一、模式概述
在面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)時(shí)，我們常常需要辨認(rèn)對(duì)象的職責(zé)。理想的狀態(tài)下，我們希望自己建立的對(duì)象只具有一個(gè)職責(zé)。對(duì)象的責(zé)任越少，則該對(duì)象的穩(wěn)定性就越好，受到的約束也就越少。職責(zé)分離，可以最大限度地減少彼此之間的耦合程度，從而建立一個(gè)松散耦合的對(duì)象網(wǎng)絡(luò)。
職責(zé)分離的要點(diǎn)是對(duì)被分離的職責(zé)進(jìn)行封裝，并以抽象的方式建立起彼此之間的關(guān)系。在C#中，我們往往將這些可能變化的對(duì)象抽象為接口和抽象類(lèi)，從而將原來(lái)的具體依賴(lài)改變?yōu)槌橄笠蕾?lài)。對(duì)象不再受制于具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，這就代表他們是可被替換的。
要在設(shè)計(jì)上做到這一點(diǎn)，首先就要學(xué)會(huì)分辨職責(zé)，學(xué)會(huì)分辨哪些職責(zé)是對(duì)象中可變的。以集合對(duì)象為例，集合是一個(gè)管理和組織數(shù)據(jù)對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這就表明集合首先應(yīng)具備一個(gè)基本屬性，就是集合能夠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。這其中包含存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的類(lèi)型、存儲(chǔ)空間的大小、存儲(chǔ)空間的分配、以及存儲(chǔ)的方式和順序。不具備這些特點(diǎn)，則該對(duì)象就不成其為集合對(duì)象。也就是說(shuō)，上述這些屬性是集合對(duì)象與身俱來(lái)的，是其密不可分的職責(zé)。然而，集合對(duì)象除了能夠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)外，還必須提供訪問(wèn)其內(nèi)部數(shù)據(jù)的行為方式，這是一種遍歷機(jī)制。同時(shí)這種遍歷方式，或會(huì)根據(jù)不同的情形提供不同的實(shí)現(xiàn)，如順序遍歷，逆序遍歷，或是二叉樹(shù)結(jié)構(gòu)的中序、前序、后序遍歷。
現(xiàn)在我們已經(jīng)分辨出集合對(duì)象擁有的兩個(gè)職責(zé)：一是存儲(chǔ)內(nèi)部數(shù)據(jù)；二是遍歷內(nèi)部數(shù)據(jù)。從依賴(lài)性來(lái)看，前者為集合對(duì)象的根本屬性，屬于一生俱生，一亡俱亡的關(guān)系；而后者既是可變化的，又是可分離的。因此，我們將遍歷行為分離出來(lái)，抽象為一個(gè)迭代器，專(zhuān)門(mén)提供遍歷集合內(nèi)部數(shù)據(jù)對(duì)象的行為。這就是Iterator模式的本質(zhì)。
如一個(gè)列表對(duì)象List，它提供了遍歷列表各元素的能力，這種遍歷的行為可能包含兩種：順序和逆序遍歷。對(duì)于一般的List對(duì)象而言，采用順序遍歷的方式；而對(duì)于特定的List對(duì)象，如ReverseList，則按照逆序遍歷的方式訪問(wèn)其內(nèi)部數(shù)據(jù)。如果不將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和訪問(wèn)數(shù)據(jù)的職責(zé)分離，為實(shí)現(xiàn)ReverseList類(lèi)，就需要重寫(xiě)其父類(lèi)List中所有用于遍歷數(shù)據(jù)的方法?，F(xiàn)在我們采用Iterator模式，在List對(duì)象中分離出迭代器IListIterator，那就只需要為這個(gè)繼承自List對(duì)象的ReverseList對(duì)象，提供逆序迭代器ReverseListIterator就可以了，如下面的類(lèi)圖所示：
代碼如下：
public interface IListIterator
{
void First();
void Last();
bool MoveNext();
}
public class SequenceListIterator:IListIterator
{
private List list = null;
private int index;
public SequenceListIterator(List list)
{
index = -1;
this.list = list;
}
public void First()
{
index = 0;
}
public void Last()
{
index = list.Count;
}
public bool MoveNext()
{
index ++;
return list.Count > index;
}
}
public class ReverseListIterator:IListIterator
{
private List list = null;
private int index;
public ReverseListIterator(List list)
{
index = list.Count;
this.list = list;
}
