《Head first设计模式》学习笔记 – 迭代器模式

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迭代器模式提供一种方法顺序访问一个聚合对象中的各个元素,而又不暴露其内部的表示。

爆炸性新闻:对象村餐厅和对象村煎饼屋合并了!
真是个好消息!现在我们可以在同一个地方,享用煎饼屋美味的煎饼早餐,和好吃的餐厅午餐了。但是,好像有一点小麻烦:
新的餐厅想用煎饼屋菜单当作早餐的菜单,使用餐厅的菜单当做午餐的菜单,大家都同意了这样实现菜单项。但是大家无法同意菜单的实现。煎饼屋使用ArrayList记录他的菜单项,而餐厅使用的是数组。他们两个都不愿意改变他们的实现,毕竟有太多代码依赖于它们了。

检查菜单项

让我们先检查每份菜单上的项目和实现。

public class MenuItem {
// 名称
String name;
// 描述
String description;
// 是否为素食
boolean vegetarian;
// 价格
double price;

public MenuItem(String name,


String description,


boolean vegetarian,


double price) {
this.name = name;
this.description = description;
this.vegetarian = vegetarian;
this.price = price;
}

public String getName() {
return name;
}

public String getDescription() {
return description;
}

public double getPrice() {
return price;
}

public boolean isVegetarian() {
return vegetarian;
}
}

两个餐厅的菜单实现

我们先来看看两个餐厅的菜单实现

// 这是煎饼屋的菜单实现
public class PancakeHouseMenu {
// 煎饼屋使用一个ArrayList存储他的菜单项
ArrayList menuItems;

public PancakeHouseMenu() {
menuItems = new ArrayList();

// 在菜单的构造器中,每一个菜单项都会被加入到ArrayList中
// 每个菜单项都有一个名称、一个描述、是否为素食、还有价格
addItem("K&B's Pancake Breakfast",


"Pancakes with scrambled eggs, and toast",


true,


2.99);

addItem("Regular Pancake Breakfast",


"Pancakes with fried eggs, sausage",


false,


2.99);

addItem("Blueberry Pancakes",


"Pancakes made with fresh blueberries",


true,


3.49);

addItem("Waffles",


"Waffles, with your choice of blueberries or strawberries",


true,


3.59);
}

// 要加入一个菜单项,煎饼屋的做法是创建一个新的菜单项对象,
// 传入每一个变量,然后将它加入ArrayList中
public void addItem(String name, String description,


 boolean vegetarian, double price) {
MenuItem menuItem = new MenuItem(name, description, vegetarian, price);
menuItems.add(menuItem);
}

// 这个方法返回菜单项列表
public ArrayList getMenuItems() {
return menuItems;
}

// 这里还有菜单的其他方法,这些方法都依赖于这个ArrayList,所以煎饼屋不希望重写全部的代码!
// ...
}

// 餐厅的菜单实现
public class DinnerMenu {
// 餐厅采用使用的是数组,所以可以控制菜单的长度,
// 并且在取出菜单项时,不需要转型
static final int MAX_ITEMS = 6;
int numberOfItems = 0;
MenuItem[] menuItems;

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

// 和煎饼屋一样,餐厅使用addItem()辅助方法在构造器中创建菜单项的
addItem("Vegetarian BLT",


"(Fakin') Bacon with lettuce & tomato on whole wheat",


true,


2.99);
addItem("BLT",


"Bacon with lettuce & tomato on whole wheat",


false,


2.99);
addItem("Soup of the day",


"Soup of the day, with a side of potato salad",


false,


3.29);
addItem("Hotdog",


"A hot dog, with saurkraut, relish, onions, topped with cheese",


false,


3.05);
}

public void addItem(String name, String description,


boolean vegetarian, double price) {
// 餐厅坚持让菜单保持在一定的长度之内
MenuItem menuItem = new MenuItem(name, description, vegetarian, price);
if (numberOfItems >= MAX_ITEMS) {


System.err.println("Sorry, menu is full! Can't add item to menu");
} else {


menuItems[numberOfItems] = menuItem;


numberOfItems = numberOfItems + 1;
}
}

// getMenuItems()返回一个菜单项的数组
public MenuItem[] getMenuItems() {
return menuItems;
}

// 正如煎饼屋那样,这里还有很多其他的菜单代码依赖于这个数组
// ...
}

两种不同的菜单表现方式,会带来什么问题?

