Iterator就无法实现逆向遍历，如果需要实现逆向遍历，只能通过其子类ListIterator等来实现，而ListIterator迭代器无法用于操作Set类型的聚合对象。在自定义迭代器时，创建一个考虑全面的抽象迭代器并不是件很容易的事情
迭代器模式的适用场景
迭代器模式是一种使用频率非常高的设计模式，通过引入迭代器可以将数据的遍历功能从聚合对象中分离出来，聚合对象只负责存储数据，而遍历数据由迭代器来完成。由于很多编程语言的类库都已经实现了迭代器模式，因此在实际开发中，我们只需要直接使用Java、C#等语言已定义好的迭代器即可，迭代器已经成为我们操作聚合对象的基本工具之一。
(1) 访问一个聚合对象的内容而无须暴露它的内部表示。将聚合对象的访问与内部数据的存储分离，使得访问聚合对象时无须了解其内部实现细节。
(2) 需要为一个聚合对象提供多种遍历方式。
(3) 为遍历不同的聚合结构提供一个统一的接口，在该接口的实现类中为不同的聚合结构提供不同的遍历方式，而客户端可以一致性地操作该接口。