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Java 迭代器综述

2024-09-04 13:07:00   219人阅读

一、摘要

　　迭代器模式是与集合共生共死的。一般来说，我们只要实现一个容器，就需要同时提供这个容器的迭代器。使用迭代器的好处是：封装容器的内部实现细节，对于不同的集合，可以提供统一的遍历方式，简化客户端的访问和获取容器内数据。在此基础上，我们可以使用 Iterator 完成对集合的遍历，此外，for 循环和foreach 语法也可以用于遍历集合类。ListIterator 是容器 List容器族特有的双向迭代器。本文要点主要包括：

  • 迭代器模式
  • Iterator 迭代器 与 Iterable 接口
  • 循环遍历 ： foreach，Iterator，for 的异同
  • ListIterator 简述（容器 List 详解）

二、迭代器模式

　　迭代器模式是与集合共生共死的。一般来说，我们只要实现一个容器，就需要同时提供这个容器的迭代器，就像 Java 中的 Collection (List、Set 等) ，这些容器都有自己的迭代器。假如我们要实现一个新的容器，当然也需要引入迭代器模式，给我们的容器实现一个迭代器。使用迭代器的好处是：封装容器的内部实现细节，对于不同的集合，可以提供统一的遍历方式，简化客户端的访问和获取容器内数据。

　　但是，由于容器与迭代器的关系太密切了，所以大多数语言在实现容器的同时也提供了相应的迭代器，并且在绝大多数情况下，这些语言所提供的容器和迭代器都可以满足我们的需要。所以，现实中需要我们自己去实现迭代器模式的场景还是比较少见的，我们常常只需要使用语言中已有的容器和迭代器就可以了。

1、定义与结构

  • 定义

    　　迭代器（Iterator）模式，又叫做游标（Cursor）模式。GOF给出的定义为：提供一种方法访问一个容器（container）对象中的各个元素，而又不需暴露该容器对象的内部细节。

    　　从定义可见，迭代器模式是为容器而生。我们知道，对容器对象的访问必然涉及到遍历算法。你可以一股脑的将遍历方法塞到容器对象中去，或者，根本不去提供什么遍历算法，让使用容器的人自己去实现。这两种情况好像都能够解决问题。然而，对于前一种情况，容器承受了过多的功能，它不仅要负责自己“容器”内的元素维护（增、删、改、查 等），而且还要提供遍历自身的接口；而且最重要的是， 由于遍历状态保存的问题，不能对同一个容器对象同时进行多个遍历,并且还需增加 reset 操作。第二种方式倒是省事，却又将容器的内部细节暴露无遗。

  • 迭代器模式角色组成

    　迭代器角色（Iterator）： 迭代器角色 负责定义访问和遍历元素的接口；

    　具体迭代器角色（Concrete Iterator）： 具体迭代器角色 要实现迭代器接口，并要 记录遍历中的当前位置；

    　容器角色（Container）： 容器角色 负责定义创建具体迭代器角色的接口；

    　具体容器角色（Concrete Container）： 具体容器角色 实现创建具体迭代器角色的接口 —— 这个 具体迭代器角色 与该 容器的结构 相关。

  • 结构图
    　　　　　　　　　　　　　技术分享

    　　从结构上可以看出，迭代器模式在客户端与容器之间加入了迭代器角色。迭代器角色的加入，就可以很好的避免容器内部细节的暴露，而且也使得设计符合 单一职责原则。
    　　
    　　特别需要注意的是，在迭代器模式中，具体迭代器角色和具体容器角色是耦合在一起的 —— 遍历算法是与容器的内部细节紧密相关的。为了使客户程序从与具体迭代器角色耦合的困境中脱离出来，避免具体迭代器角色的更换给客户程序带来的修改，迭代器模式抽象了具体迭代器角色，使得客户程序更具一般性和重用性，这被称为 多态迭代 。

