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迭代器模式--沙场秋点兵

2022-06-11 10:54:00 【zhanyd】

文章目录

引子

小帅在军中官至军师，身居高位，必然要尽心尽责，最近又要主动进行士兵普查，遂命各副将按各个兵种准备士兵名册。统领步兵的副将周仓，带队骑兵的副将马良，各自领命回去准备。

没过几日，周仓和马良就把各兵种的名册呈上来了，小帅翻开一看…

士兵类：

/** * 士兵类 */
public class Soldier {
    
    /** * 姓名 */
    String name;
    /** * 兵种 */
    String unit;
    /** * 所属 */
    String belongs;

    public Soldier(String name, String unit, String belongs) {
    
        this.name = name;
        this.unit = unit;
        this.belongs = belongs;
    }

    public String getName() {
    
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
    
        this.name = name;
    }

    public String getUnit() {
    
        return unit;
    }

    public void setUnit(String unit) {
    
        this.unit = unit;
    }

    public String getBelongs() {
    
        return belongs;
    }

    public void setBelongs(String belongs) {
    
        this.belongs = belongs;
    }

    @Override
    public String toString() {
    
        return "姓名：" + name + ", 兵种：" + unit + ", 所属：" + belongs;
    }
}

周仓队的步兵名册是用数组保存的：

/** * 周仓队 */
public class ZhouCangArrayArmy {
    

    static final int MAX_ITEMS_NUM = 5;
    Soldier[] soldierArray;
    int index = 0;

    public ZhouCangArrayArmy() {
    
        soldierArray = new Soldier[MAX_ITEMS_NUM];
        addItem("华季鸣","步兵","周仓队");
        addItem("春孟心","步兵","周仓队");
        addItem("务孟晓","步兵","周仓队");
        addItem("成仲爰","步兵","周仓队");
        addItem("汉孟宝","步兵","周仓队");
    }

    /** * 添加元素到数组 * @param name * @param unit * @param belongs */
    public void addItem(String name, String unit, String belongs) {
    
        Soldier soldier = new Soldier(name, unit, belongs);
        if(index >= MAX_ITEMS_NUM) {
    
            System.out.println("数组已满，无法添加。");
        } else {
    
            soldierArray[index] = soldier;
            index++;
        }
    }

    /** * 获取士兵数组 * @return */
    public Soldier[] getSoldiers() {
    
        return soldierArray;
    }

}

马良队的骑兵名册是用List保存的：

/** * 马良队 */
public class MaliangListArmy {
    

    ArrayList<Soldier> soldierList;

    public MaliangListArmy() {
    
        soldierList = new ArrayList<Soldier>();
        addItem("达海青","轻骑兵","马良队");
        addItem("严行秋","轻骑兵","马良队");
        addItem("卓重云","轻骑兵","马良队");
        addItem("王勇申","轻骑兵","马良队");
        addItem("邱协洽","轻骑兵","马良队");
    }

    /** * 添加元素到列表 * @param name * @param unit * @param belongs */
    public void addItem(String name, String unit, String belongs) {
    
        Soldier soldier = new Soldier(name, unit, belongs);
        soldierList.add(soldier);
    }

    /** * 获取士兵列表 * @return */
    public ArrayList<Soldier> getSoldiers() {
    
        return soldierList;
    }

}

小帅开始遍历名册：

/** * 遍历士兵 */
public class InspectSoldierNormal {
    
    public static void main(String[] args) {
    
        // 遍历周仓队
        ZhouCangArrayArmy zhouCangArrayArmy = new ZhouCangArrayArmy();
        Soldier[] soldierArray = zhouCangArrayArmy.getSoldiers();
        for(int i = 0; i < soldierArray.length; i++) {
    
            System.out.println(soldierArray[i]);
        }
      
        // 遍历马良队
        MaliangListArmy maliangListArmy = new MaliangListArmy();
        ArrayList<Soldier> soldierList = maliangListArmy.getSoldiers();
        for(int i = 0; i < soldierList.size(); i++) {
    
