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.NET設(shè)計(jì)模式（18）：迭代器模式（Iterator Pattern）

概述

在面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)中，我們經(jīng)常會(huì)遇到一類集合對(duì)象，這類集合對(duì)象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能有著各種各樣的實(shí)現(xiàn)，但是歸結(jié)起來，無非有兩點(diǎn)是需要我們?nèi)リP(guān)心的：一是集合內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，二是遍歷集合內(nèi)部的數(shù)據(jù)。面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)原則中有一條是類的單一職責(zé)原則，所以我們要盡可能的去分解這些職責(zé)，用不同的類去承擔(dān)不同的職責(zé)。Iterator模式就是分離了集合對(duì)象的遍歷行為，抽象出一個(gè)迭代器類來負(fù)責(zé)，這樣既可以做到不暴露集合的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，又可讓外部代碼透明的訪問集合內(nèi)部的數(shù)據(jù)。

意圖

提供一種方法順序訪問一個(gè)聚合對(duì)象中各個(gè)元素, 而又不需暴露該對(duì)象的內(nèi)部表示。[GOF 《設(shè)計(jì)模式》]

結(jié)構(gòu)圖

Iterator模式結(jié)構(gòu)圖如下：

圖1  Iterator模式結(jié)構(gòu)圖

生活中的例子

迭代器提供一種方法順序訪問一個(gè)集合對(duì)象中各個(gè)元素，而又不需要暴露該對(duì)象的內(nèi)部表示。在早期的電視機(jī)中，一個(gè)撥盤用來改變頻道。當(dāng)改變頻道時(shí)，需要手工轉(zhuǎn)動(dòng)撥盤移過每一個(gè)頻道，而不論這個(gè)頻道是否有信號(hào)。現(xiàn)在的電視機(jī)，使用[后一個(gè)]和[前一個(gè)]按鈕。當(dāng)按下[后一個(gè)]按鈕時(shí)，將切換到下一個(gè)預(yù)置的頻道。想象一下在陌生的城市中的旅店中看電視。當(dāng)改變頻道時(shí)，重要的不是幾頻道，而是節(jié)目?jī)?nèi)容。如果對(duì)一個(gè)頻道的節(jié)目不感興趣，那么可以換下一個(gè)頻道，而不需要知道它是幾頻道。

圖2  使用選頻器做例子的Iterator模式對(duì)象圖

Iterator模式解說

在面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)中，我們經(jīng)常會(huì)遇到一類集合對(duì)象，這類集合對(duì)象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能有著各種各樣的實(shí)現(xiàn)，但是歸結(jié)起來，無非有兩點(diǎn)是需要我們?nèi)リP(guān)心的：一是集合內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，二是遍歷集合內(nèi)部的數(shù)據(jù)。面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)原則中有一條是類的單一職責(zé)原則，所以我們要盡可能的去分解這些職責(zé)，用不同的類去承擔(dān)不同的職責(zé)。Iterator模式就是分離了集合對(duì)象的遍歷行為，抽象出一個(gè)迭代器類來負(fù)責(zé)，這樣既可以做到不暴露集合的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，又可讓外部代碼透明的訪問集合內(nèi)部的數(shù)據(jù)。下面看一個(gè)簡(jiǎn)單的示意性例子，類結(jié)構(gòu)圖如下：

圖3 示例代碼結(jié)構(gòu)圖

首先有一個(gè)抽象的聚集，所謂的聚集就是就是數(shù)據(jù)的集合，可以循環(huán)去訪問它。它只有一個(gè)方法GetIterator()讓子類去實(shí)現(xiàn)，用來獲得一個(gè)迭代器對(duì)象。

/// <summary>

/// 抽象聚集

/// </summary>

public interface IList

{
    IIterator GetIterator();
}

抽象的迭代器，它是用來訪問聚集的類，封裝了一些方法，用來把聚集中的數(shù)據(jù)按順序讀取出來。通常會(huì)有MoveNext()、CurrentItem()、Fisrt()、Next()等幾個(gè)方法讓子類去實(shí)現(xiàn)。

/// <summary>

/// 抽象迭代器

/// </summary>

public interface IIterator
{
    bool MoveNext();

    Object CurrentItem();

    void First();

    void Next();
}

具體的聚集，它實(shí)現(xiàn)了抽象聚集中的唯一的方法，同時(shí)在里面保存了一組數(shù)據(jù)，這里我們加上Length屬性和GetElement()方法是為了便于訪問聚集中的數(shù)據(jù)。

