意圖（Intent）#

提供一種方法，在不暴露聚合物件內部表示的前提下，循序存取其元素。

別名（Also Known As）#

Cursor

動機（Motivation）#

聚合物件（如 List）應提供存取元素的方式，但不應暴露內部結構。此外，你可能需要以不同方式遍歷同一個聚合物件，甚至同時進行多個遍歷——但不希望為此而膨脹聚合物件的介面。

Iterator 模式的做法是將存取與遍歷的責任從聚合物件中抽離，放入獨立的 iterator 物件。Iterator 定義了存取元素的介面（First、Next、IsDone、CurrentItem），並追蹤當前位置。

為了支援多型迭代（polymorphic iteration）——在不知道具體聚合類別的情況下遍歷——可定義抽象的 AbstractList 和 Iterator，讓具體的 List 與 SkipList 各自提供對應的 Iterator 子類別。聚合物件透過 Factory Method（CreateIterator）來建立對應的 iterator，讓客戶端程式碼獨立於具體的聚合實作。

Iterator 模式的核心是分離遍歷機制與聚合物件。聚合物件負責儲存資料，Iterator 負責遍歷邏輯，兩者各司其職。

適用場景（Applicability）#

  • 存取聚合物件的內容而不暴露其內部表示
  • 支援對聚合物件的多種遍歷方式
  • 提供統一的介面來遍歷不同的聚合結構（多型迭代）

結構（Structure）#

Aggregate 定義建立 Iterator 的介面。ConcreteAggregate 實作該介面，回傳對應的 ConcreteIterator。Iterator 定義存取與遍歷元素的介面。ConcreteIterator 實作 Iterator 介面並追蹤聚合中的當前位置。

classDiagram
    class Aggregate {
        <<interface>>
        +CreateIterator()
    }
    class ConcreteAggregate {
        +CreateIterator()
    }
    class Iterator {
        <<interface>>
        +First()
        +Next()
        +IsDone()
        +CurrentItem()
    }
    class ConcreteIterator {
        +First()
        +Next()
        +IsDone()
        +CurrentItem()
    }
    Aggregate <|.. ConcreteAggregate
    Iterator <|.. ConcreteIterator
    ConcreteAggregate ..> ConcreteIterator : creates
    ConcreteIterator --> ConcreteAggregate

參與者（Participants）#

參與者範例職責
Iterator-定義存取與遍歷元素的介面
ConcreteIterator-實作 Iterator 介面；追蹤遍歷中的當前位置
Aggregate-定義建立 Iterator 物件的介面
ConcreteAggregate-實作建立對應 ConcreteIterator 的介面

協作方式（Collaborations）#

  • ConcreteIterator 追蹤聚合中的當前物件，並能計算出下一個物件

優缺點（Consequences）#

  • 支援多樣的遍歷策略——只需替換不同的 Iterator 實例即可改變遍歷演算法，也可透過子類別支援新的遍歷方式
  • 簡化 Aggregate 介面——遍歷相關的介面由 Iterator 承擔，Aggregate 的介面更精簡
  • 支援同時多個遍歷——每個 Iterator 維護自己的遍歷狀態，可在同一個聚合上同時進行多個遍歷

實作要點（Implementation）#

  • 外部 vs. 內部迭代器
    • External iterator：由客戶端控制迭代，顯式推進與取值——更彈性，例如可比較兩個集合
    • Internal iterator：由 iterator 控制迭代，客戶端提供要執行的操作——更易用，但在缺乏 closure 的語言（如 C++）中較受限
  • 遍歷演算法的歸屬
    • 放在 Iterator 中：容易在同一聚合上套用不同演算法，也利於跨聚合複用
    • 放在 Aggregate 中，Iterator 僅作為 cursor 儲存狀態：但可能需要存取聚合的私有成員
  • Robust iterator——在遍歷過程中修改聚合可能導致元素被跳過或重複存取。穩健的 iterator 透過向聚合註冊來獲知插入或刪除事件，自動調整內部狀態
  • 額外操作——除基本的 First、Next、IsDone、CurrentItem 外，可提供 Previous（雙向遍歷）或 SkipTo（跳至符合條件的元素）
  • 多型 Iterator 的代價——需透過 factory method 動態配置，客戶端負責刪除。可使用 stack-allocated 的 Proxy 來自動清理（C++ 的 RAII 技巧）

對於 Composite 結構的遍歷，external iterator 需維護路徑堆疊來追蹤位置，實作較複雜。此時使用 internal iterator 可利用遞迴呼叫堆疊隱式記錄路徑，通常更簡潔。

  • Iterator 的特權存取——Iterator 可作為 Aggregate 的 friend，以高效存取內部結構。為避免新增遍歷時需修改 Aggregate，可在 Iterator 基底類別中定義 protected 操作供子類別使用
  • NullIterator——一個退化的 iterator，其 IsDone 永遠回傳 true。在遍歷樹狀結構時，葉節點回傳 NullIterator，使整體遍歷邏輯統一

已知應用（Known Uses）#

  • Booch Components 為有界（bounded）與無界（unbounded）Queue 提供基於抽象 Queue 介面的 iterator
  • Smalltalk 標準集合類別提供內部 iterator 方法 do:，接受 block（closure）作為參數
  • ET++ 提供多型 iterator 與清理用的 Proxy
  • Unidraw 使用 cursor-based iterator
  • ObjectWindows 2.0 透過重載 ++ 運算子實現迭代語法

相關模式（Related Patterns）#

  • Composite：Iterator 常被應用於遞迴結構如 Composite
  • Factory Method：多型 iterator 依賴 factory method 來建立適當的 Iterator 子類別
  • Memento：可與 Iterator 搭配使用，用 memento 捕捉迭代狀態
Backward Interpreter Mediator Forward