  • 适用性

    　1．访问一个容器对象的内容而无需暴露它的内部表示；

    　2．支持对容器对象的多种遍历；

    　3．为遍历不同的容器结构提供一个统一的接口 ( 即，支持多态迭代 )。

2、举例

　　由于迭代器模式本身的规定比较松散，所以具体实现也就五花八门，我们在此仅举一例。在举例前，我们先来列举一下迭代器模式的实现方式。

  • 迭代器角色定义了遍历的接口，但是没有规定由谁来控制迭代。在 Java Collection 框架中，是由客户程序来控制遍历的进程，被称为 外部迭代器；还有一种实现方式便是由迭代器自身来控制迭代，被称为 内部迭代器。外部迭代器要比内部迭代器灵活、强大，而且内部迭代器在 Java 语言环境中，可用性很弱;

  • 在迭代器模式中没有规定谁来实现遍历算法，好像理所当然的要在迭代器角色中实现。因为既便于一个容器上使用不同的遍历算法，也便于将一种遍历算法应用于不同的容器。但是这样就破坏掉了容器的封装 —— 容器角色就要公开自己的私有属性，在 Java 中便意味着向其他类公开了自己的私有属性;

    　　那我们把它放到容器角色里来实现好了，这样，迭代器角色就被架空为仅仅存放一个遍历当前位置的功能。但是遍历算法便和特定的容器紧紧绑在一起了。而在 Java Collection 框架中，提供的具体迭代器角色是定义在容器角色中的 内部类，这样便保护了容器的封装。但是同时容器也提供了遍历算法接口，并且你可以扩展自己的迭代器。

    　　我们来看下 Java Collection 中的迭代器的实现：

//迭代器角色，仅仅定义了遍历接口
public interface Iterator<E> {
    boolean hasNext();
    E next();
    void remove();
}

//容器角色，这里以 List 为例,间接实现了 Iterable 接口
public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
    ...
    Iterator<E> iterator();
    ...
}
public interface List<E> extends Collection<E> {}

//具体容器角色，便是实现了 List 接口的 ArrayList 等类。为了突出重点这里指罗列和迭代器相关的内容
public abstract class AbstractList<E> extends AbstractCollection<E> implements List<E> {
…… 
//这个便是负责创建具体迭代器角色的工厂方法
public Iterator<E> iterator() {
　return new Itr();
}

//具体迭代器角色，它是以内部类的形式出来的。 AbstractList 是为了将各个具体容器角色的公共部分提取出来而存在的。
//作为内部类的具体迭代器角色
private class Itr implements Iterator<E> {
　int cursor = 0;
　int lastRet = -1;
  //集合迭代中的一种“快速失败”机制，这种机制提供迭代过程中集合的安全性. ArrayList 中存在 modCount 对象，增删操作都会使  modCount++ ，通过两者的对比,迭代器可以快速的知道迭代过程中是否存在 list.add() 类似的操作，存在的话快速失败!
　int expectedModCount = modCount;  

　public boolean hasNext() {
　　return cursor != size();
　}

　public Object next() {
　　checkForComodification();   //快速失败机制
　　try {
　　　Object next = get(cursor);
　　　lastRet = cursor++;
　　　return next;
　　} catch(IndexOutOfBoundsException e) {
　　　checkForComodification();   //快速失败机制
　　　throw new NoSuchElementException();
　　}
　}

　public void remove() {
　　if (lastRet == -1)
　　　throw new IllegalStateException();
　　　checkForComodification();   //快速失败机制

　　try {
　　　AbstractList.this.remove(lastRet);
　　　if (lastRet < cursor)
　　　　cursor--;
　　　lastRet = -1;
　　　expectedModCount = modCount;   //快速失败机制
　　} catch(IndexOutOfBoundsException e) {
　　　throw new ConcurrentModificationException();
　　}
　}

  //快速失败机制
　final void checkForComodification() {
　　if (modCount != expectedModCount)
　　　throw new ConcurrentModificationException();   //抛出异常，迭代终止
　}
}

