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探索Java Iterator源码中的设计模式：迭代器模式为核心，工厂方法等多模式协同

摘要：java.util.Iterator 是Java集合框架的基石之一，它提供了一种统一的方式来遍历各种集合对象，而无需了解其底层实现。本文将深入Iterator的源码，以迭代器模式为核心，探讨其如何与工厂方法模式、单例模式等协同工作，并结合JDK最新版本（如JDK 17/21）的源码细节，揭示其精妙的架构设计。

关键词：Java；Iterator；设计模式；迭代器模式；工厂方法模式；源码分析；集合框架

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一、 引言：从遍历的烦恼到统一的解决方案

在面向对象编程中，我们经常需要处理各种集合对象，如ArrayList、HashSet、TreeMap等。在早期，如果没有统一的遍历接口，客户端代码需要了解每个集合的内部结构（如数组、链表、红黑树），并编写不同的遍历逻辑。这导致了代码的强耦合和低可维护性。

Iterator接口的出现，完美地解决了这个问题。它定义了一个标准的遍历协议，将对集合的访问和遍历职责从集合对象本身分离出来，封装到一个迭代器对象中。这背后正是迭代器模式 的经典应用。

二、 核心模式：迭代器模式的深度解析

1. 模式定义

迭代器模式（Iterator Pattern）提供一种方法顺序访问一个聚合对象中的各个元素，而又不暴露该对象的内部表示。

2. JDK中的角色映射

在Java集合框架中，迭代器模式的角色清晰可见：

• 迭代器接口： java.util.Iterator<E> 定义了遍历所需的基本操作：hasNext(), next(), remove()（JDK 8+ 新增 forEachRemaining）。
• 具体迭代器： 每个集合类内部都实现了自己的迭代器。例如，ArrayList中的私有类Itr，HashMap中的KeyIterator、ValueIterator等。它们是Iterator接口的具体实现，知道如何遍历特定的数据结构。
• 聚合接口： java.lang.Iterable<T>。它只包含一个方法：Iterator<T> iterator()。实现此接口的对象被称为“可迭代的”。
• 具体聚合类： 所有实现了Collection接口的类（如ArrayList, HashSet, LinkedList）都间接实现了Iterable接口，因此它们都是具体聚合类，负责创建并返回与自己相关的具体迭代器实例。

3. 源码探秘：以ArrayList.Itr为例

让我们深入ArrayList的源码（以OpenJDK 17为例），看看具体迭代器是如何工作的。

```java

// ArrayList 中的片段

public Iterator iterator() {

return new Itr(); // 工厂方法模式的体现：创建具体产品

}

private class Itr implements Iterator {

int cursor; // 下一个要返回元素的索引

int lastRet = -1; // 最后一个返回元素的索引；如果没有则返回-1

int expectedModCount = modCount; // 用于快速失败机制

Itr() {}
public boolean hasNext() {
    return cursor != size;
}
@SuppressWarnings("unchecked")
public E next() {
    checkForComodification(); // 检查并发修改
    int i = cursor;
    if (i >= size)
        throw new NoSuchElementException();
    Object[] elementData = ArrayList.this.elementData;
    if (i >= elementData.length)
        throw new ConcurrentModificationException();
    cursor = i + 1;
    return (E) elementData[lastRet = i]; // 访问内部数组
}
public void remove() { ... } // 实现移除逻辑
final void checkForComodification() { ... } // 检查modCount

}

```

从Itr的实现可以看到，它直接操作ArrayList的底层数组elementData和size属性，但对外完全隐藏了这一细节。客户端只需调用hasNext()和next()即可完成遍历。这就是迭代器模式的核心价值——封装遍历逻辑。

三、 模式协同：不止于迭代器

在Iterator的生态中，其他设计模式也扮演着重要角色。

1. 工厂方法模式

请注意ArrayList的iterator()方法：return new Itr();。这是一个典型的工厂方法模式 的应用。

• 工厂方法： Iterable.iterator() 是抽象工厂方法。
• 具体工厂： 每个具体聚合类（如ArrayList）实现了这个工厂方法，用于“生产”与自己匹配的“产品”（即具体迭代器Itr）。

这样做的好处是，客户端（使用增强for循环或直接调用iterator()的代码）只依赖抽象的Iterator接口，而无需关心创建的是ArrayList$Itr还是HashMap$KeyIterator。系统的可扩展性极强，新增一种集合类型，只需实现自己的iterator()工厂方法即可。

2. 增强for循环与语法糖

从JDK 5开始引入的增强for循环，其底层就是迭代器。

```java

// 写法

for (String item : list) {

System.out.println(item);

}

// 编译器将其解糖为：

Iterator iterator = list.iterator();

while (iterator.hasNext()) {

String item = iterator.next();

System.out.println(item);

}

```

这可以看作是一种外观模式 的简化体现，语言层面提供了一个更简洁的接口（for-each语法）来隐藏使用迭代器的复杂性。

3. 单例模式的“空”迭代器

在java.util.Collections类中，存在大量的静态方法返回空集合，如emptyList()。这些空集合的iterator()方法返回的是一个共享的、不包含任何元素的迭代器实例。

```java

// Collections 类中的片段

public static final List emptyList() {

return (List ) EMPTY_LIST;

}

public static final Iterator emptyIterator() {

return (Iterator ) EmptyIterator.EMPTY_ITERATOR;

}

private static class EmptyIterator implements Iterator {

static final EmptyIterator