【设计模式】-迭代器模式以及访问者模式（行为型模式）

行为型模式用于描述程序在运行时复杂的流程控制，即描述多个类或对象之间怎样相互协作共同完成单个对象都无法单独完成的任务，它涉及算法与对象间职责的分配。

行为型模式分为类行为模式和对象行为模式，前者采用继承机制来在类间分派行为，后者采用组合或聚合在对象间分配行为。由于组合关系或聚合关系比继承关系耦合度低，满足“合成复用原则”，所以对象行为模式比类行为模式具有更大的灵活性。

行为型模式分为：

• 模板方法模式
• 策略模式
• 命令模式
• 职责链模式
• 状态模式
• 观察者模式
• 中介者模式
• 迭代器模式
• 访问者模式
• 备忘录模式
• 解释器模式

18.1 迭代器模式

18.1.1 概述

定义：

提供一个对象来顺序访问聚合对象中的一系列数据，而不暴露聚合对象的内部表示。

18.1.2 结构

迭代器模式主要包含以下角色：

• 抽象聚合（Aggregate）角色：定义存储、添加、删除聚合元素以及创建迭代器对象的接口。
• 具体聚合（ConcreteAggregate）角色：实现抽象聚合类，返回一个具体迭代器的实例。
• 抽象迭代器（Iterator）角色：定义访问和遍历聚合元素的接口，通常包含 hasNext()、next() 等方法。
• 具体迭代器（Concretelterator）角色：实现抽象迭代器接口中所定义的方法，完成对聚合对象的遍历，记录遍历的当前位置。

18.1.3 案例实现

【例】定义一个可以存储学生对象的容器对象，将遍历该容器的功能交由迭代器实现，涉及到的类如下：

代码如下：

定义迭代器接口，声明hasNext、next方法

public interface StudentIterator {
    boolean hasNext();
    Student next();
}

定义具体的迭代器类，重写所有的抽象方法

public class StudentIteratorImpl implements StudentIterator {
    private List<Student> list;
    private int position = 0;

    public StudentIteratorImpl(List<Student> list) {
        this.list = list;
    }

    @Override
    public boolean hasNext() {
        return position < list.size();
    }

    @Override
    public Student next() {
        Student currentStudent = list.get(position);
        position ++;
        return currentStudent;
    }
}

定义抽象容器类，包含添加元素，删除元素，获取迭代器对象的方法

public interface StudentAggregate {
    void addStudent(Student student);

    void removeStudent(Student student);

    StudentIterator getStudentIterator();
}

定义具体的容器类，重写所有的方法

public class StudentAggregateImpl implements StudentAggregate {

    private List<Student> list = new ArrayList<Student>();  // 学生列表

    @Override
    public void addStudent(Student student) {
        this.list.add(student);
    }

    @Override
    public void removeStudent(Student student) {
        this.list.remove(student);
    }

    @Override
    public StudentIterator getStudentIterator() {
        return new StudentIteratorImpl(list);
    }
}

18.1.4 优缺点

1，优点：

• 它支持以不同的方式遍历一个聚合对象，在同一个聚合对象上可以定义多种遍历方式。在迭代器模式中只需要用一个不同的迭代器来替换原有迭代器即可改变遍历算法，我们也可以自己定义迭代器的子类以支持新的遍历方式。
• 迭代器简化了聚合类。由于引入了迭代器，在原有的聚合对象中不需要再自行提供数据遍历等方法，这样可以简化聚合类的设计。
• 在迭代器模式中，由于引入了抽象层，增加新的聚合类和迭代器类都很方便，无须修改原有代码，满足 “开闭原则” 的要求。

2，缺点：

增加了类的个数，这在一定程度上增加了系统的复杂性。

18.1.5 使用场景

• 当需要为聚合对象提供多种遍历方式时。
• 当需要为遍历不同的聚合结构提供一个统一的接口时。
• 当访问一个聚合对象的内容而无须暴露其内部细节的表示时。

18.1.6 JDK源码解析

迭代器模式在JAVA的很多集合类中被广泛应用，接下来看看JAVA源码中是如何使用迭代器模式的。

List<String> list = new ArrayList<>();
Iterator<String> iterator = list.iterator(); //list.iterator()方法返回的肯定是Iterator接口的子实现类对象
while (iterator.hasNext()) {
    System.out.println(iterator.next());
}

看完这段代码是不是很熟悉，与我们上面代码基本类似。单列集合都使用到了迭代器，我们以ArrayList举例来说明

• List：抽象聚合类
• ArrayList：具体的聚合类
• Iterator：抽象迭代器
• list.iterator()：返回的是实现了 Iterator 接口的具体迭代器对象

