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行为型模式篇-迭代器模式(Iterator Pattern)

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    概述

    在面向对象的软件设计中,我们经常会遇到一类集合对象,这类集合对象的内部结构可能有着各种各样的实现,但是归结起来,无非有两点是需要我们去关心的:一是集合内部的数据存储结构,二是遍历集合内部的数据。面向对象设计原则中有一条是类的单一职责原则,所以我们要尽可能的去分解这些职责,用不同的类去承担不同的职责。Iterator模式就是分离了集合对象的遍历行为,抽象出一个迭代器类来负责,这样既可以做到不暴露集合的内部结构,又可让外部代码透明的访问集合内部的数据。

    意图

    提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素, 而又不需暴露该对象的内部表示。[GOF 《设计模式》]

    结构图

    Iterator模式结构图如下:

图1 Iterator模式结构图

    生活中的例子

    迭代器提供一种方法顺序访问一个集合对象中各个元素,而又不需要暴露该对象的内部表示。在早期的电视机中,一个拨盘用来改变频道。当改变频道时,需要手工转动拨盘移过每一个频道,而不论这个频道是否有信号。现在的电视机,使用[后一个]和[前一个]按钮。当按下[后一个]按钮时,将切换到下一个预置的频道。想象一下在陌生的城市中的旅店中看电视。当改变频道时,重要的不是几频道,而是节目内容。如果对一个频道的节目不感兴趣,那么可以换下一个频道,而不需要知道它是几频道。

图2 使用选频器做例子的Iterator模式对象图

    Iterator模式解说

    在面向对象的软件设计中,我们经常会遇到一类集合对象,这类集合对象的内部结构可能有着各种各样的实现,但是归结起来,无非有两点是需要我们去关心的:一是集合内部的数据存储结构,二是遍历集合内部的数据。面向对象设计原则中有一条是类的单一职责原则,所以我们要尽可能的去分解这些职责,用不同的类去承担不同的职责。Iterator模式就是分离了集合对象的遍历行为,抽象出一个迭代器类来负责,这样既可以做到不暴露集合的内部结构,又可让外部代码透明的访问集合内部的数据。下面看一个简单的示意性例子,类结构图如下:

图3 示例代码结构图

    首先有一个抽象的聚集,所谓的聚集就是就是数据的集合,可以循环去访问它。它只有一个方法GetIterator()让子类去实现,用来获得一个迭代器对象。

/**//// <summary> /// 抽象聚集 /// </summary> public interface IList { IIterator GetIterator(); }

    抽象的迭代器,它是用来访问聚集的类,封装了一些方法,用来把聚集中的数据按顺序读取出来。通常会有MoveNext()、CurrentItem()、Fisrt()、Next()等几个方法让子类去实现。

/**//// <summary> /// 抽象迭代器 /// </summary> public interface IIterator { bool MoveNext(); Object CurrentItem(); void First(); void Next(); }

    具体的聚集,它实现了抽象聚集中的唯一的方法,同时在里面保存了一组数据,这里我们加上Length属性和GetElement()方法是为了便于访问聚集中的数据。

/**//// <summary> /// 具体聚集 /// </summary> public class ConcreteList : IList { int[] list; public ConcreteList() { list = new int[] { 1,2,3,4,5}; } public IIterator GetIterator() { return new ConcreteIterator(this); } public int Length { get { return list.Length; } } public int GetElement(int index) { return list[index]; } }

    具体迭代器,实现了抽象迭代器中的四个方法,在它的构造函数中需要接受一个具体聚集类型的参数,在这里面我们可以根据实际的情况去编写不同的迭代方式。

/**//// <summary> /// 具体迭代器 /// </summary> public class ConcreteIterator : IIterator { private ConcreteList list; private int index; public ConcreteIterator(ConcreteList list) { this.list = list; index = 0; } public bool MoveNext() { if (index < list.Length) return true; else return false; } public Object CurrentItem() { return list.GetElement(index) ; } public void First() { index = 0; } public void Next() { if (index < list.Length) { index++; } } }

    简单的客户端程序调用:

/**//// <summary> /// 客户端程序 /// </summary> class Program { static void Main(string[] args) { IIterator iterator; IList list = new ConcreteList(); iterator = list.GetIterator(); while (iterator.MoveNext()) { int i = (int)iterator.CurrentItem(); Console.WriteLine(i.ToString()); iterator.Next(); } Console.Read(); } }

