GoF23：Iterator & Composite（迭代器&组合）

1、case：菜单

有两份菜单

菜单项结构相同；
菜单项存储的实现不同：使用不同的“集合”。

1.1、MenuItem

属性：名称、价格
构造器初始化
getter

public class MenuItem {
    private String name;
    private double price;

    public MenuItem(String name, double price) {
        this.name = name;
        this.price = price;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public double getPrice() {
        return price;
    }
}

1.2、现有的实现

1.2.1、Menu

MenuItem 的存储方式
- 煎饼屋：ArrayList，易于扩展菜单；
- 餐厅：数组，允许控制长度。
构造器中初始化集合，添加 Item；
addItem() 和 getMenuItems() 方法。

煎饼屋：ArrayList

public class PancakeMenu {
    private ArrayList<MenuItem> menuItems;

    public PancakeMenu() {
        menuItems = new ArrayList<>();

        addItem("K&B's Pancake Breakfast", 2.99);
        addItem("Regular Pancake Breakfast", 2.99);
        addItem("Blueberry Pancake", 3.49);
        addItem("Waffles", 3.59);
    }

    private void addItem(String name, double price) {
        MenuItem item = new MenuItem(name, price);

        menuItems.add(item);
    }

    public ArrayList<MenuItem> getMenuItems() {
        return menuItems;
    }
}

餐厅：数组

public class DinerMenu {
    private MenuItem[] menuItems;
    private static final int MAX_ITEMS = 6;
    private int position = 0;

    public DinerMenu() {
        menuItems = new MenuItem[MAX_ITEMS];

        addItem("Vegetarian BLT", 2.99);
        addItem("BLT", 2.99);
        addItem("Soup of the day", 3.29);
        addItem("Hot dog", 3.05);
    }

    private void addItem(String name, double price) {
        MenuItem item = new MenuItem(name, price);

        if (position >= MAX_ITEMS) {
            System.out.println("Menu is full!");
        } else {
            menuItems[position++] = item;
        }
    }

    public MenuItem[] getMenuItems() {
        return menuItems;
    }
}

1.2.2、Waiter

服务员：根据客户需求，打印相应的菜单

成员变量：两份菜单，构造器注入；
方法：分别遍历集合，打印相应的菜单。

public class Waiter {
    private PancakeMenu pancakeMenu;
    private DinerMenu dinerMenu;

    public Waiter(PancakeMenu pancakeMenu, DinerMenu dinerMenu) {
        this.pancakeMenu = pancakeMenu;
        this.dinerMenu = dinerMenu;
    }

    public void printPancakeMenu() {
        System.out.println("====== Pancake Menu ======");

        ArrayList<MenuItem> menuItems = pancakeMenu.getMenuItems();

        for (int i = 0; i < menuItems.size(); i++) {
            MenuItem menuItem = menuItems.get(i);

            System.out.print(menuItem.getPrice() + "\t");
            System.out.println(menuItem.getName());
        }
    }

    public void printDinerMenu() {
        System.out.println("====== Diner Menu ======");

        MenuItem[] menuItems = dinerMenu.getMenuItems();

        for (int i = 0; i < dinerMenu.getSize(); i++) {
            MenuItem menuItem = menuItems[i];
            
            System.out.print(menuItem.getPrice() + "\t");
            System.out.println(menuItem.getName());
        }
    }
}

1.2.3、测试

@Test
public void test() {
    Waiter waiter = new Waiter(new PancakeMenu(), new DinerMenu());
    waiter.printPancakeMenu();
    waiter.printDinerMenu();
}

1.2.4、分析

维护性、扩展性差

Menu

违反单一职责原则：既负责存储 Item，又负责遍历工作；
针对实现编程：没有设计接口，而是设计两个单独的类。

Waiter

代码重复：每个 Menu 都需使用一次循环，而区别仅在于循环上界和获取集合项的方式；
针对实现编程：针对具体的 Menu 编程，而不是针对接口编程；
违反封装：本类需要知道每个 Menu 的具体实现，以采取相应的遍历方式；
违反开闭原则：若 MenuItem 存储方式改变（如 Hashtable），需要修改类的代码。