  • 迭代器模式的使用

    　　客户程序要先得到具体容器角色，然后再通过具体容器角色得到具体迭代器角色。这样便可以使用具体迭代器角色来遍历容器了……

3、适用情况

　　我们可以看出迭代器模式给容器的应用带来以下好处：

　　1) 支持以不同的方式遍历一个容器角色。根据实现方式的不同，效果上会有差别(例如，List 中的 iterator 和 listIterator)。

　　2) 简化了容器的接口。但是在 Java Collection 中为了提高可扩展性，容器还是提供了遍历的接口。

　　3) 简化了遍历方式。对于对象集合的遍历，还是比较麻烦的，对于数组或者有序列表，我们尚可以通过游标来取得，但用户需要在对集合了解很清楚的前提下，自行遍历对象，但是对于 哈希表 来说，用户遍历起来就比较麻烦了。而引入了迭代器方法后，用户用起来就简单的多了。

　　4) 可以提供多种遍历方式。比如，对于有序列表，我们可以根据需要提供正序遍历，倒序遍历两种迭代器，用户用起来只需要得到我们实现好的迭代器，就可以方便的对集合进行遍历了。

　　5) 对同一个容器对象，可以同时进行多个遍历。因为遍历状态是保存在每一个迭代器对象中的。

　　6) 封装性良好，用户只需要得到迭代器就可以遍历，而对于遍历算法则不用去关心。

　　7) 在 Java Collection 中，迭代器提供一种快速失败机制 ( ArrayList是线程不安全的,在ArrayList类创建迭代器之后，除非通过迭代器自身remove或add对列表结构进行修改，否则在其他线程中以任何形式对列表进行修改，迭代器马上会抛出异常，快速失败)，防止多线程下迭代的不安全操作。

　由此，也可以得出迭代器模式的适用范围：

　　1) 访问一个容器对象的内容而无需暴露它的内部表示；

　　2) 支持对容器对象的多种遍历；

　　3) 为遍历不同的容器结构提供一个统一的接口（多态迭代）。

三、Iterator 迭代器与 Iterable 接口

1、Iterator 迭代器接口 ： java.util 包

　　Java 提供一个专门的迭代器接口 Iterator，我们可以对某个容器实现该 Interface，来提供标准的 Java 迭代器。

  • 用 Iterator 模式实现遍历集合

    　　Iterator 模式是用于遍历集合类的标准访问方法。它可以把访问逻辑从不同类型的集合类中抽象出来，从而避免向客户端暴露集合的内部结构。

    　　例如，如果没有使用 Iterator，遍历一个数组 的方法是使用索引：

for(int i=0; i<array.size(); i++) { ... get(i) ... }

　　而 遍历一个HashSet 又 必须使用 while 循环或 foreach，但不能使用for循环：

while((e=e.next())!=null) { ... e.data() ... }

　　对以上两种方法，客户端都必须事先知道集合的类型（内部结构），访问代码和集合本身是紧耦合的，无法将访问逻辑从集合类和客户端代码中分离出来，从而导致每一种集合对应一种遍历方法，客户端代码无法复用。更恐怖的是，如果以后需要把 ArrayList 更换为 LinkedList，则原来的客户端代码必须全部重写。

　　为解决以上问题，Iterator模式总是用同一种逻辑来遍历集合：

for(Iterator it = c.iterater(); it.hasNext(); ) { ... }

　　奥秘在于 客户端自身不维护遍历集合的”指针”，所有的内部状态（如当前元素位置，是否有下一个元素）都由 Iterator 来维护，而这个 Iterator 由集合类通过工厂方法生成，因此，它知道如何遍历整个集合。而且，客户端从不直接和集合类打交道，它总是控制Iterator，向它发送”向前”，”向后”，”取当前元素”的指令，就可以间接遍历整个集合。