具体的来看看 ArrayList的代码实现

public class ArrayList<E> extends AbstractList<E>
        implements List<E>, RandomAccess, Cloneable, java.io.Serializable {
    
    public Iterator<E> iterator() {
        return new Itr();
    }
    
    private class Itr implements Iterator<E> {
        int cursor;       // 下一个要返回元素的索引
        int lastRet = -1; // 上一个返回元素的索引
        int expectedModCount = modCount;

        Itr() {}
        
        //判断是否还有元素
        public boolean hasNext() {
            return cursor != size;
        }

        //获取下一个元素
        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];
        }
        ...
}

这部分代码还是比较简单，大致就是在 iterator 方法中返回了一个实例化的 Iterator 对象。Itr是一个内部类，它实现了 Iterator 接口并重写了其中的抽象方法。

注意：

当我们在使用JAVA开发的时候，想使用迭代器模式的话，只要让我们自己定义的容器类实现java.util.Iterable并实现其中的iterator()方法使其返回一个 java.util.Iterator 的实现类就可以了。

19.2 访问者模式

19.2.1 概述

定义：

封装一些作用于某种数据结构中的各元素的操作，它可以在不改变这个数据结构的前提下定义作用于这些元素的新的操作。

19.2.2 结构

访问者模式包含以下主要角色:

• 抽象访问者（Visitor）角色：定义了对每一个元素（Element）访问的行为，它的参数就是可以访问的元素，它的方法个数理论上来讲与元素类个数（Element的实现类个数）是一样的，从这点不难看出，访问者模式要求元素类的个数不能改变。
• 具体访问者（ConcreteVisitor）角色：给出对每一个元素类访问时所产生的具体行为。
• 抽象元素（Element）角色：定义了一个接受访问者的方法（accept），其意义是指，每一个元素都要可以被访问者访问。
• 具体元素（ConcreteElement）角色： 提供接受访问方法的具体实现，而这个具体的实现，通常情况下是使用访问者提供的访问该元素类的方法。
• 对象结构（Object Structure）角色：定义当中所提到的对象结构，对象结构是一个抽象表述，具体点可以理解为一个具有容器性质或者复合对象特性的类，它会含有一组元素（Element），并且可以迭代这些元素，供访问者访问。

19.2.3 案例实现

【例】给宠物喂食

现在养宠物的人特别多，我们就以这个为例，当然宠物还分为狗，猫等，要给宠物喂食的话，主人可以喂，其他人也可以喂食。

• 访问者角色：给宠物喂食的人
• 具体访问者角色：主人、其他人
• 抽象元素角色：动物抽象类
• 具体元素角色：宠物狗、宠物猫
• 结构对象角色：主人家

类图如下：

代码如下：

创建抽象访问者接口

public interface Person {
    void feed(Cat cat);

    void feed(Dog dog);
}

创建不同的具体访问者角色（主人和其他人），都需要实现 Person接口

public class Owner implements Person {

    @Override
    public void feed(Cat cat) {
        System.out.println("主人喂食猫");
    }

    @Override
    public void feed(Dog dog) {
        System.out.println("主人喂食狗");
    }
}

public class Someone implements Person {
    @Override
    public void feed(Cat cat) {
        System.out.println("其他人喂食猫");
    }

    @Override
    public void feed(Dog dog) {
        System.out.println("其他人喂食狗");
    }
}

定义抽象节点 -- 宠物

public interface Animal {
    void accept(Person person);
}

定义实现Animal接口的 具体节点（元素）

public class Dog implements Animal {

    @Override
    public void accept(Person person) {
        person.feed(this);
        System.out.println("好好吃，汪汪汪！！！");
    }
}

public class Cat implements Animal {

    @Override
    public void accept(Person person) {
        person.feed(this);
        System.out.println("好好吃，喵喵喵！！！");
    }
}

定义对象结构，此案例中就是主人的家

public class Home {
    private List<Animal> nodeList = new ArrayList<Animal>();

    public void action(Person person) {
        for (Animal node : nodeList) {
            node.accept(person);
        }
    }

    //添加操作
    public void add(Animal animal) {
        nodeList.add(animal);
    }
}

测试类

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Home home = new Home();
        home.add(new Dog());
        home.add(new Cat());

        Owner owner = new Owner();
        home.action(owner);

        Someone someone = new Someone();
        home.action(someone);
    }
}

19.2.4 优缺点

1，优点：

• 扩展性好
  在不修改对象结构中的元素的情况下，为对象结构中的元素添加新的功能。
• 复用性好
  通过访问者来定义整个对象结构通用的功能，从而提高复用程度。
• 分离无关行为
  通过访问者来分离无关的行为，把相关的行为封装在一起，构成一个访问者，这样每一个访问者的功能都比较单一。