2、自定义迭代器

Java API 有内置的迭代器：java.util.Iterator；
先实现自定义迭代器，再使用 Java 的迭代器API。

2.1、迭代器：封装遍历

MenuIterator接口

迭代器接口：封装 ”遍历集合的过程“。

hasNext()：判断是否有更多元素；
next()：返回下一个元素。

public interface MenuIterator {
    boolean hasNext();
    Object next();
}

实现

实现 MenuIterator 接口。

成员变量
- menuItems：item 集合，构造器注入；
- position：记录当前遍历的位置。
实现方法
- hasNext()：position 不超过集合的容量，且集合项不为 null；
- next()：返回下一个元素，之后 position 自增。

// ArrayList
public class PancakeMenuIterator implements MenuIterator {
    private ArrayList<MenuItem> menuItems;
    private int position;

    public PancakeMenuIterator(ArrayList<MenuItem> menuItems) {
        this.menuItems = menuItems;
    }

    @Override
    public boolean hasNext() {
        return position < menuItems.size() && menuItems.get(position) != null;
    }

    @Override
    public Object next() {
        return menuItems.get(position++);
    }
}
// 数组
public class DinerMenuIterator implements MenuIterator {
    private MenuItem[] menuItems;
    private int position;

    public DinerMenuIterator(MenuItem[] menuItems) {
        this.menuItems = menuItems;
    }

    @Override
    public boolean hasNext() {
        return position < menuItems.length && menuItems[position] != null;
    }

    @Override
    public Object next() {
        return menuItems[position++];
    }
}

2.2、Menu

Menu 的遍历工作交给迭代器完成，而 Menu 需提供获取迭代器的方法。

将 Menu 定义成接口，提供 createIterator() 方法：

用途：创建迭代器；
使用了工厂方法模式：非参数化工厂方法、只生产一种对象（即迭代器）。

public interface Menu {
    MenuIterator createIterator();
}

改进

实现 Menu 接口，实现 createIterator() 方法；
去掉 getMenuItems() 方法。

实现

PancakeMenu
DinerMenu

2.3、Waiter

成员变量、构造器参数：声明为接口类型；
定义方法 printMenu()：通过迭代器遍历集合；
原有方法
- 获取菜单集合项 → 获取菜单迭代器；
- 遍历循环体 → 委托 printMenu() 遍历。

2.4、测试

结果完全一样。

@Test
public void test() {
    Waiter waiter = new Waiter(new PancakeMenu(), new DinerMenu());
    waiter.printPancakeMenu();
    waiter.printDinerMenu();
}

2.5、分析

遵循单一职责原则：Menu 负责管理集合，而将遍历集合的职责交给了迭代器。
- 之前：通过 Menu 获取集合，由 Menu 的客户进行遍历；
- 现在：通过 Menu 获取迭代器，由迭代器进行遍历；
针对接口编程：设计接口，便于客户解耦。

Waiter

减少代码重复：只定义一个方法用于遍历集合，将请求委托给该方法；
针对接口编程：成员变量、构造器参数，声明为接口类型；
封装：Waiter 作为 Menu 的客户，不再需要关注 Menu 集合的实现细节。

3、Java API：迭代器

通过以上实例，学会自定义迭代器；
接下来，使用 java.util.Iterator 改进本方案。

3.1、迭代器&集合

Iterator

迭代器：java.util.Iterator

相比自定义迭代器，多了两个方法：

remove()：删除最后一个返回的元素；
forEachRemaining()：JDK 1.8 新增。对剩余元素执行给定动作。

Collection

集合：java.util.Collection

也称为聚合（aggregate），指一群对象；

可以是各种数据结构：列表、数组、散列表等。

提供了抽象方法 iterator()：

功能：获取当前集合对象的迭代器；
Collection 是一个庞大的集合体系，其子类都实现了 iterator()