public void First()
{
index = list.Count - 1;
}
public void Last()
{
index = 0;
}
public bool MoveNext()
{
index –;
return index >= 0;
}
}
public class List
{
public virtual IListIterator CreateIterator()
{
return new SequenceListIterator(this);
}
}
public class ReverseList:List
{
public override IListIterator CreateIterator()
{
return new ReverseListIterator(this);
}
}
我們看到，List類(lèi)通過(guò)方法CreateIterator()，創(chuàng)建了SequenceListIterator對(duì)象，使得List集合對(duì)象能夠用順序迭代的方式遍歷內(nèi)部元素。而要使ReverseList采用逆序的方式遍歷其內(nèi)部元素，則只需重寫(xiě)父類(lèi)List的CreateIterator()方法，通過(guò)創(chuàng)建ReverseListIterator對(duì)象，來(lái)建立集合與具體迭代器之間的關(guān)系。
二、.Net中的Iterator模式
在.Net中，IEnumerator接口就扮演了Iterator模式中迭代器的角色。IEnumerator的定義如下：
public interface IEnumerator
{
bool MoveNext();
Object Current {get; }
void Reset();
}
該接口提供了遍歷集合元素的方法，其中主要的方法是MoveNext()。它將集合中的元素下標(biāo)移到下一個(gè)元素。如果集合中沒(méi)有元素，或已經(jīng)移到了最后一個(gè)，則返回false。能夠提供元素遍歷的集合對(duì)象，在.Net中都實(shí)現(xiàn)了IEnumerator接口。
我們?cè)谑褂?Net集合對(duì)象時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)方法GetEnumerator()方法，它類(lèi)似前面提到的List對(duì)象的CreateIterator()方法。該方法返回的類(lèi)型是IEnumerator，其內(nèi)部則是創(chuàng)建并返回一個(gè)具體的迭代器對(duì)象。正是通過(guò)這個(gè)方法，建立了具體的集合對(duì)象與迭代器之間的關(guān)系。
與通常的Iterator模式實(shí)現(xiàn)不同，.Net Framework將GetEnumerator()方法單獨(dú)抽象出來(lái)，定義了接口IEnumerable：
public interface IEnumerable
{
IEnumerator GetEnumerator();
}
IEnumerable接口就像迭代功能的標(biāo)識(shí)，如果集合對(duì)象需要具備迭代遍歷的功能，就必須實(shí)現(xiàn)該接口，并在具體實(shí)現(xiàn)中，創(chuàng)建與自身有關(guān)系的具體迭代器對(duì)象。而要獲得該集合對(duì)象對(duì)應(yīng)的迭代器，就可以通過(guò)該方法，如：
ArrayList al = new ArrayList();
IEnumerator iterator = al.GetEnumerator();
下面，我就以ArrayList對(duì)象為例，討論一下.Net中Iterator模式的實(shí)現(xiàn)方式。首先，我們來(lái)看看ArrayList類(lèi)的定義：
public class ArrayList : IList, ICloneable
它分別實(shí)現(xiàn)了IList和ICloneable接口。其中，ICloneable接口提供了Clone方法，與本文討論的內(nèi)容無(wú)關(guān)，略過(guò)不提。IList接口則提供了和鏈表相關(guān)的操作，如Add，Remove等。這也是ArrayList和Array的不同之處。而IList接口又實(shí)現(xiàn)了ICollection接口：
public interface IList : ICollection
ICollection接口是所有集合類(lèi)型的公共接口，它提供了獲得集合長(zhǎng)度和同步處理的一些方法，不過(guò)在這里，我們需要注意的是它實(shí)現(xiàn)了IEnumerable接口：
public interface ICollection : IEnumerable
追本溯源，ArrayList類(lèi)型間接地實(shí)現(xiàn)了IEnumerable接口。在ArrayList中，IEnumerable接口的GetEnumerator()方法實(shí)現(xiàn)代碼如下：
public virtual IEnumerator GetEnumerator()
{
return new ArrayListEnumeratorSimple(this);
}
GetEnumerator()方法是一個(gè)虛方法，這說(shuō)明，我們可以自定義一個(gè)集合類(lèi)型繼承ArrayList，重寫(xiě)這個(gè)方法，創(chuàng)建和返回不同的IEnumerator對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)不同的遍歷方式。
