迭代器模式

新手,刚开始写。如果有没明白可以在下面评论哦,每天晚上下班回家都会在线。对文章结构和叙述请大家给予批评并且给出建议(最重要的一点)
文章中可点击的链接都是我自己写的。

本章内容主要包括
1 简介
2 UML
3 代码演示
4 Java应用
5 Java增强版Iterator(ListIterator)
6 总结

  1. 简介
    在没有迭代器模式的情况下,当我们每次遍历一个集合的时候都会采用以下操作。
    for (int i = 0 ; i  < list.length; i++){
        System.out.println(list.get[i]);
    }

很明显访问数据和存储数据耦合在一起。而迭代器模式用来解耦访问数据和存储数据之间的耦合。
下面是迭代器模式的遍历

    while(Iterator.hasNext()){
        System.out.println(iterator.next);
    }

到这里也许你会问,这也没有什么卵用啊,代码也没有什么太大的变化。
那么我们下面再说一个例子你就能看出来区别了。存在一个任务列表list,你需要以此执行这个任务列表。并且这个任务列表还是在两个线程中执行。以下为两个版本的伪代码

    //没有迭代器,共用索引值i
    thread1 {
        if (i++ < list.length) {执行任务}
    }
   thread2 {
        if (i++ < list.length) {执行任务}
    }
    //迭代器版本,共用迭代器Iterator
    thread1 {
        if (iterator.hasNext()) {执行任务}
    }
   thread2 {
        if (iterator.hasNext()) {执行任务}
    }

在多线程的情况下没有迭代器的版本会因为执行顺序的问题,造成一个任务被多次执行或者有的任务没有执行。我们为了解决这个问题会选择加锁机制。但同时这也导致了一个问题,我们每次增加一个线程都需要添加锁。
而在迭代器的版本中我们只需要保证iterator中的索引是线程安全的,取出的任务都会是顺序的。此处使用的原理为栈封闭
迭代器模式在顺序访问聚合对象的时候比较有用。它将聚合对象的内部封装。将存储数据和访问数据分离开保证了聚合对象的内部安全。但同时也增加了代码的复杂度,每一个聚合对象都要重新实现迭代器。迭代器模式属于行为性模式。

  1. UML


    UML
  2. 代码演示
    Iterator
public interface Iterator<E> {
    boolean hasNext();
    E next();
}

Container

public interface Container<E> {
    Iterator<E> getIterator();
}

ClassPeople

public class ClassPeople<E> implements Container<E> {
    private int total;
    private E[] peoples;

    public ClassPeople(E[] peoples) {
        this.peoples = peoples;
        if (peoples == null)
            total = -1;
        else
            total = peoples.length;
    }

    public Iterator getIterator() {
        return new ClassIterator();
    }
    private class ClassIterator implements Iterator<E>{
        private int index = 0;
        public boolean hasNext() {
            if (index >= total) {
                return false;
            }
            return true;
        }

        public E next() {
            return peoples[index++];
        }
    }
}

Test

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        String[] peoples = {"张三","李四","王五"};
        Container<String> container = new ClassPeople<String>(peoples);
        Iterator iterator = container.getIterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            System.out.println(iterator.next());
        }
    }
}
  1. Java应用
    Iterator
public interface Iterator<E> {
    /**
     * Returns {@code true} if the iteration has more elements.
     * (In other words, returns {@code true} if {@link #next} would
     * return an element rather than throwing an exception.)
     *
     * @return {@code true} if the iteration has more elements
     */
    boolean hasNext();

    /**
     * Returns the next element in the iteration.
     *
     * @return the next element in the iteration
     * @throws NoSuchElementException if the iteration has no more elements
     */
    E next();

    /**
     * Removes from the underlying collection the last element returned
     * by this iterator (optional operation).  This method can be called
     * only once per call to {@link #next}.  The behavior of an iterator
     * is unspecified if the underlying collection is modified while the
     * iteration is in progress in any way other than by calling this
     * method.
     *
     * @implSpec
     * The default implementation throws an instance of
     * {@link UnsupportedOperationException} and performs no other action.
     *
     * @throws UnsupportedOperationException if the {@code remove}
     *         operation is not supported by this iterator
     *
     * @throws IllegalStateException if the {@code next} method has not
     *         yet been called, or the {@code remove} method has already
     *         been called after the last call to the {@code next}
     *         method
     */
    default void remove() {
        throw new UnsupportedOperationException("remove");
    }

    /**
     * Performs the given action for each remaining element until all elements
     * have been processed or the action throws an exception.  Actions are
     * performed in the order of iteration, if that order is specified.
     * Exceptions thrown by the action are relayed to the caller.
     *
     * @implSpec
     * <p>The default implementation behaves as if:
     * <pre>{@code
     *     while (hasNext())
     *         action.accept(next());
     * }</pre>
     *
     * @param action The action to be performed for each element
     * @throws NullPointerException if the specified action is null
     * @since 1.8
     */
    default void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        while (hasNext())
            action.accept(next());
    }
}