            System.out.println(soldierList.get(i));
        }
    }
}

遍历结果：

姓名：华季鸣, 兵种：步兵, 所属：周仓队
姓名：春孟心, 兵种：步兵, 所属：周仓队
姓名：务孟晓, 兵种：步兵, 所属：周仓队
姓名：成仲爰, 兵种：步兵, 所属：周仓队
姓名：汉孟宝, 兵种：步兵, 所属：周仓队
姓名：达海青, 兵种：轻骑兵, 所属：马良队
姓名：严行秋, 兵种：轻骑兵, 所属：马良队
姓名：卓重云, 兵种：轻骑兵, 所属：马良队
姓名：王勇申, 兵种：轻骑兵, 所属：马良队
姓名：邱协洽, 兵种：轻骑兵, 所属：马良队

小帅立马发现了问题，责问到：怎么你们的士兵名单存储的方式都不一样啊？两个人都用不同的存储结构，遍历的方式都不一样，这样查起来太麻烦啦！

二人面露难色，马良上前说道：是我们疏忽大意，没有事先统一好，不过现在名册都已经做好，恐不好变更了。

迭代器模式

小帅沉思片刻，对他们说道，你们看，虽然你们用的遍历方法不一样，但是也有共同点：

  1. 判断集合中还有没有元素
  2. 取出元素
    在这里插入图片描述

这样，我们可以抽象出一个迭代器来，下面我就来介绍下迭代器模式吧。

迭代器模式（Iterator Design Pattern）：提供一种方法顺序访问一个集合对象中的各个元素，而又不需暴露该对象的内部表示。

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。迭代器模式也叫做游标模式（Cursor Design Pattern）。

在这里插入图片描述
用了迭代器模式之后的代码：

迭代器接口：

public interface Iterator<E> {
    
    boolean hasNext();
    E next();
}

周仓队迭代器实现类：

/** * 周仓队迭代器实现类 */
public class ZhouCangArmyIterator implements Iterator {
    

    private int index = 0;
    private Soldier[] soldierArray;

    public ZhouCangArmyIterator(Soldier[] soldierArray) {
    
        this.soldierArray = soldierArray;
    }

    @Override
    public boolean hasNext() {
    
        if(index < soldierArray.length) {
    
            return true;
        }
        return false;
    }

    @Override
    public Soldier next() {
    
        Soldier soldier = soldierArray[index];
        index++;
        return soldier;
    }
}

马良队迭代器实现类：

/** * 马良队迭代器实现类 */
public class MaliangArmyIterator implements Iterator {
    

    private int index = 0;
    private ArrayList<Soldier> soldierList;

    public MaliangArmyIterator(ArrayList<Soldier> soldierList) {
    
        this.soldierList = soldierList;
    }

    @Override
    public boolean hasNext() {
    
        if(index < soldierList.size()) {
    
            return true;
        }
        return false;
    }

    @Override
    public Soldier next() {
    
        Soldier item = soldierList.get(index);
        index++;
        return item;
    }

}

集合接口：

public interface ArmyCollection {
    
    Iterator createIterator();
}

周仓队实现类：

/** * 周仓队 */
public class ZhouCangArrayArmy implements ArmyCollection{
    

    static final int MAX_ITEMS_NUM = 5;
    Soldier[] soldierArray;
    int index = 0;

    public ZhouCangArrayArmy() {
    
        soldierArray = new Soldier[MAX_ITEMS_NUM];
        addItem("华季鸣","步兵","周仓队");
        addItem("春孟心","步兵","周仓队");
        addItem("务孟晓","步兵","周仓队");
        addItem("成仲爰","步兵","周仓队");
        addItem("汉孟宝","步兵","周仓队");
    }

    /** * 添加元素到数组 * @param name * @param unit * @param belongs */
    public void addItem(String name, String unit, String belongs) {
    
        Soldier soldier = new Soldier(name, unit, belongs);
        if(index >= MAX_ITEMS_NUM) {
    
            System.out.println("数组已满，无法添加。");
        } else {
    
            soldierArray[index] = soldier;
            index++;
        }
    }

    /** * 获取士兵数组 * @return */
    public Soldier[] getSoldiers() {
    
        return soldierArray;
    }

    @Override
    public Iterator createIterator(){
    
        return new ZhouCangArmyIterator(soldierArray);
    }

}

马良队实现类：

/** * 马良队 */
public class MaliangListArmy implements ArmyCollection{
    

    ArrayList<Soldier> soldierList;

    public MaliangListArmy() {
    
        soldierList = new ArrayList<Soldier>();
        addItem("达海青","轻骑兵","马良队");
        addItem("严行秋","轻骑兵","马良队");
        addItem("卓重云","轻骑兵","马良队");
        addItem("王勇申","轻骑兵","马良队");
        addItem("邱协洽","轻骑兵","马良队");
    }