為了實(shí)現(xiàn)ArrayList的遍歷功能，采用的Iterator模式結(jié)構(gòu)如下圖所示：
其中，類(lèi)ArrayListEnumeratorSimple的實(shí)現(xiàn)如下所示：
[Serializable]
private class ArrayListEnumeratorSimple : IEnumerator, ICloneable
{
// Methods
internal ArrayListEnumeratorSimple(ArrayList list)
{
this.list = list;
this.index = -1;
this.version = list._version;
this.currentElement = list;
}
public object Clone(){//實(shí)現(xiàn)略}
public virtual bool MoveNext()
{
if (this.version != this.list._version)
{
throw new InvalidOperationException(Environment.GetResourceString(”InvalidOperation_EnumFailedVersion”));
}
if (this.index < (this.list.Count - 1))
{
this.index++;
this.currentElement = this.list[this.index];
return true;
}
this.currentElement = this.list;
this.index = this.list.Count;
return false;
}
public virtual void Reset()
{
if (this.version != this.list._version)
{
throw new InvalidOperationException(Environment.GetResourceString("InvalidOperation_EnumFailedVersion"));
}
this.currentElement = this.list;
this.index = -1;
}
// Properties
public virtual object Current
{
get
{
object obj1 = this.currentElement;
if (obj1 != this.list)
{
return obj1;
}
if (this.index == -1)
{
throw new InvalidOperationException(Environment.GetResourceString("InvalidOperation_EnumNotStarted"));
}
throw new InvalidOperationException(Environment.GetResourceString("InvalidOperation_EnumEnded"));
}
}
// Fields
private object currentElement;
private int index;
private ArrayList list;
private int version;
}
ArrayListEnumeratorSimple實(shí)現(xiàn)了IEnumerator接口，實(shí)現(xiàn)了MoveNext()、Current、Reset()方法或?qū)傩浴Ｔ擃?lèi)是一個(gè)私有類(lèi)型，其構(gòu)造函數(shù)則被internal修飾符限制。在自定義的構(gòu)造函數(shù)中，傳入的參數(shù)類(lèi)型是ArrayList。正是通過(guò)構(gòu)造函數(shù)傳遞需要遍歷的ArrayList對(duì)象，來(lái)完成MoveNext()、Current、Reset()等操作。
下面，我們來(lái)看看如何通過(guò)IEnumerator來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)ArrayList的遍歷操作。
using System;
using System.Collections;
using NUnit.Framework
[TestFixture]
public class Tester
{
[Test]
public void TestArrayList()
{
ArrayList al = new ArrayList();
al.Add(5);
al.Add(“Test”);
IEnumerator e = al.GetEnumerator();
e.MoveNext();
Assert.AreEqual(5,e.Current);
e.MoveNext();
Assert.AreEqual(“Test”,e.Current);
}
}
而要遍歷ArrayList內(nèi)部所有元素，方法也很簡(jiǎn)單：
while (e.MoveNext())
{
Console.WriteLine(e.Current.ToString());
}
事實(shí)上，為了用戶(hù)更方便地遍歷集合對(duì)象的所有元素，在C#中提供了foreach語(yǔ)句。該語(yǔ)句的實(shí)質(zhì)正是通過(guò)IEnumerator的MoveNext()方法來(lái)完成遍歷的。下面的語(yǔ)句與剛才那段代碼是等價(jià)的：
