迭代器模式及优化

迭代器模式（Iterator Pattern）是一种行为型设计模式，用于提供一种统一的方式遍历聚合对象（如集合、容器）中的元素，而无需暴露对象的内部实现细节。它将遍历逻辑与聚合对象分离，使得遍历操作可以独立于聚合结构变化，同时支持对同一聚合对象进行多种不同的遍历方式。

一、介绍

核心角色

迭代器模式包含4个关键角色：

  1. 迭代器（Iterator）
    定义遍历元素的接口，通常包含 hasNext()（是否有下一个元素）、next()（获取下一个元素）等方法。
  2. 具体迭代器（ConcreteIterator）
    实现迭代器接口，负责管理遍历的当前位置，记录遍历状态。
  3. 聚合（Aggregate）
    定义创建迭代器的接口（通常是 createIterator() 方法），充当迭代器的工厂。
  4. 具体聚合（ConcreteAggregate）
    实现聚合接口，返回具体迭代器实例，同时维护元素的存储结构（如数组、链表等）。
优点
  1. 封装性好：客户端无需知道聚合对象的内部结构（如数组、链表），只需通过迭代器接口遍历。
  2. 单一职责：聚合对象专注于存储数据，迭代器专注于遍历逻辑，符合单一职责原则。
  3. 扩展性强：新增遍历方式只需添加新的迭代器类，无需修改聚合对象（符合开闭原则）。
  4. 统一接口：不同聚合对象可以提供相同的迭代器接口，客户端可以用一致的代码遍历不同容器。
适用场景

迭代器模式适用于以下场景：

  1. 需要遍历聚合对象但不暴露其内部结构
    如遍历链表、树、哈希表等，客户端无需知道元素的存储方式。
  2. 需要为同一聚合对象提供多种遍历方式
    如正序遍历、倒序遍历、过滤遍历（只遍历满足条件的元素）。
  3. 需要统一不同聚合对象的遍历接口
    如让数组、链表、栈等不同容器使用相同的遍历方式（如STL中的begin()/end()）。
  4. 遍历逻辑复杂，需要与聚合对象分离
    将遍历代码从聚合类中抽离，降低类的复杂度。

