算法与数据结构——迭代器模式

周立功教授数年之心血之作《程序设计与数据结构》以及《面向AMetal框架与接口的编程（上）》，书本内容公开后，在电子行业掀起一片学习热潮。经周立功教授授权，本公众号特对《程序设计与数据结构》一书内容进行连载，愿共勉之。

第三章为算法与数据结构，本文为3.4 迭代器模式。

>>> 3.4.1 迭代器与容器

在初始化数组中的元素时，通常使用下面这样的for循环语句遍历数组：

这段代码中的循环变量i，该变量的初始值为0，然后递增为1、2、3、...，程序在每次i递增后都将值赋给a[i]。数组中保存了许多元素，通过指定数组下标，即可从中选择任意一个元素。for语句中的i++的作用是让i的值在每次循环后自增1，这样就可以访问数组中的下一个元素，从而实现了从头到尾逐一遍历数组元素的功能。

由此可见，常用的循环结构就是一种迭代操作，在每一次迭代操作中，对迭代器的修改即等价于修改循环控制的标志或计数器。而容器是一种保存值的集合的数据结构，C有两种内建的容器：数组和结构体。虽然C没有提供更多的容器，但用户可以按需编写自己的容器，比如，链表、哈希表等。

将i的作用抽象化、通用化后形成的模式，在设计模式中i称为迭代器（Iterator）模式，Iterate的字面意思是重复、反复声明，其实就是重复做某件事，Iterator模式用于遍历数组中的元素。迭代器的基本思想是迭代器变量存储了容器的某个元素的位置，因此能够遍历该位置的元素。通过迭代器提供的方法，可以继续遍历容器的下一个元素。

显而易见，迭代器是一种抽象的设计概念，因为在程序设计语言中并没有直接对应于这个概念的实物。《设计模式》一书提供了23种设计模式的完整描述，其中iterator模式的定义为：在遍历一个容器对象时，提供一种方法顺序访问一个容器对象中的各个元素，而又不暴露该对象的内部表示方式。其中心思想是将数据容器和算法分开且彼此独立，最后再用黏合剂将它们撮合在一起。

>>> 3.4.2 迭代器接口

为什么一定要考虑引入Iterator这种复杂的设计模式呢？如果是数组，直接使用for循环语句进行遍历处理不就可以了吗？为什么要在集合之外引入Iterator这个角色呢？一个重要的理由是，引入Iterator后可以将遍历与实现分离。

实际上无论是单向链表还是双向链表，其查找算法与遍历算法的实现没有多少差别，基本上都是重复劳动。如果代码中有bug，则需要修改所有相关的代码。为什么会出现这样的情况呢？主要是接口设计不合理所造成的，其最大的问题就是将容器和算法放在了一起，且算法的实现又依赖于容器的实现，因而必须为每一个容器开发一套与之匹配的算法。

假设要在2种容器（双向链表、动态数组）中分别实现6种算法（交换、排序、求最大值、求最小值、遍历、查找），显然需要2×6=12个接口函数才能实现目标。随着算法数量的不断增多，势必导致函数的数量成倍增加，重复劳动的工作量也越大。如果将容器和算法单独设计，则只需要实现6个算法函数就行了。即算法不依赖容器的特定实现，算法不会直接在容器中进行操作。比如，排序算法无需关心元素是存放在数组或线性表中。

在正式引入迭代器之前，不妨分析一下如程序清单 3.49所示的冒泡排序算法。

程序清单 3.49  冒泡排序算法

如果任何一次遍历没有执行任何交换，则说明记录是有序的且终止排序。其中，p1指向数组的首元素，pNext指向p1所指向的元素的下一个元素，p2指向数组的尾元素（图 3.21（a））。

图 3.21  内部循环执行过程示意图

如果*p1>*pNext，则交换指针所指向的内容，p1与pNext后移（图 3.21（b）），反之指针所指向的内容不变，p1与pNext后移，经过一轮排序之后，直到p1 = p2为止，最大元素移到数组尾部。

当最大元素移到数组的尾部时，则退出内部循环。p2前移后程序跳转到程序清单 3.49（15），p1再次指向数组的首元素，pNext指向p1所指向的元素的下一个元素（图 3.22（a））。此时，图 3.22（a）与图 3.21（a）的差别在于p2指向a[3]。经过一轮循环之后，直到p1 = p2，此时整数4移到a[3]所在的位置，剩余的排序详见图 3.22。当p1与p2重合在数组首元素所在的位置时，表示排序结束（图 3.22（d））。

图 3.22 外部循环执行过程示意图

由此可见，冒泡排序算法的核心是指针的操作，其主要行为如下：

• 比较指针所指向的值的大小；

• 交换指针所指向的内容；

• 指针后移，即指针指向下一个元素；

• 指针前移，即指针指向前面一个元素。

由