　　首先看看 java.util.Iterator 接口的定义：

public interface Iterator {
    boolean hasNext(); 
    Object next(); 
    void remove(); // 可选操作 
}

　　依赖前两个方法就能完成遍历，典型的代码如下：

for(Iterator it = c.iterator(); it.hasNext(); ) { Object o = it.next(); // 对o的操作... }

　　多态迭代 ： 每一种集合类返回的 Iterator 具体类型可能不同，Array 可能返回 ArrayIterator，Set 可能返回 SetIterator，Tree 可能返回 TreeIterator，但是它们都实现了 Iterator 接口，因此，客户端不关心到底是哪种 Iterator，它只需要获得这个 Iterator 接口即可，这就是面向对象的威力。

2、Iterable 接口 ： java.lang 包

　　Java 中还提供了一个 Iterable 接口，Iterable接口实现后的功能是“返回”一个迭代器 。我们常用的实现了该接口的子接口有: Collection<E>系列，包括 List<E>, Queue<E>, Set<E> 在内。特别值得一提的是，Map 接口没有实现 Iterable 接口。该接口的 iterator() 方法返回一个标准的 Iterator 实现。

  • 实现 Iterable 接口来实现适用于 foreach 遍历的自定义类

    　　Iterable 接口包含一个能够产生 Iterator 的 iterator() 方法，并且 Iterable 接口被 foreach 用来在序列中实现移动。因此，实现这个接口允许对象成为 foreach 语句的目标，也就可以通过 foreach语法遍历你的底层序列。

    　　在 JDK1.5 以前，用 Iterator 遍历序列的语法：

for(Iterator it = c.iterator(); it.hasNext(); ) { Object o = it.next(); // 对o的操作... }

　　在 JDK1.5 以及以后的版本中，引进了 foreach，对上面的代码在语法上作了简化 ( 但是限于只读，如果需要remove，还是直接使用 Iterator )：

for(Type t : collection) { ... }

3、思辨

  • 为什么一定要去实现 Iterable 这个接口呢？ 为什么不直接实现 Iterator接口 呢？

    　　看一下 JDK 中的集合类，比如 List一族或者Set一族，都是实现了 Iterable 接口，但并不直接实现 Iterator 接口。仔细想一下这么做是有道理的：因为 Iterator接口的核心方法 next() 或者 hasNext() 是依赖于迭代器的当前迭代位置的。若 Collection 直接实现 Iterator 接口，势必导致集合对象中包含当前迭代位置的数据(指针)。当集合在不同方法间被传递时，由于当前迭代位置不可预置，那么 next() 方法的结果会变成不可预知。除非再为 Iterator接口 添加一个 reset() 方法，用来重置当前迭代位置。但即使这样，Collection 也只能同时存在一个当前迭代位置（不能同时多次迭代同一个序列：必须要等到当前次迭代完成并reset后，才能再一次从头迭代）。 而序列实现 Iterable 接口则不然，每次调用都会返回一个从头开始计数的迭代器（Iterator），因此，多个迭代器间是互不干扰的。

四、foreach，Iterator，for

  • foreach 和 Iterator 的关系

    　　foreach 是 jdk5.0 新增加的一个循环结构，可以用来处理集合中的每个元素而不用考虑集合的下标。

格式如下 :

 for(variable:collection){ statement; }

　　 定义一个变量用于暂存集合中的每一个元素，并执行相应的语句(块)。Collection 必须是一个数组或者是一个实现了 lterable 接口的类对象。

　　 可以看出，使用 foreach 循环语句的优势在于更加简洁，更不容易出错，不必关心下标的起始值和终止值。forEach 不是关键字,关键字还是 for ，语句是由 iterator 实现的，它们最大的不同之处就在于 remove() 方法上。

　　 特别地，一般调用删除和添加方法都是具体集合的方法，例如：

List list = new ArrayList(); 
list.add(...); 
list.remove(...);
...