3.2、改进

引入 java.util.Iterator 作为迭代器。

3.2.1、迭代器

ArrayList
- 具有 iterator() 方法，无需使用自定义迭代器；
- 去除 PancakeMenuIterator 类。

数组

不具有 iterator() 方法，仍需使用自定义迭代器；
修改 DinerMenuIterator 类，实现 java.util.Iterator 接口；
实现 hasNext() 和 next()，代码无改动；

重写 remove() 方法

@Override
public void remove() {
    if (position <= 0) {
        throw new IllegalStateException("you haven't done at lease one next()");
    }
    if (menuItems[position - 1] != null) {
        // 从position-1开始，从后往前覆盖
        for (int i = position - 1; i < menuItems.length - 1; i++) {
            menuItems[i] = menuItems[i + 1];
        }
        // 最后一个值为null
        menuItems[menuItems.length - 1] = null;
    }
}

3.2.2、Menu

接口及实现类：createIterator() 返回值修改为 Iterator。

import java.util.Iterator;

public interface Menu {
    Iterator createIterator();
}

PancakeMenu：createIterator() 返回集合的 iterator()
DinerMenu：无需修改代码

3.2.3、类图

3.3、添加新菜单

3.3.1、CafeMenu

添加一个 CafeMenu，测试 HashTable 集合。

HashTable：存储 K-V 键值对，构造器注入并赋值；
addItem()：调用 HashTable 的 put 方法存储；
createIterator()：由于集合存储的是实体对，而我们实际要遍历的只是 value，因此调用 values 的 Iterator。

public class CafeMenu implements Menu {
    private Hashtable<String, MenuItem> menuItems;

    public CafeMenu() {
        menuItems = new Hashtable<>();

        addItem("House blend", 0.89);
        addItem("Decaf", 1.05);
        addItem("Dark Roast", 0.99);
    }

    private void addItem(String name, double price) {
        MenuItem item = new MenuItem(name, price);

        menuItems.put(item.getName(), item);
    }

    @Override
    public Iterator createIterator() {
        return menuItems.values().iterator();
    }
}

3.3.2、Waiter

添加一个成员变量，以及对应的构造器参数、打印方法。

private Menu cafeMenu;

public Waiter(Menu pancakeMenu, Menu dinerMenu, Menu cafeMenu) {
    this.pancakeMenu = pancakeMenu;
    this.dinerMenu = dinerMenu;
    this.cafeMenu = cafeMenu;
}

public void printCafeMenu() {
    System.out.println("====== Cafe Menu ======");

    Iterator iterator = cafeMenu.createIterator();
    printMenu(iterator);
}

3.3.3、测试

@Test
public void test() {
    Waiter waiter = new Waiter(new PancakeMenu(), new DinerMenu(), new CafeMenu());
    waiter.printCafeMenu();
}

4、迭代器模式

4.1、定义

迭代器模式：提供一种方法，顺序访问一个聚合对象的各个元素，而不暴露内部表示。

聚合对象将遍历元素的职责交给迭代器，其本身可以专注于管理对象集合；
通常会使用工厂方法模式来创建迭代器；
OOP原则：单一职责原则；
类图
内部 & 外部迭代器
- 外部迭代器：客户调用 next() 取得下一个元素；
- 内部迭代器：迭代器自行在元素之间游走。

public interface Menu {
    MenuIterator createIterator();
}

4.2、相关机制

枚举器

在集合框架中，迭代器（JDK1.2）取代了枚举器（JDK 1.0）的地位，有以下区别

方法名称改善；
迭代器支持删除操作，在 JDK1.8 后还引入 forEachRemaining() 方法。

增强for循环

JDK1.5 提供的 for/in 语句，即增强 for 循环。

支持在集合或数组中遍历，且不需要显式创建迭代器。
语法
- collection：被遍历的集合或数组；
- obj：每次遍历的一个元素。
```
for (Object obj: collection){
    ...
}
```

