行为型-Iterator

发表于 分类于

迭代器模式的原理和实现

迭代器模式（Iterator Design Pattern），也叫作游标模式（Cursor Design Pattern）。

在开篇中我们讲到，它用来遍历集合对象。这里说的“集合对象”也可以叫“容器”“聚合对象”，实际上就是包含一组对象的对象，比如数组、链表、树、图、跳表。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。

迭代器是用来遍历容器的，所以，一个完整的迭代器模式一般会涉及容器和容器迭代器两部分内容。为了达到基于接口而非实现编程的目的，容器又包含容器接口、容器实现类，迭代器又包含迭代器接口、迭代器实现类。

现在，我们针对 ArrayList 和 LinkedList 两个线性容器，设计实现对应的迭代器。按照之前给出的迭代器模式的类图，我们定义一个迭代器接口 Iterator，以及针对两种容器的具体的迭代器实现类 ArrayIterator 和 ListIterator。

我们先来看下 Iterator 接口的定义。具体的代码如下所示：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

// 接口定义方式一
public interface Iterator<E> {
  boolean hasNext();
  void next();
  E currentItem();
}

// 接口定义方式二
public interface Iterator<E> {
  boolean hasNext();
  E next();
}

Iterator 接口有两种定义方式。

在第一种定义中，next() 函数用来将游标后移一位元素，currentItem() 函数用来返回当前游标指向的元素。在第二种定义中，返回当前元素与后移一位这两个操作，要放到同一个函数 next() 中完成。

第一种定义方式更加灵活一些，比如我们可以多次调用 currentItem() 查询当前元素，而不移动游标。所以，在接下来的实现中，我们选择第一种接口定义方式。

现在，我们再来看下 ArrayIterator 的代码实现，具体如下所示。代码实现非常简单，不需要太多解释。你可以结合着我给出的 demo，自己理解一下。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
public class ArrayIterator<E> implements Iterator<E> {
  private int cursor;
  private ArrayList<E> arrayList;

  public ArrayIterator(ArrayList<E> arrayList) {
    this.cursor = 0;
    this.arrayList = arrayList;
  }

  @Override
  public boolean hasNext() {
    //注意这里，cursor在指向最后一个元素的时候，hasNext()仍旧返回true。
    return cursor != arrayList.size(); 
  }

  @Override
  public void next() {
    cursor++;
  }

  @Override
  public E currentItem() {
    if (cursor >= arrayList.size()) {
      throw new NoSuchElementException();
    }
    return arrayList.get(cursor);
  }
}

public class Demo {
  public static void main(String[] args) {
    ArrayList<String> names = new ArrayList<>();
    names.add("xzg");
    names.add("wang");
    names.add("zheng");
    
    Iterator<String> iterator = new ArrayIterator(names);
    while (iterator.hasNext()) {
      System.out.println(iterator.currentItem());
      iterator.next();
    }
  }
}

在上面的代码实现中，我们需要将待遍历的容器对象，通过构造函数传递给迭代器类。实际上，为了封装迭代器的创建细节，我们可以在容器中定义一个 iterator() 方法，来创建对应的迭代器。为了能实现基于接口而非实现编程，我们还需要将这个方法定义在 List 接口中。具体的代码实现和使用示例如下所示：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13

public interface List<E> {
  Iterator iterator();
  //...省略其他接口函数...
}

public class ArrayList<E> implements List<E> {
  //...
  public Iterator iterator() {
    return new ArrayIterator(this);
  }
  //...省略其他代码
}

对于 LinkedIterator，它的代码结构跟 ArrayIterator 完全相同，我这里就不给出具体的代码实现了，你可以参照 ArrayIterator 自己去写一下。

1
待补充

遍历集合一般有三种方式：for 循环、foreach 循环、迭代器遍历。后两种本质上属于一种，都可以看作迭代器遍历。相对于 for 循环遍历，利用迭代器来遍历有下面三个优势：

  • 迭代器模式封装集合内部的复杂数据结构，开发者不需要了解如何遍历，直接使用容器提供的迭代器即可；

  • 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。

遍历集合的同时，为什么不能增删集合元素？

在通过迭代器来遍历集合元素的同时，增加或者删除集合中的元素，有可能会导致某个元素被重复遍历或遍历不到。不过，并不是所有情况下都会遍历出错，有的时候也可以正常遍历，所以，这种行为称为结果不可预期行为或者未决行为，也就是说，运行结果到底是对还是错，要视情况而定。