/// <summary>

/// 具體聚集

/// </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];
    }
}

具體迭代器，實(shí)現(xiàn)了抽象迭代器中的四個(gè)方法，在它的構(gòu)造函數(shù)中需要接受一個(gè)具體聚集類型的參數(shù)，在這里面我們可以根據(jù)實(shí)際的情況去編寫不同的迭代方式。

/// <summary>

/// 具體迭代器

/// </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++;
        }
    }
}

簡(jiǎn)單的客戶端程序調(diào)用：

/// <summary>

/// 客戶端程序

/// </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();

    }

}

一個(gè)簡(jiǎn)單的迭代器示例就結(jié)束了，這里我們并沒有利用任何的.NET特性，在C#中，實(shí)現(xiàn)Iterator模式已經(jīng)不需要這么麻煩了，已經(jīng)C#語言本身就有一些特定的實(shí)現(xiàn)，下面會(huì)說到。

.NET中的Iterator模式

在.NET下實(shí)現(xiàn)Iterator模式，對(duì)于聚集接口和迭代器接口已經(jīng)存在了，其中IEnumerator扮演的就是迭代器的角色，它的實(shí)現(xiàn)如下：

public interface IEumerator

{
    object Current
  {
        get;
    }

    bool MoveNext();

    void Reset();

}

屬性Current返回當(dāng)前集合中的元素，Reset()方法恢復(fù)初始化指向的位置，MoveNext()方法返回值true表示迭代器成功前進(jìn)到集合中的下一個(gè)元素，返回值false表示已經(jīng)位于集合的末尾。能夠提供元素遍歷的集合對(duì)象，在.Net中都實(shí)現(xiàn)了IEnumerator接口。

IEnumerable則扮演的就是抽象聚集的角色，只有一個(gè)GetEnumerator()方法，如果集合對(duì)象需要具備跌代遍歷的功能，就必須實(shí)現(xiàn)該接口。

public interface IEnumerable

{
    IEumerator GetEnumerator();
}

下面看一個(gè)在.NET1.1下的迭代器例子，Person類是一個(gè)可枚舉的類。PersonsEnumerator類是一個(gè)枚舉器類。這個(gè)例子來自于http://www.theserverside.net/，被我簡(jiǎn)單的改造了一下。

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];
        }
    }
} 

來看客戶端代碼的調(diào)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?qū)⑤敵觯?/span>

Michel 

Christine 

Mathieu 

Julien

現(xiàn)在我們分析編譯器在執(zhí)行foreach語句時(shí)到底做了什么，它執(zhí)行的代碼大致如下：

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();
    } 
}

可以看到這段代碼跟我們最前面提到的示例代碼非常的相似。同時(shí)在這個(gè)例子中，我們把大部分的精力都花在了實(shí)現(xiàn)迭代器和可迭代的類上面，在.NET2.0下面，由于有了yield return關(guān)鍵字，實(shí)現(xiàn)起來將更加的簡(jiǎn)單優(yōu)雅。下面我們把剛才的例子在2.0下重新實(shí)現(xiàn)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?qū)⑤敵觯?/span>

Michel 

Christine 

Mathieu 

Julien

實(shí)現(xiàn)相同的功能，由于有了yield return關(guān)鍵字，變得非常的簡(jiǎn)單。好了，關(guān)于.NET中的Iterator模式就說這么多了，更詳細(xì)的內(nèi)容大家可以參考相關(guān)的資料。

效果及實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

1．迭代抽象：訪問一個(gè)聚合對(duì)象的內(nèi)容而無需暴露它的內(nèi)部表示。

2．迭代多態(tài)：為遍歷不同的集合結(jié)構(gòu)提供一個(gè)統(tǒng)一的接口，從而支持同樣的算法在不同的集合結(jié)構(gòu)上進(jìn)行操作。

3．迭代器的健壯性考慮：便利的同時(shí)更改迭代器所在的集合結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致問題。

適用性

1．訪問一個(gè)聚合對(duì)象的內(nèi)容而無需暴露它的內(nèi)部表示。

2．支持對(duì)聚合對(duì)象的多種遍歷。

3．為遍歷不同的聚合結(jié)構(gòu)提供一個(gè)統(tǒng)一的接口(即, 支持多態(tài)迭代)。

總結(jié)

Iterator模式就是分離了集合對(duì)象的遍歷行為，抽象出一個(gè)迭代器類來負(fù)責(zé)，這樣既可以做到不暴露集合的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，又可讓外部代碼透明的訪問集合內(nèi)部的數(shù)據(jù)。

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