5、组合模式

定义

组合模式：将对象组合成树形结构，来表现 “整体/部分” 层次结构。

建立树形结构，包含个别对象和对象组合；
让客户能把相同的操作，应用在个别对象和组合上；
OOP原则——里氏替换：继承必须使父类的性质在子类中成立。

类图

做法：定义一个抽象组件类，作为个别对象和对象组合的超类。

Client：针对接口编程，通过 Component 操作组合中的对象；
Component：组件
- 包含叶节点（Leaf）和组合（Composite）;
- 提供一些方法及默认实现：如增加、删除、获取子节点，其它操作元素的行为。
Composite：组合
- 包含子节点的组件；
- 重写了所有超类方法，定义组件的行为。
Leaf：叶节点
- 没有子节点的组件；
- 重写了操作元素行为的方法，定义组合内元素的行为；

6、case：子菜单

需求：在 DinerMenu 中加入子菜单：甜品菜单。

6.1、设计

树状结构

将 Menu 体系设计成树状结构

组件：菜单，如DinerMenu；
叶节点：菜单项，即MenuItem；
组合：子菜单，如DessertMenu。

类图

Waiter：针对接口编程，通过 MenuComponent 操作组合中的对象；
MenuComponent：组件
- 包含叶节点（MenuItem）和组合（Menu）;
- 提供一些方法及默认实现：如增加、删除、获取子节点，其它操作元素的行为。
Menu：组合，包含子节点；
Leaf：叶节点，没有子节点；

6.2、实现

组件：MenuComponent

提供一些方法，默认实现为抛出 UnsupportedOperationException 异常；
牺牲了单一职责原则，换取透明性：
- 组件接口同时包含管理集合、操作集合的职责（内部迭代器）；
- 一个元素是组合还是叶节点，对客户是透明的，可以同等处理。

public abstract class MenuComponent {
    public void print() {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    public void add(MenuComponent component) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    public void remove(MenuComponent component) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    public MenuComponent getChild(int i) {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    public String getName() {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    public double getPrice() {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
}

相比之前的 Menu，不再通过构造器为集合赋初始值；

而是由 Menu 的客户来赋值，如业务中的厨师为菜单添加菜谱。

name：菜单名称
- 在之前，我们为每个菜单创建一个类，而类名就是菜单名称；
- 由于引入了组合模式，Menu 组合类，代表所有的菜单；
componentList：组件集合
- 用于记录所有的组件，包括组合（子菜单）和叶节点（菜单项）；
- 菜单可以有任意数量的 MenuComponent 子节点；
print：打印菜单
- 使用内部迭代器，遍历 componentList 集合，递归调用每个组件的 print() 方法；
- 也可以使用增强 for 循环。

public class Menu extends MenuComponent {
    private String name;
    private ArrayList<MenuComponent> componentList;

    public Menu(String name) {
        this.name = name;
        componentList = new ArrayList<>();
    }

    @Override
    public void print() {
        System.out.println("======= " + name + " =======");
        Iterator<MenuComponent> iterator = componentList.iterator();
        while(iterator.hasNext()){
            MenuComponent component = iterator.next();
            component.print();
        }
        // for (MenuComponent component : componentList) {
        //     System.out.print("--");
        //     component.print();
        // }
    }

    @Override
    public void add(MenuComponent component) {
        componentList.add(component);
    }

    @Override
    public void remove(MenuComponent component) {
        componentList.remove(component);
    }

    @Override
    public MenuComponent getChild(int i) {
        return componentList.get(i);
    }

    @Override
    public String getName() {
        return name;
    }
}

叶节点：MenuItem

在原来 MenuItem 的基础上

继承 MenuComponent 超类；
重写 print() 方法。

public class MenuItem extends MenuComponent {
    private String name;
    private double price;

    public MenuItem(String name, double price) {
        this.name = name;
        this.price = price;
    }

