.NET设计模式（18）：迭代器模式（Iterator Pattern）

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。

参考资料

Erich Gamma等，《设计模式：可复用面向对象软件的基础》，机械工业出版社

Robert C.Martin，《敏捷软件开发：原则、模式与实践》，清华大学出版社

阎宏，《Java与模式》，电子工业出版社

Alan Shalloway James R. Trott，《Design Patterns Explained》，中国电力出版社

MSDN WebCast 《C#面向对象设计模式纵横谈(18)：Iterator 迭代器模式(行为型模式)》