想了解为什么有两种不同的菜单表现方式会让事情变得复杂化,让我们试着实现一个同时使用这两个菜单的客户代码。假设你已经被两个餐厅合租的新公司雇用,你的工作是创建一个Java版本的女招待,她能应对顾客的需要打印定制的菜单,甚至告诉你是否某个菜单项是素食的,而无需询问厨师。跟我们来看看这份关于女招待的规格,然后看看如何实现她。

Java版本的女招待规格:

printMenu(): 打印出菜单上的每一项
printBreakfastMenu(): 只打印早餐项
printLunchMenu(): 只打印午餐项
printVegetarianMenu(): 打印所有的素食菜单项
isItemVegetarian(name): 指定项的名称,如果该项是素食,返回true,否则返回false

我们先从实现printMenu()方法开始:
1.打印每份菜单上的所有项,必须调用PancakeHouseMenu和DinnerMenu的getMenuItems()方法,来取得它们各自的菜单项。请注意,两者的返回类型是不一样的。

// getMenuItems()方法看起来是一样的,但是调用所返回的结果却是不一样的类型。
// 早餐项是在一个ArrayList中,午餐项则是在一个数组中
PancakeHouseMenu pancakeHouseMenu = new PancakeHouseMenu();
ArrayList breakfastItems = pancakeHouseMenu.getMenuItems();

DinnerMenu dinnerMenu = new DinnerMenu();
MenuItem[] lunchItems = dinnerMenu.getMenuItems();

2.现在,想要打印PancakeHouseMenu的项,我们用循环将早餐ArrayList内的项一一列出来。想要打印DinnerMenu的项目,我们用循环将数组内的项一一列出来。

// 现在,我们必须实现两个不同的循环,个别处理这两个不同的菜单
for (int i = 0; i < breakfastItems.size(); i++) {
MenuItem menuItem = (MenuItem) breakfastItems.get(i);
System.out.print(menuItem.getName() + " ");
System.out.print(menuItem.getPrice() + " ");
System.out.println(menuItem.getDescription() + " ");
}

for (int i = 0; i < lunchItems.length; i++) {
MenuItem menuItem = lunchItems[i];
System.out.print(menuItem.getName() + " ");
System.out.print(menuItem.getPrice() + " ");
System.out.println(menuItem.getDescription() + " ");
}

3.实现女招待中的其他方法,做法也都和这里的方法相类似。我们总是需要处理两个菜单,并且用两个循环遍历这些项。如果还有第三家餐厅以不同的实现出现,我们就需要有三个循环。

下一步呢?

这两个餐厅让我们很为难,他们都不想改变自身的实现,因为意味着要重写许多代码。但是如果他们其中一人不肯退让,我们就很难办了,我们所写出来的女招待程序将难以维护、难以扩展。
如果我们能够找到一个方法,让他们的菜单实现一个相同的接口,该有多好!这样一来,我们就可以最小化女招待代码中的具体引用,同时还有希望摆脱遍历这两个菜单所需的多个循环。
听起来很棒!但要怎么做呢?
如果你从本书中学到了一件事情,那就是封装变化的部分。很明显,在这里发生变化的是:由不同的集合(collection)类型所造成的遍历。但是,这能够被封装吗?让我们来看看这个想法:
1.要遍历早餐项,我们需要使用ArrayList的size()和get()方法:

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

2.要遍历午餐项,我们需要使用数组的length字段和中括号:

for (int i = 0; i < lunchItems.length; i++) {
MenuItem menuItem = lunchItems[i];
}

3.现在我们创建一个对象,把它称为迭代器(Iterator),利用它来封装“遍历集合内的每个对象的过程”。先让我们在ArrayList上试试:

// 我们从breakfastMenu中取得一个菜单项迭代器
Iterator iterator = breakfastMenu.createIterator();
// 当还有其他项时
while (iterator.hasNext()) {
// 取得下一项
MenuItem menuItem = (MenuItem) iterator.next();
}

4.将它也在数组上试试:

// 这里的情况也是一样的:客户只需要调用hasNext()和next()即可,
// 而迭代器会暗中使用数组的下标
Iterator iterator = lunchMenu.createIterator();
while (iterator.hasNext()) {
MenuItem menuItem = (MenuItem) iterator.next();
}

会见迭代器模式

看起来我们对遍历的封装已经奏效了;你大概也已经猜到,这正是一个设计模式,称为迭代器模式。
关于迭代器模式,你所需要知道的第一件事情,就是它依赖于一个名为迭代器的接口。

public interface Iterator {
// hasNext()方法返回一个布尔值,让我们知道是否还有更多的元素
boolean hasNext();
// next()方法返回下一个元素
Object next();
}

现在,一旦我们有了这个接口,就可以为各种对象集合实现迭代器:数组、列表、散列表……
让我们继续实现这个迭代器,并将它挂钩到DinnerMenu中,看它是如何工作的。

用迭代器改写餐厅菜单

现在我们需要实现一个具体的迭代器,为餐厅菜单服务:

public class DinnerMenuIterator implements Iterator {
MenuItem[] items;
// position记录当前数组遍历的位置
int position = 0;

// 构造器需要被传入一个菜单项的数组当做参数
public DinnerMenuIterator(MenuItem[] items) {
this.items = items;
}

// next()方法返回数组内的下一项,并递增其位置
public Object next() {
MenuItem menuItem = items[position];
position = position + 1;
return menuItem;
}

// hasNext()方法会检查我们是否已经取得数组内所有的元素。
// 如果还有元素待遍历,则返回true
public boolean hasNext() {
if (position >= items.length || items[position] == null) {


return false;
} else {


return true;
}
}
}

好了,我们已经有了迭代器。现在就利用它来改写餐厅菜单:我们只需要加入一个方法创建一个DinnerMenuIterator,并将它返回给客户:

public class DinnerMenu {
static final int MAX_ITEMS = 6;
int numberOfItems = 0;
MenuItem[] menuItems;

// ...

// 我们不再需要getMenuItems()方法,事实上,我们根本不想要这个方法,
// 因为它会暴露我们内部的实现。
// 这是createIterator()方法,用来从菜单项数组创建一个DinnerMenuIterator,
// 并将它返回给客户
public Iterator createIterator() {
return new DinnerMenuIterator(menuItems);
}

// ...
}

现在将迭代器代码整合进女招待中。

public class Waitress {
PancakeHouseMenu pancakeHouseMenu;
DinnerMenu dinnerMenu;

// 在构造器中,女招待照顾两个菜单
public Waitress(PancakeHouseMenu pancakeHouseMenu, DinnerMenu dinnerMenu) {
this.pancakeHouseMenu = pancakeHouseMenu;
this.dinnerMenu = dinnerMenu;
}

public void printMenu() {
// 这个printMenu()方法为每一个菜单各自创建一个迭代器
Iterator pancakeIterator = pancakeHouseMenu.createIterator();
Iterator dinnerIterator = dinnerMenu.createIterator();
// 然后调用重载的printMenu(),将迭代器传入
printMenu(pancakeIterator);
printMenu(dinnerIterator);
}

// 这个重载的printMenu()方法,使用迭代器来遍历菜单项并打印出来
private void printMenu(Iterator iterator) {
while (iterator.hasNext()) {


MenuItem menuItem = (MenuItem) iterator.next();


System.out.println(menuItem.getName() + " " +


 menuItem.getPrice() + " " + menuItem.getDescription());
}
}
}

到目前为止,我们做了些什么?