    @Override
    public String getName() {
        return name;
    }

    @Override
    public double getPrice() {
        return price;
    }

    @Override
    public void print() {
        System.out.println("\t" + price + "\t" + name);
    }
}

客户：Waiter

成员变量：针对接口编程，构造器注入；
printMenu()：委托 component 的 print()。

public class CompositeWaiter {
    private MenuComponent component;

    public CompositeWaiter(MenuComponent component) {
        this.component = component;
    }

    public void printMenu() {
        component.print();
    }
}

6.3、测试

创建所有菜单；
创建顶级菜单，添加所有菜单；
添加菜单项；
创建Menu的客户：Waiter，打印菜单。

@Test
public void test() {
    // 创建所有菜单
    MenuComponent pancakeMenu = new Menu("Pancake Menu");
    MenuComponent dinerMenu = new Menu("Diner Menu");
    MenuComponent cafeMenu = new Menu("Cafe Menu");
    MenuComponent dessertMenu = new Menu("Dessert Menu");
    // 创建顶级菜单，添加所有菜单
    MenuComponent allMenu = new Menu("All Menu");
    allMenu.add(pancakeMenu);
    allMenu.add(dinerMenu);
    allMenu.add(cafeMenu);

    // 添加菜单项
    // PancakeMenu
    pancakeMenu.add(new MenuItem("K&B's Pancake Breakfast", 2.99));
    pancakeMenu.add(new MenuItem("Regular Pancake Breakfast", 2.99));
    pancakeMenu.add(new MenuItem("Blueberry Pancake", 3.49));
    pancakeMenu.add(new MenuItem("Waffles", 3.59));
    // DinerMenu
    dinerMenu.add(new MenuItem("Vegetarian BLT", 2.99));
    dinerMenu.add(new MenuItem("BLT", 2.99));
    dinerMenu.add(new MenuItem("Soup of the day", 3.29));
    dinerMenu.adds(new MenuItem("Hot dog", 3.05));
    dinerMenu.add(dessertMenu);
    // CafeMenu
    cafeMenu.add(new MenuItem("House blend", 0.89));
    cafeMenu.add(new MenuItem("Decaf", 1.05));
    cafeMenu.add(new MenuItem("Dark Roast", 0.99));
    // DessertMenu
    dessertMenu.add(new MenuItem("Apple Pie", 0.95));

    // 创建Menu的客户：Waiter，打印菜单
    CompositeWaiter waiter = new CompositeWaiter(allMenu);
    waiter.printMenu();
}

6.4、外部迭代器

在前面的实现中，我们在 print() 内部使用了迭代器；
现在，我们使用外部迭代器，以供客户使用。

6.4.1、组合迭代器

（Recursion）递归思想：递归遍历迭代器

stack：用一个栈数据结构，来存储所有迭代器；
- push：添加元素；
- peek：取出栈顶元素，但不删除；
- pop：删除栈顶元素。
构造器：初始化 stack，并将顶级迭代器传入；
hasNext()：判断是否有更多元素
- 空栈：false，说明递归已结束，或没有任何元素；
- 非空
  1. 取出栈顶元素，即当前的迭代器；
  2. 递归调用 hasNext()，判断当前迭代器是否有跟德国元素
    - 无：删除当前迭代器，返回 false；
    - 有：返回 true；
next()：获取下一个元素
- 调用 hasNext()，判断是否有更多元素；
- 递归调用 next()：取出栈顶元素，即当前的迭代器；
- 取出迭代器的下一个元素 component 并返回；
  - 若 component 是菜单组合，则 push 到栈中；
  - 下一次调用 hasNext() 方法时，遍历的就是栈顶 component。

public class CompositeIterator implements Iterator {
    private Stack<Iterator<MenuComponent>> stack;

    public CompositeIterator(Iterator<MenuComponent> iterator) {
        stack = new Stack<>();
        stack.push(iterator);
    }

