在软件开发中，我们经常需要处理各种集合对象，如数组、列表、树形结构等。如何高效、统一地遍历这些集合对象，同时又不暴露其内部结构，是一个常见的设计挑战。迭代器模式（Iterator Pattern）正是为解决这一问题而生的经典设计模式。本文将全面剖析迭代器模式的原理、实现、应用场景以及在实际开发中的最佳实践。
一、迭代器模式概述
1.1 什么是迭代器模式
迭代器模式是一种行为设计模式，它提供一种方法顺序访问一个聚合对象中的各个元素，而又不暴露该对象的内部表示。该模式将遍历元素的责任交给迭代器对象，而不是聚合对象本身，实现了"单一职责原则"和"开闭原则"。
1.2 模式起源
迭代器模式最早由GoF（Gang of Four）在《设计模式：可复用面向对象软件的基础》一书中提出。它源于对集合遍历操作的抽象，旨在解决不同集合结构（如数组、链表、树等）的统一访问问题。
1.3 模式价值
迭代器模式的核心价值在于：
解耦：将集合结构与遍历算法分离
统一接口：为不同的集合提供一致的遍历方式
保护封装：不暴露集合内部实现细节
灵活扩展：易于添加新的遍历方式
二、迭代器模式结构
2.1 UML类图
2.2 核心角色
Iterator（迭代器接口）
定义访问和遍历元素的接口
通常包含hasNext()和next()方法
ConcreteIterator（具体迭代器）
实现迭代器接口
负责管理当前遍历位置
跟踪遍历进度
Aggregate（聚合接口）
定义创建相应迭代器对象的接口
通常包含createIterator()方法
ConcreteAggregate（具体聚合）
实现创建相应迭代器的接口
返回具体迭代器的实例
持有集合数据
2.3 典型代码实现
// 迭代器接口
public interface Iterator
boolean hasNext();
T next();
void remove(); // 可选操作
}
// 聚合接口
public interface Iterable
Iterator
}
// 具体聚合类
public class ConcreteCollection
private T[] elements;
public ConcreteCollection(T[] elements) {
this.elements = elements;
}
@Override
public Iterator
return new ConcreteIterator();
}
// 具体迭代器作为内部类
private class ConcreteIterator implements Iterator
private int cursor = 0;
@Override
public boolean hasNext() {
return cursor < elements.length;
}
@Override
public T next() {
if (!hasNext()) {
throw new NoSuchElementException();
}
return elements[cursor++];
}
@Override
public void remove() {
throw new UnsupportedOperationException();
}
}
}
三、迭代器模式深入分析
3.1 工作流程
客户端通过聚合对象的iterator()方法获取迭代器
客户端使用迭代器的hasNext()检查是否还有元素
如果有，使用next()获取下一个元素
重复步骤2-3直到遍历完成
3.2 模式变体
内部迭代器 vs 外部迭代器
外部迭代器：客户端控制迭代过程（Java的Iterator）
内部迭代器：迭代器控制迭代过程（JavaScript的forEach）
单向迭代器 vs 双向迭代器
单向：只能向前移动（大多数实现）
双向：可以向前和向后移动（ListIterator）
健壮迭代器
在迭代过程中检测集合修改并抛出异常（fail-fast机制）
3.3 性能考量
随机访问集合（如ArrayList）：索引访问效率高
顺序访问集合（如LinkedList）：迭代器效率高
大型数据集：考虑惰性求值迭代器
四、实际应用案例
4.1 Java集合框架中的迭代器
Java的java.util.Iterator是迭代器模式的典型实现：
List
Iterator
while (it.hasNext()) {
System.out.println(it.next());
}
Java 5引入的增强for循环实际上是迭代器的语法糖：
for (String s : list) {
System.out.println(s);
}
4.2 树形结构遍历
实现二叉树的不同遍历方式（前序、中序、后序）：
interface TreeIterator
// 不同遍历方式的迭代器
}
class BinaryTree
// 树实现...
public Iterator
return new PreOrderIterator();
}
public Iterator
return new InOrderIterator();
}
// 具体迭代器实现...
}
4.3 数据库结果集遍历
JDBC中的ResultSet本质上也是一种迭代器模式的应用：
ResultSet rs = statement.executeQuery("SELECT * FROM users");
while (rs.next()) {
String name = rs.getString("name");
// 处理数据...
}
五、迭代器模式的最佳实践
5.1 何时使用
需要为复杂数据结构提供多种遍历方式时
需要统一遍历不同结构的集合时
希望隐藏集合内部实现细节时
需要支持并行遍历时
5.2 实现建议
考虑不可变迭代器：确保迭代过程中集合不被修改
实现remove()方法要谨慎：可能破坏集合一致性
考虑线程安全：多线程环境下的迭代器使用
支持forEachRemaining（Java 8+）：提供函数式操作
5.3 与其他模式的协作
组合模式：迭代器常用于遍历组合结构
工厂方法模式：用于创建适当的迭代器
访问者模式：可以结合使用实现复杂遍历操作
六、迭代器模式的局限性
简单集合可能过度设计：对于数组等简单结构，直接使用索引可能更简单
性能开销：某些情况下迭代器可能带来轻微性能损失
遍历状态维护：某些特殊集合难以实现高效的迭代器
并发修改问题：fail-fast与fail-safe的选择
七、现代编程语言中的演进
Java Stream API：更高级的迭代抽象
list.stream().filter(s -> s.length() > 3).forEach(System.out::println);
C#的IEnumerable和yield return：简化迭代器实现
public IEnumerable
for (int i = 0; i < 10; i++) {
yield return i;
}
}
JavaScript的迭代协议：
const iterable = {
[Symbol.iterator]() {
let count = 0;
return {
next() {
return count < 5 ?
{value: count++, done: false} :
{value: undefined, done: true};
}
};
}
};
八、总结
迭代器模式是处理集合遍历的经典解决方案，它通过将遍历行为抽象为独立的对象，实现了集合结构与遍历算法的解耦。该模式在现代编程语言和框架中广泛应用，是每个开发者必须掌握的基础设计模式之一。
随着函数式编程的兴起，迭代器模式也发展出更高级的形式（如Java Stream API），但其核心思想仍然不变：提供一种统一的方式来访问集合元素，而不暴露集合的内部结构。
在实际开发中，我们应当根据具体需求选择合适的迭代方式，平衡设计的优雅性与实现的简洁性。理解迭代器模式的本质，能帮助我们更好地设计和使用各种集合类API。