ArrayList简化版本

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable
{
    transient Object[] elementData; 
    private int size;
    private static final Object[] DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA = {}; //标记null,也就是把DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA 当做null值
    private static final Object[] EMPTY_ELEMENTDATA = {}; //没有元素
    public ArrayList() {
        this.elementData = DEFAULTCAPACITY_EMPTY_ELEMENTDATA;
    }
    public ArrayList(Collection<? extends E> c) {
        elementData = c.toArray();
        if ((size = elementData.length) != 0) {
            // c.toArray might (incorrectly) not return Object[] (see 6260652)
            if (elementData.getClass() != Object[].class)
                elementData = Arrays.copyOf(elementData, size, Object[].class);
        } else {
            // replace with empty array.
            this.elementData = EMPTY_ELEMENTDATA;
        }
    }
    //检查索引位置是否合法
    private void rangeCheck(int index) {
        if (index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException(outOfBoundsMsg(index));
    }
   //删除元素
    public E remove(int index) {
        rangeCheck(index);

        modCount++;
        E oldValue = elementData(index);

        int numMoved = size - index - 1;
        if (numMoved > 0)
            System.arraycopy(elementData, index+1, elementData, index,
                             numMoved);
        elementData[--size] = null; // clear to let GC do its work

        return oldValue;
    }
    private class Itr implements Iterator<E> {
        int cursor;       // 索引位置
        int lastRet = -1; // 标记上一次遍历的索引位置
        int expectedModCount = modCount;

        public boolean hasNext() {
            return cursor != size;
        }

        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E next() {
          
            checkForComodification();
            int i = cursor;
            if (i >= size)
                throw new NoSuchElementException();
            Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length)
                throw new ConcurrentModificationException();
            cursor = i + 1;
            return (E) elementData[lastRet = i];
        }
        //删除元素并修改期望值,modCount是在ArrayList.this.remove()中+1。
        public void remove() {
            if (lastRet < 0)
                throw new IllegalStateException();
            checkForComodification();

            try {
                ArrayList.this.remove(lastRet);
                cursor = lastRet;
                lastRet = -1;
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }
         //根据条件进行遍历,Consumer会另开新篇章此处不解释
        @Override
        @SuppressWarnings("unchecked")
        public void forEachRemaining(Consumer<? super E> consumer) {
            Objects.requireNonNull(consumer);
            final int size = ArrayList.this.size;
            int i = cursor;
            if (i >= size) {
                return;
            }
            final Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
            while (i != size && modCount == expectedModCount) {
                consumer.accept((E) elementData[i++]);
            }
            // update once at end of iteration to reduce heap write traffic
            cursor = i;
            lastRet = i - 1;
            checkForComodification();
        }
  //检查更新次数。
        final void checkForComodification() {
            if (modCount != expectedModCount)
                throw new ConcurrentModificationException();
        }
    }

checkForComodification()实现了即时失效机制。即时失效机制让我们在多线程的情况下会很容易发现错误。
假设有线程A和线程B。他们分别持有一个相同的Iterator。modCount初始值为0。
线程A删除一个元素,删除元素之后modCount为1。当在 线程A执行cursor = lastRet期间线程B执行了删除操作,那么在checkForComdication时,expectedModCount为0而modCount为1就会抛出。ConcurrentModificationExceotion。此思想类似于CAS

  1. Java增强版Iterator(ListIterator)
    此Iterator是ArrayList的内部类
private class ListItr extends Itr implements ListIterator<E> {
        ListItr(int index) {
            super();
            cursor = index;
        }

        public boolean hasPrevious() {
            return cursor != 0;
        }

        public int nextIndex() {
            return cursor;
        }

        public int previousIndex() {
            return cursor - 1;
        }

        @SuppressWarnings("unchecked")
        public E previous() {
            checkForComodification();
            int i = cursor - 1;
            if (i < 0)
                throw new NoSuchElementException();
            Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
            if (i >= elementData.length)
                throw new ConcurrentModificationException();
            cursor = i;
            return (E) elementData[lastRet = i];
        }

        public void set(E e) {
            if (lastRet < 0)
                throw new IllegalStateException();
            checkForComodification();

            try {
                ArrayList.this.set(lastRet, e);
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }

        public void add(E e) {
            checkForComodification();

            try {
                int i = cursor;
                ArrayList.this.add(i, e);
                cursor = i + 1;
                lastRet = -1;
                expectedModCount = modCount;
            } catch (IndexOutOfBoundsException ex) {
                throw new ConcurrentModificationException();
            }
        }
    }

ListIterator在Iterator的基础上添加了增加,设置,获取索引值等操作。

  1. 总结
    迭代器模式虽然将访问数据和存储数据解耦了,但是却只能适应顺序迭代内聚集合,并且我们需要为每种聚合对象添加迭代器。
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