    /** * 添加元素到列表 * @param name * @param unit * @param belongs */
    public void addItem(String name, String unit, String belongs) {
    
        Soldier soldier = new Soldier(name, unit, belongs);
        soldierList.add(soldier);
    }

    /** * 获取士兵列表 * @return */
    public ArrayList<Soldier> getSoldiers() {
    
        return soldierList;
    }

    @Override
    public Iterator createIterator() {
    
        return new MaliangArmyIterator(soldierList);
    }

}

遍历士兵：

/** * 遍历士兵 */
public class InspectSoldierIterator {
    

    public static void main(String[] args) {
    
        // 遍历周仓队
        ZhouCangArrayArmy zhouCangArrayArmy = new ZhouCangArrayArmy();
        Iterator iterator = zhouCangArrayArmy.createIterator();
        // 调用统一的遍历方法
        traversalItems(iterator);

        // 遍历马良队
        MaliangListArmy maliangListArmy = new MaliangListArmy();
        iterator = maliangListArmy.createIterator();
        // 调用统一的遍历方法
        traversalItems(iterator);
    }

    /** * 遍历元素 * @param iterator */
    public static void traversalItems(Iterator iterator) {
    
        while (iterator.hasNext()) {
    
            System.out.println(iterator.next());
        }
    }
}

输出结果：

姓名：华季鸣, 兵种：步兵, 所属：周仓队
姓名：春孟心, 兵种：步兵, 所属：周仓队
姓名：务孟晓, 兵种：步兵, 所属：周仓队
姓名：成仲爰, 兵种：步兵, 所属：周仓队
姓名：汉孟宝, 兵种：步兵, 所属：周仓队
姓名：达海青, 兵种：轻骑兵, 所属：马良队
姓名：严行秋, 兵种：轻骑兵, 所属：马良队
姓名：卓重云, 兵种：轻骑兵, 所属：马良队
姓名：王勇申, 兵种：轻骑兵, 所属：马良队
姓名：邱协洽, 兵种：轻骑兵, 所属：马良队

"这样就可以用同样的方法去遍历不同的数据结构了，而又不需关注该对象的内部表示，是不是很方便？"小帅得意地说道。

使用java.util.Iterator

周仓不解道：“军师所言极是，不过，Java的List数据结构已经有现成的迭代器了，不用再重新实现了吧？”

小帅赞许道：“将军果然见识广啊，不错，Java的集合已经实现了Iterator接口，直接拿来用就可以啦！”

我们改造下程序，直接把MaliangArmyIterator类删掉，把Iterator接口改成java.util.Iterator，然后调用ArrayList.iterator()方法就可以啦。
在这里插入图片描述

迭代器的优势

马良思考良久说：“Java已经有for循环遍历方式了，比起迭代器遍历方式，代码看起来更加简洁啊，那我们为什么还要用迭代器来遍历容器呢？迭代器的应用场景有哪些呢？”

小帅点点头：“你说的很有道理，我来说几点理由。“

首先，对于简单的数据结构直接使用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。

如果将这部分遍历的逻辑写到容器类中，就会增加容器类代码的复杂性，如果我们把树的前序遍历方式改成中序遍历方式，就需要修改容器类的代码。

容器类既要完成自己的本职工作（管理数据聚合），又要负责遍历，这就不符合一个重要的设计原则：单一职责原则。

单一职责原则：一个类或者模块只负责完成一个职责（或者功能）。

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，我们可以将遍历操作拆分到迭代器类中，让容器类的职责更加单一。

其次，迭代器提供了接口，我们在实现代码的时候都是基于接口编程而不是基于实现编程，如果要添加新的遍历算法，我们只需要扩展新的迭代器类，也更符合开闭原则。

最后，如果你要在遍历时删除元素，你会怎么做？

如何在遍历时删除元素

这还不简单，直接在for循环中删除就好了呀，马良不加思索的说。

小帅笑道，那请将军来试试看。

马良随手写了一段代码，先打印再删除：

public class DeleteNormal {
    
    public static void main(String[] args) {
    
        List<String> lists = new ArrayList<String>();
        lists.add("a");
        lists.add("b");
        lists.add("c");
        lists.add("d");
        lists.add("e");
        for(int i = 0; i < lists.size(); i++) {
    