首先,我们让对象村的厨师们非常快乐。他们可以保持他们自己的实现又可以摆平差别。只要我们给他们这两个迭代器(PancakeHouseMenuIterator和DinnerMenuIterator),他们只需要加入一个createIterator()方法,一切就大功告成了。
这个过程中,我们也帮了我们自己。女招待将会更容易维护和扩展。让我们来彻底检查一下到底我们做了哪些事,以及后果如何:

难以维护的女招待实现 由迭代器支持的新女招待
菜单封装得不好,餐厅使用的是ArrayList,而煎饼屋使用的是数组。 菜单的实现已经被封装起来了。女招待不知道菜单是如何存储菜单项集合的。
需要两个循环来遍历菜单项。 只要实现迭代器,我们只需要一个循环,就可以多态地处理任何项的集合。
女招待捆绑于具体类(MenuItem[]和ArrayList)。 女招待现在只使用一个接口(迭代器)。
女招待捆绑于两个不同的具体菜单类,尽管这两个类的接口大致上是一样的。 现在的菜单接口完全一样。但是,我们还是没有一个共同的接口,也就是说女招待仍然捆绑于两个具体的菜单类。这一点我们最好再修改一下。

做一些改良

好了,我们已经知道这两份菜单的接口完全一样,但没有为它们设计一个共同的接口。所以,接下来就要这么做,让女招待更干净一些。
Java有一个内置的Iterator接口,让我们先来看看:

public interface Iterator<E> {
/**
 * Returns true if there is at least one more element, false otherwise.
 * @see #next
 */
public boolean hasNext();

/**
 * Returns the next object and advances the iterator.
 *
 * @return the next object.
 * @throws NoSuchElementException
 *

 if there are no more elements.
 * @see #hasNext
 */
public E next();

/**
 * Removes the last object returned by {@code next} from the collection.
 * This method can only be called once between each call to {@code next}.
 *
 * @throws UnsupportedOperationException
 *

 if removing is not supported by the collection being
 *

 iterated.
 * @throws IllegalStateException
 *

 if {@code next} has not been called, or {@code remove} has
 *

 already been called after the last call to {@code next}.
 */
public void remove();
}

这个接口看起来和我们之前定义的一样,只不过多了一个附加的方法,允许我们从聚合中删除由next()方法返回的最后一项。
接下来让我们用java.util.Iterator来清理代码。
让我们先从煎饼屋菜单开始,先把它改用java.util.Iterator,这很容易,只需要删除煎饼屋菜单迭代器,然后在煎饼屋菜单的代码前面加上 import java.util.Iterator。再改变下面这一行代码就可以了:

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

这样PancakeHouseMenu就完成了。
接着,我们处理DinnerMenu,以符合java.util.Iterator的需求。

public class DinnerMenuIterator implements Iterator {
MenuItem[] items;
int position = 0;

public DinnerMenuIterator(MenuItem[] items) {
this.items = items;
}

public Object next() {
MenuItem menuItem = items[position];
position = position + 1;
return menuItem;
}

public boolean hasNext() {
if (position >= items.length || items[position] == null) {


return false;
} else {


return true;
}
}

// 我们需要实现remove()方法。因为使用的是固定长度的数组,
// 所以在remove()方法被调用时,我们将后面的所有元素往前移动一个位置。
@Override
public void remove() {
if (position <= 0) {


throw new IllegalStateException("You can't remove


 an item until you've done at least one next()");
}
if (items[position - 1] != null) {


for (int i = position-1; i < (items.length - 1); i++) {


items[i] = items[i + 1];


