迭代器模式 (Iterator Pattern) - 遍历聚合对象中的元素

结构图

• 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。

示例

using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;

namespace DesignPatterns.Iterator
{
    abstract class Iterator : IEnumerator
    {
        object IEnumerator.Current => Current();

        // Returns the key of the current element
        public abstract int Key();
        
        // Returns the current element
        public abstract object Current();
        
        // Move forward to next element
        public abstract bool MoveNext();
        
        // Rewinds the Iterator to the first element
        public abstract void Reset();
    }

    abstract class IteratorAggregate : IEnumerable
    {
        // Returns an Iterator or another IteratorAggregate for the implementing
        // object.
        public abstract IEnumerator GetEnumerator();
    }

    // Concrete Iterators implement various traversal algorithms. These classes
    // store the current traversal position at all times.
    class AlphabeticalOrderIterator : Iterator
    {
        private WordsCollection _collection;
        
        // Stores the current traversal position. An iterator may have a lot of
        // other fields for storing iteration state, especially when it is
        // supposed to work with a particular kind of collection.
        private int _position = -1;
        
        private bool _reverse = false;

        public AlphabeticalOrderIterator(WordsCollection collection, bool reverse = false)
        {
            this._collection = collection;
            this._reverse = reverse;

            if (reverse)
            {
                this._position = collection.getItems().Count;
            }
        }
        
        public override object Current()
        {
            return this._collection.getItems()[_position];
        }

        public override int Key()
        {
            return this._position;
        }
        
        public override bool MoveNext()
        {
            int updatedPosition = this._position + (this._reverse ? -1 : 1);

            if (updatedPosition >= 0 && updatedPosition < this._collection.getItems().Count)
            {
                this._position = updatedPosition;
                return true;
            }
            else
            {
                return false;
            }
        }
        
        public override void Reset()
        {
            this._position = this._reverse ? this._collection.getItems().Count - 1 : 0;
        }
    }

    // Concrete Collections provide one or several methods for retrieving fresh
    // iterator instances, compatible with the collection class.
    class WordsCollection : IteratorAggregate
    {
        List<string> _collection = new List<string>();
        
        bool _direction = false;
        
        public void ReverseDirection()
        {
            _direction = !_direction;
        }
        
        public List<string> getItems()
        {
            return _collection;
        }
        
        public void AddItem(string item)
        {
            this._collection.Add(item);
        }
        
        public override IEnumerator GetEnumerator()
        {
            return new AlphabeticalOrderIterator(this, _direction);
        }
    }

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            // The client code may or may not know about the Concrete Iterator
            // or Collection classes, depending on the level of indirection you
            // want to keep in your program.
            var collection = new WordsCollection();
            collection.AddItem("First");
            collection.AddItem("Second");
            collection.AddItem("Third");

            Console.WriteLine("Straight traversal:");

            foreach (var element in collection)
            {
                Console.WriteLine(element);
            }

            Console.WriteLine("\nReverse traversal:");

            collection.ReverseDirection();

            foreach (var element in collection)
            {
                Console.WriteLine(element);
            }
        }
    }
}

运行结果

Straight traversal:
First
Second
Third

Reverse traversal:
Third
Second
First

总结

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。

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。

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。

适用场景

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。