二、实现

以图书库为例，展示如何使用迭代器模式遍历不同类型的书架：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <memory>
#include <stdexcept>// 前向声明
template <typename T>
class Iterator;// 抽象聚合类：定义创建迭代器的接口
template <typename T>
class Aggregate {
public:virtual ~Aggregate() = default;virtual std::unique_ptr<Iterator<T>> createIterator() = 0;virtual void add(const T& item) = 0;virtual size_t size() const = 0;virtual T get(size_t index) const = 0;
};// 抽象迭代器类：定义遍历接口
template <typename T>
class Iterator {
public:virtual ~Iterator() = default;virtual bool hasNext() const = 0;virtual T next() = 0;virtual void reset() = 0;
};// 具体聚合：书架（使用数组存储）
class BookShelf : public Aggregate<std::string> {
private:std::vector<std::string> books_;public:void add(const std::string& book) override {books_.push_back(book);}size_t size() const override {return books_.size();}std::string get(size_t index) const override {if (index >= books_.size()) {throw std::out_of_range("索引超出范围");}return books_[index];}// 创建数组迭代器std::unique_ptr<Iterator<std::string>> createIterator() override;
};// 具体迭代器：书架迭代器（数组遍历）
class BookShelfIterator : public Iterator<std::string> {
private:const BookShelf& shelf_;size_t currentIndex_;public:explicit BookShelfIterator(const BookShelf& shelf) : shelf_(shelf), currentIndex_(0) {}bool hasNext() const override {return currentIndex_ < shelf_.size();}std::string next() override {if (!hasNext()) {throw std::out_of_range("没有更多书籍");}return shelf_.get(currentIndex_++);}void reset() override {currentIndex_ = 0;}
};// 实现书架的迭代器创建方法
std::unique_ptr<Iterator<std::string>> BookShelf::createIterator() {return std::make_unique<BookShelfIterator>(*this);
}// 具体聚合：环形书架（循环遍历）
class CircularBookShelf : public Aggregate<std::string> {
private:std::vector<std::string> books_;public:void add(const std::string& book) override {books_.push_back(book);}size_t size() const override {return books_.size();}std::string get(size_t index) const override {if (books_.empty()) {throw std::runtime_error("书架为空");}// 环形索引（取模运算实现循环）return books_[index % books_.size()];}// 创建环形迭代器std::unique_ptr<Iterator<std::string>> createIterator() override;
};// 具体迭代器：环形迭代器（支持循环遍历）
class CircularIterator : public Iterator<std::string> {
private:const CircularBookShelf& shelf_;size_t currentIndex_;size_t maxSteps_;  // 最大遍历步数（避免无限循环）public:explicit CircularIterator(const CircularBookShelf& shelf, size_t maxSteps = 10): shelf_(shelf), currentIndex_(0), maxSteps_(maxSteps) {}bool hasNext() const override {return currentIndex_ < maxSteps_ && !shelf_.size() == 0;}std::string next() override {if (!hasNext()) {throw std::out_of_range("已达到最大遍历步数");}return shelf_.get(currentIndex_++);}void reset() override {currentIndex_ = 0;}
};// 实现环形书架的迭代器创建方法
std::unique_ptr<Iterator<std::string>> CircularBookShelf::createIterator() {return std::make_unique<CircularIterator>(*this);
}// 客户端代码：统一遍历不同类型的书架
void printBooks(Iterator<std::string>& iterator) {while (iterator.hasNext()) {std::cout << "- " << iterator.next() << std::endl;}
}int main() {// 普通书架BookShelf normalShelf;normalShelf.add("《设计模式》");normalShelf.add("《C++ Primer》");normalShelf.add("《算法导论》");std::cout << "普通书架的书籍：" << std::endl;auto normalIterator = normalShelf.createIterator();printBooks(*normalIterator);// 环形书架CircularBookShelf circularShelf;circularShelf.add("《红楼梦》");circularShelf.add("《西游记》");circularShelf.add("《三国演义》");std::cout << "\n环形书架的书籍（循环遍历5本）：" << std::endl;auto circularIterator = circularShelf.createIterator();printBooks(*circularIterator);return 0;
}
输出结果
普通书架的书籍：
- 《设计模式》
- 《C++ Primer》
- 《算法导论》环形书架的书籍（循环遍历5本）：
- 《红楼梦》
- 《西游记》
- 《三国演义》
- 《红楼梦》
- 《西游记》
应用场景
  1. 容器类库
    • C++ STL、Java Collections Framework等都广泛使用迭代器模式
    • 如std::vector<int>::iterator、list.iterator()
  2. 数据库操作
    • 数据库查询结果集（ResultSet）通过迭代器遍历记录
    • 支持游标移动、条件过滤等复杂遍历
  3. 树形结构遍历
    • 二叉树的前序、中序、后序遍历可通过不同迭代器实现
    • XML/JSON文档解析中的节点遍历
  4. 流处理
    • 输入流、输出流的内容读取（如std::istream_iterator）
    • 日志文件的逐行读取
  5. UI组件遍历
    • 界面控件树的遍历（如遍历所有按钮并设置属性）
    • 菜单层级结构的遍历