    @Override
    public boolean hasNext() {
        if (stack.empty()) {
            return false;
        }

        Iterator iterator = stack.peek();
        if (!iterator.hasNext()) {
            // 删除栈顶迭代器，递归调用hasNext()
            stack.pop();
            return hasNext();
        }
        return true;
    }

    @Override
    public Object next() {
        if (hasNext()) {
            Iterator<MenuComponent> iterator = stack.peek();

            MenuComponent component = iterator.next();
            if (component instanceof Menu) {
                stack.push(component.createIterator());
            }
            return component;
        }
        return null;
    }
}

6.4.2、空迭代器

提供给叶节点 MenuItem 使用。相比在 MenuItem 中返回 null，使用空迭代器可以有效避免 NPE。

hasNext()：返回 false；
next()：返回 null。

public class NullIterator implements Iterator {
    @Override
    public boolean hasNext() {
        return false;
    }

    @Override
    public Object next() {
        return null;
    }
}

6.4.3、MenuComponent

在 MenuComponent 超类及子类中，添加 createIterator() 方法。

MenuComponent：默认实现，抛出 UnsupportedOperationException 异常；
Menu：返回组合迭代器；
MenuItem：返回空迭代器，而不是返回 null（避免 NPE）。

// MenuComponent
public Iterator<MenuComponent> createIterator() {
    throw new UnsupportedOperationException();
}

// Menu
@Override
public Iterator<MenuComponent> createIterator() {
    return new CompositeIterator(componentList.iterator());
}

// MenuItem
@Override
public Iterator<MenuComponent> createIterator() {
    return new NullIterator();
}

7、小结

迭代器模式

迭代器模式：提供一种方法，顺序访问一个聚合对象的各个元素，而不暴露内部表示。

单一职责原则：聚合对象将遍历元素的职责交给迭代器，其本身可以专注于管理对象集合；
通常会使用工厂方法模式来创建迭代器；
分类
- 外部迭代器：客户调用 next() 取得下一个元素；
- 内部迭代器：迭代器自行在元素之间游走。
枚举器（1.0），迭代器（1.2）
增强 for 循环：for/in

组合模式

组合模式：将对象组合成树形结构，来表现 “整体/部分” 层次结构。

建立树形结构，包含个别对象和对象组合；
让客户能把相同的操作，应用在个别对象和组合上；
里氏替换原则：继承必须使父类的性质在子类中成立。
配合迭代器模式使用。

posted @ 2022-02-03 19:08 Jaywee 阅读(53) 评论(0) 编辑收藏举报

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Jaywee

GoF23：Iterator & Composite（迭代器&组合）

1、case：菜单

1.1、MenuItem

1.2、现有的实现

1.2.1、Menu

煎饼屋：ArrayList

餐厅：数组

1.2.2、Waiter

1.2.3、测试

1.2.4、分析

2、自定义迭代器

2.1、迭代器：封装遍历

MenuIterator接口

实现

2.2、Menu

Menu 接口

Menu 实现

2.3、Waiter

2.4、测试

2.5、分析

Menu

Waiter

3、Java API：迭代器

3.1、迭代器&集合

Iterator

Collection

3.2、改进

3.2.1、迭代器

3.2.2、Menu

3.2.3、类图

3.3、添加新菜单

3.3.1、CafeMenu

3.3.2、Waiter

3.3.3、测试

4、迭代器模式

4.1、定义

4.2、相关机制

枚举器

增强for循环

5、组合模式

定义

类图

6、case：子菜单

6.1、设计

树状结构

类图

6.2、实现

组件：MenuComponent

组合：Menu

叶节点：MenuItem

客户：Waiter

6.3、测试

6.4、外部迭代器

6.4.1、组合迭代器

6.4.2、空迭代器

6.4.3、MenuComponent

7、小结

迭代器模式

组合模式

公告

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