添加跟删除情况类似，如果我们在游标的后面添加元素，就不会存在任何问题。所以，在遍历的同时添加集合元素也是一种不可预期行为。

实际上，“不可预期”比直接出错更加可怕，有的时候运行正确，有的时候运行错误，一些隐藏很深、很难 debug 的 bug 就是这么产生的。

如何应对遍历时改变集合导致的未决行为？

有两种比较干脆利索的解决方案：一种是遍历的时候不允许增删元素，另一种是增删元素之后让遍历报错。第一种解决方案比较难实现，因为很难确定迭代器使用结束的时间点。第二种解决方案更加合理。Java 语言就是采用的这种解决方案。增删元素之后，我们选择 fail-fast 解决方式，让遍历操作直接抛出运行时异常。

怎么确定在遍历时候，集合有没有增删元素呢？我们在 ArrayList 中定义一个成员变量 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。当通过调用集合上的 iterator() 函数来创建迭代器的时候，我们把 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 hasNext()、next()、currentItem() 函数，我们都会检查集合上的 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。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50

public class ArrayIterator implements Iterator {
  private int cursor;
  private ArrayList arrayList;
  private int expectedModCount;

  public ArrayIterator(ArrayList arrayList) {
    this.cursor = 0;
    this.arrayList = arrayList;
    this.expectedModCount = arrayList.modCount;
  }

  @Override
  public boolean hasNext() {
    checkForComodification();
    return cursor < arrayList.size();
  }

  @Override
  public void next() {
    checkForComodification();
    cursor++;
  }

  @Override
  public Object currentItem() {
    checkForComodification();
    return arrayList.get(cursor);
  }
  
  private void checkForComodification() {
    if (arrayList.modCount != expectedModCount)
        throw new ConcurrentModificationException();
  }
}

//代码示例
public class Demo {
  public static void main(String[] args) {
    List<String> names = new ArrayList<>();
    names.add("a");
    names.add("b");
    names.add("c");

    Iterator<String> iterator = names.iterator();
    iterator.next();
    names.remove("a");
    iterator.next();//抛出ConcurrentModificationException异常
  }
}

如何在遍历的同时安全地删除集合元素

像 Java 语言，迭代器类中除了前面提到的几个最基本的方法之外，还定义了一个 remove() 方法，能够在遍历集合的同时，安全地删除集合中的元素。不过，需要说明的是，它并没有提供添加元素的方法。毕竟迭代器的主要作用是遍历，添加元素放到迭代器里本身就不合适。我个人觉得，Java 迭代器中提供的 remove() 方法还是比较鸡肋的，作用有限。它只能删除游标指向的前一个元素，而且一个 next() 函数之后，只能跟着最多一个 remove() 操作，多次调用 remove() 操作会报错。我还是通过一个例子来解释一下。

为什么通过迭代器就能安全的删除集合中的元素呢？源码之下无秘密。我们来看下 remove() 函数是如何实现的，代码如下所示。稍微提醒一下，在 Java 实现中，迭代器类是容器类的内部类，并且 next() 函数不仅将游标后移一位，还会返回当前的元素。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49

public class ArrayList<E> {
  transient Object[] elementData;
  private int size;

  public Iterator<E> iterator() {
    return new Itr();
  }

  private class Itr implements Iterator<E> {
    int cursor;       // index of next element to return
    int lastRet = -1; // index of last element returned; -1 if no such
    int expectedModCount = modCount;

    Itr() {}

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

    @SuppressWarnings("unchecked")
    public E next() {
      checkForComodification();
      int i = cursor;
      if (i >= size)
        throw new NoSuchElementException();
      Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
      if (i >= elementData.length)
        throw new ConcurrentModificationException();
      cursor = i + 1;
      return (E) elementData[lastRet = i];
    }
    
    public void remove() {
      if (lastRet < 0)
        throw new IllegalStateException();
      checkForComodification();

      try {
        ArrayList.this.remove(lastRet);
        cursor = lastRet;
        lastRet = -1;
        expectedModCount = modCount;
      } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
        throw new ConcurrentModificationException();
      }
    }
  }
}

在上面的代码实现中，迭代器类新增了一个 lastRet 成员变量，用来记录游标指向的前一个元素。通过迭代器去删除这个元素的时候，我们可以更新迭代器中的游标和 lastRet 值，来保证不会因为删除元素而导致某个元素遍历不到。如果通过容器来删除元素，并且希望更新迭代器中的游标值来保证遍历不出错，我们就要维护这个容器都创建了哪些迭代器，每个迭代器是否还在使用等信息，代码实现就变得比较复杂了。

如何实现一个支持“快照”功能的迭代器？

这个问题算是对上一节课内容的延伸思考，为的是帮你加深对迭代器模式的理解，也是对你分析、解决问题的一种锻炼。你可以把它当作一个面试题或者练习题，在看我的讲解之前，先试一试自己能否顺利回答上来。