三、优化

优化点
  1. STL风格迭代器
    • 实现了符合STL标准的迭代器接口，包含operator*、operator++等必要操作符
    • 定义了正确的迭代器分类（forward_iterator_tag、bidirectional_iterator_tag）
    • 支持begin()/end()和rbegin()/rend()接口，与STL容器用法一致
  2. 范围for循环支持
    • 通过实现begin()和end()方法，使自定义容器支持C++11的范围for循环
    • 客户端代码可以像遍历vector一样遍历自定义书架：for (const auto& book : shelf)
  3. 迭代器扩展
    • 增加了反向迭代器（ReverseIterator），支持从后向前遍历
    • 实现了筛选迭代器（FilteredIterator），支持按条件过滤元素（结合了装饰器模式）
  4. 类型安全与封装
    • 使用const限定符确保常量正确性
    • 将迭代器作为内部类实现，增强封装性
    • 通过异常处理处理越界访问等错误情况
  5. 数据模型完善
    • 引入Book类封装实际数据，使示例更贴近真实场景
    • 为Book类实现operator<<，方便打印输出
#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <memory>
#include <stdexcept>
#include <algorithm>
#include <iterator>// 1. 书籍类（存储实际数据）
class Book {
private:std::string title_;std::string author_;public:Book(std::string title, std::string author): title_(std::move(title)), author_(std::move(author)) {}const std::string& getTitle() const { return title_; }const std::string& getAuthor() const { return author_; }// 重载输出运算符，方便打印friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Book& book) {return os << "\"" << book.title_ << "\" by " << book.author_;}
};// 2. 抽象书架类（聚合接口）
class BookShelf {
public:virtual ~BookShelf() = default;virtual void add(const Book& book) = 0;virtual size_t size() const = 0;virtual const Book& get(size_t index) const = 0;// STL风格迭代器接口class Iterator {public:using iterator_category = std::forward_iterator_tag;using value_type = const Book;using difference_type = std::ptrdiff_t;using pointer = const Book*;using reference = const Book&;Iterator(const BookShelf& shelf, size_t index): shelf_(shelf), index_(index) {}reference operator*() const {return shelf_.get(index_);}pointer operator->() const {return &shelf_.get(index_);}Iterator& operator++() {if (index_ < shelf_.size()) {++index_;}return *this;}Iterator operator++(int) {Iterator temp = *this;++(*this);return temp;}bool operator==(const Iterator& other) const {return &shelf_ == &other.shelf_ && index_ == other.index_;}bool operator!=(const Iterator& other) const {return !(*this == other);}private:const BookShelf& shelf_;size_t index_;};// 反向迭代器class ReverseIterator {public:using iterator_category = std::bidirectional_iterator_tag;using value_type = const Book;using difference_type = std::ptrdiff_t;using pointer = const Book*;using reference = const Book&;ReverseIterator(const BookShelf& shelf, size_t index): shelf_(shelf), index_(index) {}reference operator*() const {return shelf_.get(index_);}pointer operator->() const {return &shelf_.get(index_);}ReverseIterator& operator++() {if (index_ > 0) {--index_;} else {index_ = shelf_.size(); // 标记为结束}return *this;}ReverseIterator operator++(int) {ReverseIterator temp = *this;++(*this);return temp;}bool operator==(const ReverseIterator& other) const {return &shelf_ == &other.shelf_ && index_ == other.index_;}bool operator!=(const ReverseIterator& other) const {return !(*this == other);}private:const BookShelf& shelf_;size_t index_;};// 迭代器范围接口（支持范围for循环）Iterator begin() const { return Iterator(*this, 0); }Iterator end() const { return Iterator(*this, size()); }ReverseIterator rbegin() const { return size() > 0 ? ReverseIterator(*this, size() - 1) : rend(); }ReverseIterator rend() const { return ReverseIterator(*this, size()); }
};// 3. 具体聚合：线性书架
class LinearBookShelf : public BookShelf {
private:std::vector<Book> books_;public:void add(const Book& book) override {books_.push_back(book);}size_t size() const override {return books_.size();}const Book& get(size_t index) const override {if (index >= books_.size()) {throw std::out_of_range("索引超出范围");}return books_[index];}
};// 4. 具体聚合：环形书架（循环迭代）