            System.out.println(lists.get(i));
            lists.remove(i);
        }
    }
}

一运行却傻了眼：

a
c
e

结果怎么就和想象的不一样了呢？下面我们通过一个动画效果来看一下：
在这里插入图片描述

ArrayList的底层是数组，元素的删除会导致数组的移动，刚开始指针指向第0个元素“a"，系统打印出了"a"，删除了"a"之后，数组的所有元素向前移动一位，第0个元素就变成了"b"，指针向后移一位后就直接指向了元素"c"，系统打印出了"c"，以此类推，最后删除了"e"之后，循环就结束了。

所以在遍历数组的时候添加或删除元素会导致不可预知的问题，那么如何在遍历的时候安全的删除元素呢？

没错，用迭代器就能做到：

public class DeleteIterator {
    
    public static void main(String[] args) {
    
        List<String> lists = new ArrayList<String>();
        lists.add("a");
        lists.add("b");
        lists.add("c");
        lists.add("d");
        lists.add("e");
        Iterator listsIterator = lists.iterator();
        while (listsIterator.hasNext()) {
    
            System.out.println(listsIterator.next());
            listsIterator.remove();
        }
    }
}

输出：

a
b
c
d
e

那么迭代器是如何做到的呢？

我们来看一下源码：
在这里插入图片描述
原来在执行完ArrayList.this.remove(lastRet) 语句删除了元素之后，自动把指针重置到前一个元素上了，这就刚好抵消了数组的移动。

java.util.Iterator的安全机制

Java的Iterator接口使用起来更加安全，比如一个集合有两个迭代器的时候，其中一个迭代器删除了一个元素，为了避免出现不可预知的结果，另一个迭代器就会抛出异常，结束运行。

public class IteratorDemo {
    
    public static void main(String[] args) {
    
        List<String> lists = new ArrayList<String>();
        lists.add("a");
        lists.add("b");
        lists.add("c");
        lists.add("d");
        lists.add("e");
        Iterator listsIterator = lists.iterator();
        Iterator listsIterator2 = lists.iterator();
        listsIterator.next();
        // 删除一个元素
        listsIterator.remove();
        // 集合变更后，抛出ConcurrentModificationException异常
        listsIterator2.next();
    }
}

集合中的元素变更后，第二个迭代器抛出ConcurrentModificationException异常：

Exception in thread "main" java.util.ConcurrentModificationException
	at java.util.ArrayList$Itr.checkForComodification(ArrayList.java:901)
	at java.util.ArrayList$Itr.next(ArrayList.java:851)
	at iterator.soldier.normal.IteratorDemo.main(IteratorDemo.java:20)

原来啊， AbstractList类中定义了一个成员变量 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。
在这里插入图片描述
当通过调用集合上的 iterator() 函数来创建迭代器的时候，就会把 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 next()、remove() 函数，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。

如果两个值不相同，那就说明集合存储的元素已经改变了，要么增加了元素，要么删除了元素，之前创建的迭代器已经不能正确运行了，如果再继续使用就会产生不可预期的结果，为了防止意外，就直接抛出运行时异常结束运行，这是一种快速失败（fail-fast）的方法。

源代码截图如下：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

总结

总结一下，迭代器模式有以下优点：

  • 迭代器模式封装集合内部的复杂数据结构，使用者不需要了解迭代器内部是如何遍历的，封装了复杂性；
  • 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，简化了集合类，让两者的职责更加单一，符合单一职责原则；
  • 迭代器模式让添加新的遍历算法更加容易，更符合开闭原则。除此之外，因为迭代器都实现自相同的接口，在开发中，基于接口而非实现编程，替换迭代器也变得更加容易。
  • 迭代器模式可以实现用不同的方式遍历同一个对象，还可以在一个对象上同时创建多个遍历器进行遍历。

另外，迭代器模式也是有缺点的，由于迭代器模式将存储数据和遍历数据的职责相分离，增加新的集合类后，就需要对应增加新的迭代器类，在一定程度上增加了系统的复杂性。

不过，如果只是简单的遍历需求，我们用系统自带的for循环就行啦！

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