问题描述我们先来介绍一下问题的背景：如何实现一个支持“快照”功能的迭代器模式？理解这个问题最关键的是理解“快照”两个字。所谓“快照”，指我们为容器创建迭代器的时候，相当于给容器拍了一张快照（Snapshot）。之后即便我们增删容器中的元素，快照中的元素并不会做相应的改动。而迭代器遍历的对象是快照而非容器，这样就避免了在使用迭代器遍历的过程中，增删容器中的元素，导致的不可预期的结果或者报错。接下来，我举一个例子来解释一下上面这段话。具体的代码如下所示。容器 list 中初始存储了 3、8、2 三个元素。尽管在创建迭代器 iter1 之后，容器 list 删除了元素 3，只剩下 8、2 两个元素，但是，通过 iter1 遍历的对象是快照，而非容器 list 本身。所以，遍历的结果仍然是 3、8、2。同理，iter2、iter3 也是在各自的快照上遍历，输出的结果如代码中注释所示。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
List<Integer> list = new ArrayList<>();
list.add(3);
list.add(8);
list.add(2);

Iterator<Integer> iter1 = list.iterator();//snapshot: 3, 8, 2
list.remove(new Integer(2));//list：3, 8
Iterator<Integer> iter2 = list.iterator();//snapshot: 3, 8
list.remove(new Integer(3));//list：8
Iterator<Integer> iter3 = list.iterator();//snapshot: 3

// 输出结果：3 8 2
while (iter1.hasNext()) {
  System.out.print(iter1.next() + " ");
}
System.out.println();

// 输出结果：3 8
while (iter2.hasNext()) {
  System.out.print(iter1.next() + " ");
}
System.out.println();

// 输出结果：8
while (iter3.hasNext()) {
  System.out.print(iter1.next() + " ");
}
System.out.println();

解决方案

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
public class ArrayList<E> implements List<E> {
  private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;

  private int actualSize; //不包含标记删除元素
  private int totalSize; //包含标记删除元素

  private Object[] elements;
  private long[] addTimestamps;
  private long[] delTimestamps;

  public ArrayList() {
    this.elements = new Object[DEFAULT_CAPACITY];
    this.addTimestamps = new long[DEFAULT_CAPACITY];
    this.delTimestamps = new long[DEFAULT_CAPACITY];
    this.totalSize = 0;
    this.actualSize = 0;
  }

  @Override
  public void add(E obj) {
    elements[totalSize] = obj;
    addTimestamps[totalSize] = System.currentTimeMillis();
    delTimestamps[totalSize] = Long.MAX_VALUE;
    totalSize++;
    actualSize++;
  }

  @Override
  public void remove(E obj) {
    for (int i = 0; i < totalSize; ++i) {
      if (elements[i].equals(obj)) {
        delTimestamps[i] = System.currentTimeMillis();
        actualSize--;
      }
    }
  }

  public int actualSize() {
    return this.actualSize;
  }

  public int totalSize() {
    return this.totalSize;
  }

  public E get(int i) {
    if (i >= totalSize) {
      throw new IndexOutOfBoundsException();
    }
    return (E)elements[i];
  }

  public long getAddTimestamp(int i) {
    if (i >= totalSize) {
      throw new IndexOutOfBoundsException();
    }
    return addTimestamps[i];
  }

  public long getDelTimestamp(int i) {
    if (i >= totalSize) {
      throw new IndexOutOfBoundsException();
    }
    return delTimestamps[i];
  }
}

public class SnapshotArrayIterator<E> implements Iterator<E> {
  private long snapshotTimestamp;
  private int cursorInAll; // 在整个容器中的下标，而非快照中的下标
  private int leftCount; // 快照中还有几个元素未被遍历
  private ArrayList<E> arrayList;

  public SnapshotArrayIterator(ArrayList<E> arrayList) {
    this.snapshotTimestamp = System.currentTimeMillis();
    this.cursorInAll = 0;
    this.leftCount = arrayList.actualSize();;
    this.arrayList = arrayList;

    justNext(); // 先跳到这个迭代器快照的第一个元素
  }

  @Override
  public boolean hasNext() {
    return this.leftCount >= 0; // 注意是>=, 而非>
  }

  @Override
  public E next() {
    E currentItem = arrayList.get(cursorInAll);
    justNext();
    return currentItem;
  }

  private void justNext() {
    while (cursorInAll < arrayList.totalSize()) {
      long addTimestamp = arrayList.getAddTimestamp(cursorInAll);
      long delTimestamp = arrayList.getDelTimestamp(cursorInAll);
      if (snapshotTimestamp > addTimestamp && snapshotTimestamp < delTimestamp) {
        leftCount--;
        break;
      }
      cursorInAll++;
    }
  }
}

参考

设计模式之美_设计模式_代码重构-极客时间
https://time.geekbang.org/column/intro/250