2，缺点：

• 对象结构变化很困难
  在访问者模式中，每增加一个新的元素类，都要在每一个具体访问者类中增加相应的具体操作，这违背了“开闭原则”。
• 违反了依赖倒置原则
  访问者模式依赖了具体类，而没有依赖抽象类。

19.2.5 使用场景

• 对象结构相对稳定，但其操作算法经常变化的程序。
• 对象结构中的对象需要提供多种不同且不相关的操作，而且要避免让这些操作的变化影响对象的结构。

19.2.6 扩展

访问者模式用到了一种双分派的技术。

1，分派：

变量被声明时的类型叫做变量的静态类型，有些人又把静态类型叫做明显类型；而变量所引用的对象的真实类型又叫做变量的实际类型。比如 Map map = new HashMap() ，map变量的静态类型是 Map ，实际类型是 HashMap 。根据对象的类型而对方法进行的选择，就是分派(Dispatch)，分派(Dispatch)又分为两种，即静态分派和动态分派。

静态分派(Static Dispatch) 发生在编译时期，分派根据静态类型信息发生。静态分派对于我们来说并不陌生，方法重载就是静态分派。

动态分派(Dynamic Dispatch) 发生在运行时期，动态分派动态地置换掉某个方法。Java通过方法的重写支持动态分派。

2，动态分派：

通过方法的重写支持动态分派。

public class Animal {
    public void execute() {
        System.out.println("Animal");
    }
}

public class Dog extends Animal {
    @Override
    public void execute() {
        System.out.println("dog");
    }
}

public class Cat extends Animal {
     @Override
    public void execute() {
        System.out.println("cat");
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Animal a = new Dog();
        a.execute();
        
        Animal a1 = new Cat();
        a1.execute();
    }
}

上面代码的结果大家应该直接可以说出来，这不就是多态吗！运行执行的是子类中的方法。

Java编译器在编译时期并不总是知道哪些代码会被执行，因为编译器仅仅知道对象的静态类型，而不知道对象的真实类型；而方法的调用则是根据对象的真实类型，而不是静态类型。

3，静态分派：

通过方法重载支持静态分派。

public class Animal {
}

public class Dog extends Animal {
}

public class Cat extends Animal {
}

public class Execute {
    public void execute(Animal a) {
        System.out.println("Animal");
    }

    public void execute(Dog d) {
        System.out.println("dog");
    }

    public void execute(Cat c) {
        System.out.println("cat");
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Animal a = new Animal();
        Animal a1 = new Dog();
        Animal a2 = new Cat();

        Execute exe = new Execute();
        exe.execute(a);
        exe.execute(a1);
        exe.execute(a2);
    }
}

运行结果：

这个结果可能出乎一些人的意料了，为什么呢？

重载方法的分派是根据静态类型进行的，这个分派过程在编译时期就完成了。

4，双分派：

所谓双分派技术就是在选择一个方法的时候，不仅仅要根据消息接收者（receiver）的运行时区别，还要根据参数的运行时区别。

public class Animal {
    public void accept(Execute exe) {
        exe.execute(this);
    }
}

public class Dog extends Animal {
    public void accept(Execute exe) {
        exe.execute(this);
    }
}

public class Cat extends Animal {
    public void accept(Execute exe) {
        exe.execute(this);
    }
}

public class Execute {
    public void execute(Animal a) {
        System.out.println("animal");
    }

    public void execute(Dog d) {
        System.out.println("dog");
    }

    public void execute(Cat c) {
        System.out.println("cat");
    }
}

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Animal a = new Animal();
        Animal d = new Dog();
        Animal c = new Cat();

        Execute exe = new Execute();
        a.accept(exe);
        d.accept(exe);
        c.accept(exe);
    }
}

在上面代码中，客户端将Execute对象做为参数传递给Animal类型的变量调用的方法，这里完成第一次分派，这里是方法重写，所以是动态分派，也就是执行实际类型中的方法，同时也将自己this作为参数传递进去，这里就完成了第二次分派，这里的Execute类中有多个重载的方法，而传递进行的是this，就是具体的实际类型的对象。

说到这里，我们已经明白双分派是怎么回事了，但是它有什么效果呢？就是可以实现方法的动态绑定，我们可以对上面的程序进行修改。

运行结果如下：

双分派实现动态绑定的本质，就是在重载方法委派的前面加上了继承体系中覆盖的环节，由于覆盖是动态的，所以重载就是动态的了。