    一个简单的迭代器示例就结束了,这里我们并没有利用任何的.NET特性,在C#中,实现Iterator模式已经不需要这么麻烦了,已经C#语言本身就有一些特定的实现,下面会说到。

    .NET中的Iterator模式

    在.NET下实现Iterator模式,对于聚集接口和迭代器接口已经存在了,其中IEnumerator扮演的就是迭代器的角色,它的实现如下:

public interface IEumerator { object Current { get; } bool MoveNext(); void Reset(); }

    属性Current返回当前集合中的元素,Reset()方法恢复初始化指向的位置,MoveNext()方法返回值true表示迭代器成功前进到集合中的下一个元素,返回值false表示已经位于集合的末尾。能够提供元素遍历的集合对象,在.Net中都实现了IEnumerator接口。

    IEnumerable则扮演的就是抽象聚集的角色,只有一个GetEnumerator()方法,如果集合对象需要具备跌代遍历的功能,就必须实现该接口。

public interface IEnumerable { IEumerator GetEnumerator(); }

    下面看一个在.NET1.1下的迭代器例子,Person类是一个可枚举的类。PersonsEnumerator类是一个枚举器类。这个例子来自于http://www.theserverside.net/,被我简单的改造了一下。

public class Persons : IEnumerable { public string[] m_Names; public Persons(params string[] Names) { m_Names = new string[Names.Length]; Names.CopyTo(m_Names,0); } private string this[int index] { get { return m_Names[index]; } set { m_Names[index] = value; } } public IEnumerator GetEnumerator() { return new PersonsEnumerator(this); } } public class PersonsEnumerator : IEnumerator { private int index = -1; private Persons P; public PersonsEnumerator(Persons P) { this.P = P; } public bool MoveNext() { index++; return index < P.m_Names.Length; } public void Reset() { index = -1; } public object Current { get { return P.m_Names[index]; } } }

    来看客户端代码的调用:

class Program { static void Main(string[] args) { Persons arrPersons = new Persons("Michel","Christine","Mathieu","Julien"); foreach (string s in arrPersons) { Console.WriteLine(s); } Console.ReadLine(); } }

    程序将输出:

    Michel
    Christine
    Mathieu
    Julien

    现在我们分析编译器在执行foreach语句时到底做了什么,它执行的代码大致如下:

class Program { static void Main(string[] args) { Persons arrPersons = new Persons("Michel","Christine","Mathieu","Julien"); IEnumerator e = arrPersons.GetEnumerator(); while (e.MoveNext()) { Console.WriteLine((string)e.Current); } Console.ReadLine(); } }

    可以看到这段代码跟我们最前面提到的示例代码非常的相似。同时在这个例子中,我们把大部分的精力都花在了实现迭代器和可迭代的类上面,在.NET2.0下面,由于有了yield return关键字,实现起来将更加的简单优雅。下面我们把刚才的例子在2.0下重新实现一遍:

public class Persons : IEnumerable { string[] m_Names; public Persons(params string[] Names) { m_Names = new string[Names.Length]; Names.CopyTo(m_Names,0); } public IEnumerator GetEnumerator() { foreach (string s in m_Names) { yield return s; } } } class Program { static void Main(string[] args) { Persons arrPersons = new Persons("Michel","Christine","Mathieu","Julien"); foreach (string s in arrPersons) { Console.WriteLine(s); } Console.ReadLine(); } }

    程序将输出:

    Michel
    Christine
    Mathieu
    Julien

    实现相同的功能,由于有了yield return关键字,变得非常的简单。好了,关于.NET中的Iterator模式就说这么多了,更详细的内容大家可以参考相关的资料。

    效果及实现要点

    1 .迭代抽象:访问一个聚合对象的内容而无需暴露它的内部表示。 
    2.迭代多态:为遍历不同的集合结构提供一个统一的接口,从而支持同样的算法在不同的集合结构上进行操作。 
    3.迭代器的健壮性考虑:遍历的同时更改迭代器所在的集合结构,会导致问题。

    适用性

    1.访问一个聚合对象的内容而无需暴露它的内部表示。
    2.支持对聚合对象的多种遍历。
    3.为遍历不同的聚合结构提供一个统一的接口(即, 支持多态迭代)。

    总结

    Iterator模式就是分离了集合对象的遍历行为,抽象出一个迭代器类来负责,这样既可以做到不暴露集合的内部结构,又可让外部代码透明的访问集合内部的数据。

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