}


items[items.length - 1] = null;
}
}
}

我们只需要给菜单一个共同的接口,然后再稍微改一下女招待。这个Menu接口相当简单:

public interface Menu {
public Iterator createIterator();
}

现在,我们需要让煎饼屋菜单类和餐厅菜单类都实现Menu接口,然后更新女招待的代码:

public class Waitress {
Menu pancakeHouseMenu;
Menu dinnerMenu;

// 将具体菜单类改成Menu接口
public Waitress(Menu pancakeHouseMenu, Menu dinnerMenu) {
this.pancakeHouseMenu = pancakeHouseMenu;
this.dinnerMenu = dinnerMenu;
}

// 以下的代码没有修改
public void printMenu() {
Iterator pancakeIterator = pancakeHouseMenu.createIterator();
Iterator dinnerIterator = dinnerMenu.createIterator();
printMenu(pancakeIterator);
printMenu(dinnerIterator);
}

private void printMenu(Iterator iterator) {
while (iterator.hasNext()) {


MenuItem menuItem = (MenuItem) iterator.next();


System.out.println(menuItem.getName() + " " +


menuItem.getPrice() + " " + menuItem.getDescription());
}
}
}

这为我们带来了什么好处?煎饼屋菜单和餐厅菜单的类,都实现了Menu接口,女招待可以利用接口(而不是具体类)引用每一个菜单对象。这样,通过“针对接口编程,而不针对实现编程”,我们就可以减少女招待和具体类之间的依赖。

定义迭代器模式

现在我们来看看这个模式的正式定义:

迭代器模式提供一种方法顺序访问一个聚合对象中的各个元素,而又不暴露其内部的表示。

迭代器模式让我们能游走于聚合内的每一个元素,而又不暴露内部的表示。把游走的任务放在迭代器上,而不是聚合上,这样简化了聚合的接口和实现,也让责任各得其所。
这很有意义:这个模式给你提供了一种方法,可以顺序访问一个聚集对象中的元素,而又不用知道内部是如何表示的。你已经在前面的两个菜单实现中看到了这一点。在设计中使用迭代器的影响是明显的:如果你有一个统一的方法访问聚合中的每一个对象,你就可以编写多态的代码和这些聚合搭配使用,如同前面的printMenu()方法一样,只要有了迭代器这个方法,根本不管菜单项究竟是由数组还是由ArrayList(或者其他能创建迭代器的东西)来保存的。
另一个对你的设计造成重要影响的,是迭代器模式把这些元素之间游走的责任交给迭代器,而不是聚合对象。这不仅让聚合的接口和实现变得更简洁,也可以让聚合更专注在它所应该专注的事情上面(也就是管理对象组合),而不必去理会遍历的事情。

单一责任

如果我们允许我们的聚合实现它们内部的集合,以及相关的操作和遍历的方法,又会如何?我们已经知道这会增加聚合中的方法个数,但又怎样呢?为什么这么做不好?
想知道为什么,首先你需要认清楚,当我们允许一个类不但要完成自己的事情(管理某种聚合),还同时要担负更多的责任(例如遍历)时,我们就给了这个类两个变化的原因。两个?没错,就是两个!如果这个集合改变的话,这个类也必须改变,如果我们遍历的方式改变的话,这个类也必须跟着改变。所以,再一次地,我们的老朋友“改变”又成了我们设计原则的中心:

设计原则:一个类应该只有一个引起变化的原因

我们知道要避免类内的改变,因为修改代码很容易造成许多潜在的错误。如果有一个类具有两个改变的原因,那么这会使得将来该类的变化几率上升,而当它真的改变时,你的设计中同时有两个方面将会受到影响。
没错,这听起来很容易,但其实做起来并不简单:区分设计中的责任,是最困难的事情之一。我们的大脑很习惯看着一大群的行为,然后将它们集中在一起,尽管他们可能属于两个或者多个不同的责任。想要成功的唯一方法,就是努力不懈地检查你的设计,随着系统的成长,随时观察有没有迹象显示某个类改变的原因超出一个。

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