class CircularBookShelf : public BookShelf {
private:std::vector<Book> books_;size_t maxIterations_; // 最大迭代次数（避免无限循环）public:explicit CircularBookShelf(size_t maxIterations = 2): maxIterations_(maxIterations) {}void add(const Book& book) override {books_.push_back(book);}size_t size() const override {return books_.empty() ? 0 : books_.size() * maxIterations_;}const Book& get(size_t index) const override {if (books_.empty()) {throw std::runtime_error("书架为空");}// 环形索引计算return books_[index % books_.size()];}
};// 5. 筛选迭代器（装饰器模式扩展）
class FilteredIterator {
private:BookShelf::Iterator it_;BookShelf::Iterator end_;std::function<bool(const Book&)> predicate_;// 找到下一个符合条件的元素void findNext() {while (it_ != end_ && !predicate_(*it_)) {++it_;}}public:FilteredIterator(BookShelf::Iterator begin, BookShelf::Iterator end,std::function<bool(const Book&)> predicate): it_(begin), end_(end), predicate_(std::move(predicate)) {findNext();}const Book& operator*() const {if (it_ == end_) {throw std::out_of_range("没有符合条件的元素");}return *it_;}FilteredIterator& operator++() {if (it_ != end_) {++it_;findNext();}return *this;}bool operator!=(const FilteredIterator& other) const {return it_ != other.it_;}
};// 筛选迭代器的范围包装
struct FilteredRange {BookShelf::Iterator begin_;BookShelf::Iterator end_;std::function<bool(const Book&)> predicate_;FilteredIterator begin() const {return FilteredIterator(begin_, end_, predicate_);}FilteredIterator end() const {return FilteredIterator(end_, end_, predicate_);}
};// 创建筛选范围的辅助函数
FilteredRange filter(const BookShelf& shelf, std::function<bool(const Book&)> predicate) {return {shelf.begin(), shelf.end(), std::move(predicate)};
}// 客户端代码
int main() {// 创建线性书架并添加书籍LinearBookShelf linearShelf;linearShelf.add(Book("设计模式", " Erich Gamma"));linearShelf.add(Book("C++ Primer", "Stanley Lippman"));linearShelf.add(Book("算法导论", "Thomas H. Cormen"));linearShelf.add(Book("C++ 并发编程", "Anthony Williams"));std::cout << "=== 线性书架（正向遍历） ===" << std::endl;for (const auto& book : linearShelf) {std::cout << "- " << book << std::endl;}std::cout << "\n=== 线性书架（反向遍历） ===" << std::endl;for (auto it = linearShelf.rbegin(); it != linearShelf.rend(); ++it) {std::cout << "- " << *it << std::endl;}// 创建环形书架CircularBookShelf circularShelf(2); // 循环2次circularShelf.add(Book("红楼梦", "曹雪芹"));circularShelf.add(Book("西游记", "吴承恩"));circularShelf.add(Book("三国演义", "罗贯中"));std::cout << "\n=== 环形书架（循环遍历） ===" << std::endl;for (const auto& book : circularShelf) {std::cout << "- " << book << std::endl;}// 筛选迭代器示例：只显示C++相关书籍std::cout << "\n=== 筛选C++相关书籍 ===" << std::endl;auto cppBooks = filter(linearShelf, [](const Book& book) {return book.getTitle().find("C++") != std::string::npos;});for (const auto& book : cppBooks) {std::cout << "- " << book << std::endl;}return 0;
}
输出结果
=== 线性书架（正向遍历） ===
- "设计模式" by  Erich Gamma
- "C++ Primer" by Stanley Lippman
- "算法导论" by Thomas H. Cormen
- "C++ 并发编程" by Anthony Williams=== 线性书架（反向遍历） ===
- "C++ 并发编程" by Anthony Williams
- "算法导论" by Thomas H. Cormen
- "C++ Primer" by Stanley Lippman
- "设计模式" by  Erich Gamma=== 环形书架（循环遍历） ===
- "红楼梦" by 曹雪芹
- "西游记" by 吴承恩
- "三国演义" by 罗贯中
- "红楼梦" by 曹雪芹
- "西游记" by 吴承恩
- "三国演义" by 罗贯中=== 筛选C++相关书籍 ===
- "C++ Primer" by Stanley Lippman
- "C++ 并发编程" by Anthony Williams
优化后优势
  1. 与STL生态兼容
    • 可以使用STL算法库中的函数（如std::for_each、std::find）操作自定义容器
    • 开发者无需学习新的迭代器用法，降低学习成本
  2. 使用便捷性提升
    • 范围for循环使遍历代码更简洁易读
    • 反向迭代器和筛选迭代器提供了更丰富的遍历方式
  3. 扩展性更强
    • 可以轻松添加新的迭代器类型（如随机访问迭代器、深度优先迭代器）
    • 筛选迭代器展示了如何通过组合模式扩展迭代器功能
  4. 更符合现代C++规范
    • 使用智能指针管理资源，避免内存泄漏
    • 利用lambda表达式实现灵活的筛选条件
    • 常量迭代器确保数据访问的const正确性

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