　　但是，如果在循环的过程中调用集合的 remove() 方法，就会导致循环出错，因为循环过程中 list.size() 的大小变化了，就导致了错误(Iterator的快速失败机制)。 所以，如果想在循环语句中删除集合中的某个元素，就要用迭代器 iterator 的 remove() 方法，因为它的 remove() 方法不仅会删除元素，还会维护一个标志，用来记录目前是不是可删除状态，例如，你不能连续两次调用它的remove()方法，调用之前至少有一次 next() 方法的调用。因此，foreach 就是为了让用 iterator 循环访问的形式简单，写起来更方便。当然功能不太全,所以若是需要使用删除操作，那么还是要用它原来的形式。

  • 使用for循环与使用迭代器iterator的对比

    从效率角度分析：

    　　采用 ArrayList 对随机访问比较快，而for循环中的get()方法，采用的即是随机访问的方法，因此在ArrayList里，for循环较快；

    　　采用 LinkedList 则是顺序访问比较快，iterator 中的next()方法，采用的即是顺序访问的方法，因此在LinkedList里，使用iterator较快。

    从数据结构角度分析：

    　　使用 for循环 适合访问有序结构，可以根据下标快速获取指定元素；而 Iterator 适合访问无序结构，因为迭代器是通过 next() 和 Pre() 来定位的，可以访问没有顺序的集合.

    　　 使用 Iterator 的好处在于可以使用相同方式去遍历集合中元素，而不用考虑集合类的内部实现（只要它实现了 java.lang.Iterable 接口），如果使用 Iterator 来遍历集合中元素，一旦不再使用 List 转而使用 Set 来组织数据，那遍历元素的代码不用做任何修改，如果使用 for 来遍历，那所有遍历此集合的算法都得做相应调整,因为List有序,Set无序,结构不同,他们的访问算法也不一样.

五、ListIterator 简述

1、简述

　　 ListIterator 系列表迭代器，实现了Iterator<E>接口。该迭代器允许程序员按任一方向遍历列表、迭代期间修改列表，并获得迭代器在列表中的当前位置。ListIterator 没有当前元素；它的光标位置始终位于调用 previous() 所返回的元素和调用 next() 所返回的元素之间。长度为 n 的列表的迭代器有 n+1 个可能的指针位置，如下面的插入符举例说明：

　　　　　　　　　　技术分享

　　 注意，remove() 和 set(Object) 方法不是根据光标位置定义的；它们是根据对调用 next() 或 previous() 所返回的最后一个元素的操作定义的。

2、与 Iterator 区别

　　 Iterator 和 ListIterator 主要区别有：

  • ListIterator 有 add()方法，可以向 List 中添加对象，而 Iterator 不能 ；

  • ListIterator 和 Iterator 都有 hasNext()和next()方法，可以实现顺序向后遍历。但是 ListIterator 有 hasPrevious() 和 previous() 方法，可以实现逆向（顺序向前）遍历，而 Iterator 就不可以 ；

  • ListIterator 可以利用 nextIndex() 和 previousIndex() 定位当前的索引位置，而 Iterator 没有此功能 ；

  • ListIterator 可以通过 listIterator() 方法和 listIterator(int index) 方法获得，而 Iterator 只能由 iterator() 方法获得 ；

  • 二者都可以实现删除对象，但是ListIterator可以使用set()方法实现对象的修改。Iterator 仅能遍历，不能修改。因为ListIterator的这些功能，可以实现对LinkedList, ArrayList等List数据结构的操作。

引用:

JDK APK 1.6.0
深入浅出Java设计模式之迭代器模式
23种设计模式（13）：迭代器模式
Java程序员从笨鸟到菜鸟之（四十五）大话设计模式（九）迭代器模式和命令模式
Java迭代器深入理解及使用
Java迭代器
iterator与iterable
java Iterable接口和Iterator迭代器
Iterator和ListIterator

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