設計模式實作系列（十八）：Iterator 迭代器模式 - 統一遍歷介面隔離演算法與容器

模式意圖

提供一種方法順序訪問一個聚合物件中各個元素，而又不需暴露該物件的內部表示。

UML 結構圖

核心解析：STL 的基石

Iterator 是多數 C++ 開發者接觸的第一個設計模式（STL 容器皆內建迭代器）。其精髓在於：

• 規範化介面： 所有迭代器遵循統一規範（value_type, pointer, reference, ++, ==, * 等），使演算法能通用於任何符合規範的容器。
• 職責分離： 遍歷邏輯封裝於具體 Iterator 類別，容器只需提供 CreateIterator()。演算法不關心容器底層是陣列、鏈表還是樹。
• 多態遍歷： 客戶端持有抽象 Iterator*，執行期綁定具體迭代器，實現「演算法與容器獨立變化」。

C++ 完整實作

1. Iterator.h

#ifndef ITERATOR_H
#define ITERATOR_H

typedef int DATA;

class Iterator;
class Aggregate;

// 聚合抽象基類
class Aggregate {
public:
    virtual ~Aggregate() {}
    virtual Iterator* CreateIterator(Aggregate* pAggregate) = 0;
    virtual int GetSize() = 0;
    virtual DATA GetItem(int nIndex) = 0;
};

// 迭代器抽象基類（規範介面）
class Iterator {
public:
    virtual ~Iterator() {}
    virtual void First() = 0;
    virtual void Next() = 0;
    virtual bool IsDone() = 0;
    virtual DATA CurrentItem() = 0;
};

// 具體聚合：陣列實作
class ConcreteAggregate : public Aggregate {
public:
    ConcreteAggregate(int nSize);
    virtual ~ConcreteAggregate();
    virtual Iterator* CreateIterator(Aggregate* pAggregate);
    virtual int GetSize();
    virtual DATA GetItem(int nIndex);
private:
    int m_nSize;
    DATA* m_pData;
};

// 具體迭代器：遍歷 ConcreteAggregate
class ConcreteIterator : public Iterator {
public:
    ConcreteIterator(Aggregate* pAggregate);
    virtual ~ConcreteIterator() {}
    virtual void First();
    virtual void Next();
    virtual bool IsDone();
    virtual DATA CurrentItem();
private:
    Aggregate* m_pConcreteAggregate;
    int m_nIndex;
};

#endif

2. Iterator.cpp

#include <iostream>
#include "Iterator.h"

ConcreteAggregate::ConcreteAggregate(int nSize) : m_nSize(nSize), m_pData(nullptr) {
    m_pData = new DATA[m_nSize];
    for (int i = 0; i < nSize; ++i) m_pData[i] = i;
}
ConcreteAggregate::~ConcreteAggregate() {
    delete[] m_pData; m_pData = nullptr;
}

Iterator* ConcreteAggregate::CreateIterator(Aggregate* pAggregate) {
    return new ConcreteIterator(this);
}
int ConcreteAggregate::GetSize() { return m_nSize; }
DATA ConcreteAggregate::GetItem(int nIndex) {
    return (nIndex < m_nSize) ? m_pData[nIndex] : -1;
}

ConcreteIterator::ConcreteIterator(Aggregate* pAggregate) : m_pConcreteAggregate(pAggregate), m_nIndex(0) {}

void ConcreteIterator::First() { m_nIndex = 0; }
void ConcreteIterator::Next() {
    if (m_nIndex < m_pConcreteAggregate->GetSize()) ++m_nIndex;
}
bool ConcreteIterator::IsDone() {
    return m_nIndex == m_pConcreteAggregate->GetSize();
}
DATA ConcreteIterator::CurrentItem() {
    return m_pConcreteAggregate->GetItem(m_nIndex);
}

3. Main.cpp

#include "Iterator.h"
#include <iostream>

int main() {
    Aggregate* pAggregate = new ConcreteAggregate(4);
    Iterator* pIterator = new ConcreteIterator(pAggregate);

    for (; !pIterator->IsDone(); pIterator->Next())
        std::cout << pIterator->CurrentItem() << std::endl; // 輸出 0 1 2 3

    delete pIterator;
    delete pAggregate;
    return 0;
}

現代 C++ 的演進

C++11 起，範圍ベース for 循環（for (auto& x : container)）隱式使用 begin()/end()，本質仍是 Iterator 模式。自製容器只需提供符合標準的迭代器型別，即可無縫融入 STL 生態。

適用場景

• 自訂資料結構（樹、圖、資料庫游標）需支援標準遍歷語法。
• 多種遍歷策略（前序/後序、過濾、投影）共存時，各自實作為獨立 Iterator 類別。