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一、基本介绍
迭代器模式（Iterator Pattern）是行为型设计模式，其核心在于为聚合对象提供统一的遍历接口，使客户端无需了解底层数据结构即可访问聚合元素。该模式如同图书馆的图书检索系统——读者通过标准化的查询界面查找书籍，无需了解书籍在仓库中的具体存储方式。
模式三要素
- 抽象迭代器（Iterator）：定义遍历接口（如next、hasNext）；
- 具体迭代器（ConcreteIterator）：实现特定遍历逻辑（如链表迭代器）；
- 聚合对象（Aggregate）：存储元素集合的容器（如自定义链表）；
与普通遍历的区别
| 维度 | 迭代器模式 | 直接遍历 |
|---|---|---|
| 耦合度 | 客户端与容器解耦 | 强依赖容器实现 |
| 扩展性 | 支持多种遍历策略 | 遍历逻辑固定 |
| 复用性 | 同一接口遍历不同容器 | 每种容器需单独实现 |
| 复杂度 | 增加迭代器类 | 简单场景更直接 |
二、内部原理剖析
1. 多态遍历机制
通过抽象迭代器接口实现运行时多态，客户端通过统一接口访问不同容器：
template<typename T>
class Iterator {
public:virtual ~Iterator() = default;virtual bool hasNext() const = 0;virtual T next() = 0;
};
具体迭代器继承该接口并实现容器特定的遍历逻辑，如链表迭代器维护当前节点指针。
2. 遍历状态封装
迭代器内部保存遍历进度状态，避免外部直接操作容器内部结构：
class LinkedListIterator : public Iterator<int> {
private:Node* current;
public:explicit LinkedListIterator(Node* head) : current(head) {}bool hasNext() const override {return current != nullptr;}int next() override {int val = current->data;current = current->next;return val;}
};
3. 双向迭代支持
通过定义反向迭代器实现逆向遍历，提升模式灵活性：
class ReverseIterator : public Iterator<int> {
private:Node* current;
public:explicit ReverseIterator(Node* tail) : current(tail) {}bool hasNext() const override {return current != nullptr;}int next() override {int val = current->data;current = current->prev; // 反向移动指针 return val;}
};
三、应用场景详解
1. 复杂数据结构遍历
以树形结构的深度优先遍历（DFS）举例，其实现示例如下：
class TreeIterator : public Iterator<TreeNode*> {
private:std::stack<TreeNode*> stack;
public:explicit TreeIterator(TreeNode* root) {if(root) stack.push(root); }bool hasNext() const override {return !stack.empty(); }TreeNode* next() override {TreeNode* node = stack.top(); stack.pop(); if(node->right) stack.push(node->right); if(node->left) stack.push(node->left); return node;}
};
2. 数据库查询结果集
将数据库游标封装为迭代器模式的接口：
class QueryResultIterator : public Iterator<Row> {
private:SQLiteStatement* stmt;
public:explicit QueryResultIterator(SQLiteStatement* statement) : stmt(statement) {}bool hasNext() const override {return stmt->hasNextRow();}Row next() override {return stmt->fetchRow();}
};
3. 游戏物品系统
比如遍历背包中的武器，并计算总伤害：
float totalDamage = 0;
auto iter = backpack.createIterator();
while(iter->hasNext()) {if(auto weapon = dynamic_cast<Weapon*>(iter->next())) {totalDamage += weapon->getDamage();}
}
四、使用方法指南
步骤1：定义聚合对象
实现具有迭代器创建接口的容器：
template<typename T>
class CustomList {
private:struct Node { T data; Node* next; };Node* head;
public:class IteratorImpl : public Iterator<T> {// 实现迭代器逻辑...};Iterator<T>* createIterator() {return new IteratorImpl(head);}
};
步骤2：实现具体迭代器
为不同遍历需求创建迭代器子类：
// 过滤迭代器：仅返回偶数
class EvenNumberIterator : public Iterator<int> {
private:Iterator<int>* source;
public:explicit EvenNumberIterator(Iterator<int>* src) : source(src) {}bool hasNext() const override {while(source->hasNext()) {if(source->peekNext() % 2 == 0)return true;source->next();}return false;}int next() override {return source->next();}
};
步骤3：客户端调用
//统一接口访问不同容器
void printAll(Iterator<std::string>* iter) {while(iter->hasNext()) {std::cout << iter->next() << std::endl;}
}// 使用示例
CustomList<std::string> list;
auto iter = list.createIterator();
printAll(iter);
五、常见问题与解决方案
问题1：迭代器失效
场景：容器在遍历期间被修改。
解决方案：
- 采用版本号机制检测修改；
- 使用快照迭代器（复制容器数据）；
class SnapshotIterator : public Iterator<T> {
private:std::vector<T> snapshot;size_t index = 0;
public:explicit SnapshotIterator(const CustomList<T>& list) {auto iter = list.createIterator(); while(iter->hasNext()) {snapshot.push_back(iter->next()); }}// 实现hasNext/next...
};
问题2：多线程竞争
场景：并发遍历导致数据不一致。
解决方案：
- 为迭代器加互斥锁；
- 使用线程局部存储（TLS）；
class ThreadSafeIterator : public Iterator<T> {
private:Iterator<T>* source;std::mutex mtx;
public:bool hasNext() const override {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);return source->hasNext();}T next() override {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);return source->next();}
};
问题3：性能优化
场景：大规模数据遍历效率低下。
优化策略：
预计算遍历路径（适用于树结构）；
内存连续性优化（使用内存池）；
// 内存池分配节点
template<typename T>
class MemoryPoolList {
private:std::vector<Node*> chunks;Node* freeList;
public:Iterator<T>* createIterator() {return new CacheFriendlyIterator(head);}
};
六、总结
模式优势分析
- 解耦遍历逻辑：将迭代算法与数据结构分离；
- 多态遍历支持：支持正向、反向、过滤等多种迭代方式；
- 接口统一性：标准化访问方式降低系统耦合度；
适用性建议
- 需要支持多种遍历方式的复杂数据结构 ；
- 需隐藏容器内部实现细节的场景 ；
- 跨平台数据访问层设计 ；
发展趋势
结合现代C++特性进行增强：
- 使用RAII管理迭代器生命周期 。
auto iter = std::make_unique<CustomIterator>(list);
- 利用C++20概念约束迭代器类型。
template<typename T>
concept Iterable = requires(T t) {{ t.begin() } -> std::input_iterator;{ t.end() } -> std::sentinel_for<decltype(t.begin())>;
};
- 协程实现异步迭代器。
迭代器模式在STL中的成功应用（如vector::iterator）证明了其重要价值。
随着C++标准的发展，该模式将继续在异步编程、并行计算等领域发挥关键作用。我们根据具体场景灵活运用，在保证扩展性的同时注意性能优化。