迭代器模式

实际编程中，我们经常需要访问容器对象中的各个元素，比如遍历链表中的元素
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容器类中不可取，那么容器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：

  • 暴露了容器类的内部表示，使其数据不安全
  • 增加了客户的负担

“迭代器模式”能较好地克服以上缺点，它在客户访问类与容器类之间插入一个迭代器，这分离了容器对象与其遍历行为，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”

迭代器模式定义：提供一种方法，使之能够依次访问某个容器所含的各个元素，而又无需暴露该容器的内部实现。

迭代器模式是一种对象行为型模式，其主要优点如下

  • 访问一个容器对象的内容而无须暴露它的内部表示。
  • 遍历任务交由迭代器完成，这简化了容器类。
  • 它支持以不同方式遍历一个容器，甚至可以自定义迭代器的子类以支持新的遍历。
  • 增加新的容器类和迭代器类都很方便，无须修改原有代码。
  • 封装性良好，为遍历不同的容器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。

在日常开发中，我们几乎不会自己写迭代器。除非需要定制一个自己实现的数据结构对应的迭代器，否则，开源框架提供的 API 完全够用。

一般来说，迭代器需要了解容器类的内部实现，才能正确的遍历容器中的元素

模式的结构

迭代器模式主要包含以下角色。

  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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。
迭代器模式结构
迭代器模式结构

应用场景

迭代器模式通常在以下几种情况使用。

  • 当需要为容器对象提供多种遍历方式时。
  • 当需要为遍历不同的容器结构提供一个统一的接口时。
  • 当访问一个容器对象的内容而无须暴露其内部细节的表示时。

由于容器与迭代器的关系非常密切，所以大多数语言在实现容器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容器类的迭代器就已经够了。

STL中的迭代器

在STL中的vector、list、set、map等容器都包含了迭代器，迭代器的行为与指针类似，迭代器可以是原生指针，也可以是重载operator*和operator->的对象。

与容器相似，该容器对应的迭代器可以获取特定类型的值，我们需要通过特性萃取技术（traits）来获取迭代器对应的类型。c++提供了iterator_traits来实现该功能。

一般来说，迭代器需要提供以下几种类型，针对原生指针，可以通过对iterator_traits进行模板特化来获取对应的类型

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value_type
difference_type
pointer
reference
iterator_category

迭代器分类

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struct input_iterator_tag { }; // 输入迭代器，只读，只能++
struct output_iterator_tag { }; // 输出迭代器，可写，只能++
struct forward_iterator_tag : public input_iterator_tag { }; // 前向迭代器，只能向前移动，只能++
struct bidirectional_iterator_tag : public forward_iterator_tag { }; // 可双向移动，可++，--
struct random_access_iterator_tag : public bidirectional_iterator_tag { }; // 可随机访问，与原生指针类似
struct contiguous_iterator_tag: public random_access_iterator_tag { }; //  (C++20) 要求逻辑相邻元素在内存中物理上也相邻

参考