foreach (object o in al)
{
Console.WriteLine(o.ToString());
}
為了驗(yàn)證foreach語(yǔ)句與迭代器的關(guān)系，我們來(lái)自定義一個(gè)ReverseArrayList類(lèi)。要求遍歷這個(gè)類(lèi)的內(nèi)部元素時(shí)，訪問(wèn)順序是逆序的。要定義這樣的一個(gè)類(lèi)，很簡(jiǎn)單，只需要繼承ArrayList類(lèi)，并重寫(xiě)GetEnumerator()方法既可。
public class ReverseArrayList:ArrayList
{
public override IEnumerator GetEnumerator()
{
return new ReverseArrayListEnumerator(this);
}
}
其中，類(lèi)ReverseArrayListEnumerator，實(shí)現(xiàn)了接口IEnumerator，它提供了逆序遍歷的迭代器：
public class ReverseArrayListEnumerator:IEnumerator
{
public ReverseArrayListEnumerator(ArrayList list)
{
this.list = list;
this.index = list.Count;
this.currentElement = list;
}
#region IEnumerator Members
public virtual void Reset()
{
this.currentElement = this.list;
this.index = this.list.Count;
}
public virtual object Current
{
get
{
object obj1 = this.currentElement;
if (obj1 != this.list)
{
return obj1;
}
if (this.index == -1)
{
throw new InvalidOperationException("Out of the Collection");
}
throw new InvalidOperationException("Out of the Collection");
}
}
public virtual bool MoveNext()
{
if (this.index > 0)
{
this.index–;
this.currentElement = this.list[this.index];
return true;
}
this.currentElement = this.list;
this.index = 0;
return false;
}
#endregion
private object currentElement;
private int index;
private ArrayList list;
}
注意ReverseArrayListEnumerator類(lèi)與前面的ArrayListEnumeratorSimple類(lèi)的區(qū)別，主要在于遍歷下一個(gè)元素的順序。ReverseArrayListEnumerator中的MoveNext()方法，將下標(biāo)往前移動(dòng)，以保證元素遍歷的逆序。同時(shí)在構(gòu)造函數(shù)初始化時(shí)，將整個(gè)ArrayList對(duì)象的元素個(gè)數(shù)賦予下標(biāo)的初始值：
this.index = list.Count;
我們來(lái)比較一下ArrayList和ReversieArrayList類(lèi)之間，通過(guò)foreach遍歷后的結(jié)果。
[STAThread]
public static void Main(string[] args)
{
ArrayList al = new ArrayList();
al.Add(1);
al.Add(2);
al.Add(3);
ReverseArrayList ral = new ReverseArrayList();
ral.Add(1);
ral.Add(2);
ral.Add(3);
Console.WriteLine(”The Sequence ArrayList:”);
foreach (int i in al)
{
Console.Write(”{0} “,i);
}
Console.WriteLine();
Console.WriteLine(”The Reverse ArrayList:”);
foreach (int i in ral)
{
Console.Write(”{0} “,i);
}
Console.ReadLine();
}
我們分別將數(shù)字1，2，3以同樣的順序添加到ArrayList和ReverseArrayList對(duì)象中，然后再通過(guò)foreach語(yǔ)句遍歷輸出其內(nèi)部元素。運(yùn)行后，很明顯可以看到遍歷ArrayList對(duì)象al，其順序?yàn)?，2，3；而ReverseArrayList則為3，2，1。
由于我們應(yīng)用Iterator模式，將迭代器與集合對(duì)象完全分離，所以，即便我們完全修改了ReverseArrayList的遍歷方式，實(shí)現(xiàn)ReverseArrayList也是非常容易的，同時(shí)它并沒(méi)有影響到集合對(duì)象本身存儲(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)象的職能。
