使用C# (.NET Core) 实现迭代器设计模式 (Iterator Pattern)

本文的概念来自深入浅出设计模式一书

项目需求

有两个饭店合并了, 它们各自有自己的菜单. 饭店合并之后要保留这两份菜单.

这两个菜单是这样的:

菜单项MenuItem的代码是这样的:

最初我们是这样设计的, 这是第一份菜单:

这是第2份菜单:

同时有两个菜单存在的问题

问题就是多个菜单把事情变复杂了. 例如: 如果一个服务员需要使用两份菜单的话, 那么她就无法很快的告诉客户有哪些菜是适合素食主义者的了.

服务员还有可能有这些需求:

打印菜单, 打印早餐菜单, 打印午餐菜单, 打印素食菜单, 判断某个菜是否是素食的.

首先我们尝试一下如何实现打印菜单:

1. 调用两个菜单上面的getMenuItem()方法来获取各自的菜单项, 由于它们的菜单不同, 所以需要写两段代码:

2. 打印两个菜单的菜单项, 同样也是两套代码:

3. 如果还有一份菜单, 那么就需要写三套代码....

现在就很麻烦了.

怎么解决这个问题

如果能找到一种方式让这两个菜单同时实现一个接口就好了. 我们已经知道, 要把变化的部分封装起来.

什么是变化的部分? 由于不同对象集合引起的遍历操作.

那我们试试;

1. 想要遍历早餐项, 我们使用ArrayList的size()和get()方法:

2. 想要遍历午餐项, 我们需要使用Array的length成员变量以及通过索引访问数组:

3. 如果我们创建一个对象, 把它叫做迭代器, 让它来封装我们遍历集合的方式怎么样?

这里, 我们需要早餐菜单创建一个迭代器, 如果还有剩余的菜单项没有遍历完, 就获取下一个菜单项.

4. 让我们在Array上试试:

初识迭代器模式

首先你需要知道这种模式依赖于一个迭代器接口. 例如这个:

hasNext()方法告诉我们集合中是否还有剩余的条目没有遍历到.

next()方法返回下一个条目.

有了这个接口, 我们可以在任何一种集合上实现该接口.:

修改代码

定义迭代器接口:

然后再DinerMenu上实现迭代器接口:

然后使用迭代器来修改DinerMenu菜单:

注意: 不要直接返回集合, 因为这样会暴露内部实现.

createIterator()方法返回的是迭代器的接口, 客户并不需要知道DinerMenu是如何维护菜单项的, 也不需要DinerMenu的迭代器是如何实现的. 它只是用迭代器来遍历菜单里面的条目.

最后服务员的代码如下:

测试代码:

我们做了哪些修改?

我们只是为菜单添加了createIterator()方法.

而现在, 菜单的实现被封装了, 服务员不知道菜单是如何保存菜单项的.

我们所需要的只是一个循环, 它可以多态的处理实现了迭代器接口的集合.

而服务员使用的是迭代器接口.

现在呢, 菜单还没有共同的接口, 这意味着服务员仍然被绑定在两个具体的菜单类上, 一会我们再说这个.

当前的设计图

目前就是两个菜单实现了同一套方法, 但是还没有实现同一个接口.

使用C#, .NET Core控制台项目进行实现

菜单项 MenuItem:

namespace IteratorPattern.Menus
{
    public class MenuItem
    {
        public string Name { get; }
        public string Description { get; }
        public bool Vegetarian { get; }
        public double Price { get; }

        public MenuItem(string name, string description, bool vegetarian, double price)
        {
            Name = name;
            Description = description;
            Vegetarian = vegetarian;
            Price = price;
        }
    }
}

迭代器接口 IMyIterator:

namespace IteratorPattern.Abstractions
{
    public interface IMyIterator
    {
        bool HasNext();
        object Next();
    }
}

两个菜单迭代器:

using IteratorPattern.Abstractions;
using IteratorPattern.Menus;

namespace IteratorPattern.MenuIterators
{
    public class MyDinerMenuIterator: IMyIterator
    {
        private readonly MenuItem[] _menuItems;
        private int _position;

        public MyDinerMenuIterator(MenuItem[] menuItems)
        {
            _menuItems = menuItems;
        }

        public bool HasNext()
        {
            if (_position >= _menuItems.Length || _menuItems[_position] == null)
            {
                return false;
            }
            return true;
        }

        public object Next()
        {
            var menuItem = _menuItems[_position];
            _position++;
            return menuItem;
        }
    }
}

using System.Collections;
using IteratorPattern.Abstractions;

namespace IteratorPattern.MenuIterators
{
    public class MyPancakeHouseMenuIterator:IMyIterator
    {
        private readonly ArrayList _menuItems;
        private int _position;

        public MyPancakeHouseMenuIterator(ArrayList menuItems)
        {
            _menuItems = menuItems;
        }

        public bool HasNext()
        {
            if (_position >= _menuItems.Count || _menuItems[_position] == null)
            {
                return false;
            }
            _position++;
            return true;
        }

        public object Next()
        {
            var menuItem = _menuItems[_position];
            _position++;
            return menuItem;
        }
    }
}

两个菜单:

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;
using IteratorPattern.Abstractions;
using IteratorPattern.MenuIterators;

namespace IteratorPattern.Menus
{
    public class MyDinerMenu
    {
        private const int MaxItems = ;
        private int _numberOfItems = ;
        private MenuItem[] MenuItems { get; }

        public MyDinerMenu()
        {
            MenuItems = new MenuItem[MaxItems];
            AddItem("Vegetarian BLT", "(Fakin’) Bacon with lettuce & tomato on whole wheat", true, 2.99);
            AddItem("BLT", "Bacon with lettuce & tomato on whole wheat", false, 2.99);
            AddItem("Soup of the day", "Soup of the day, with a side of potato salad", false, 3.29);
            AddItem("Hotdog", "A hot dog, with saurkraut, relish, onions, topped with cheese", false, 3.05);
        }

        public void AddItem(string name, string description, bool vegetarian, double price)
        {
            var menuItem = new MenuItem(name, description, vegetarian, price);
            if (_numberOfItems >= MaxItems)
            {
                Console.WriteLine("Sorry, menu is full! Can't add item to menu");
            }
            else
            {
                MenuItems[_numberOfItems] = menuItem;
                _numberOfItems++;
            }
        }

        public IMyIterator CreateIterator()
        {
            return new MyDinerMenuIterator(MenuItems);
        }
    }
}

using System.Collections;
using IteratorPattern.Abstractions;
using IteratorPattern.MenuIterators;

namespace IteratorPattern.Menus
{
    public class MyPancakeHouseMenu
    {
        public ArrayList MenuItems { get; }

        public MyPancakeHouseMenu()
        {
            MenuItems = new ArrayList();
            AddItem("K&B’s Pancake Breakfast", "Pancakes with scrambled eggs, and toast", true, 2.99);
            AddItem("Regular Pancake Breakfast", "Pancakes with fried eggs, sausage", false, 2.99);
            AddItem("Blueberry Pancakes", "Pancakes made with fresh blueberries", true, 3.49);
            AddItem("Waffles", "Waffles, with your choice of blueberries or strawberries", true, 3.59);
        }

        public void AddItem(string name, string description, bool vegetarian, double price)
        {
            var menuItem = new MenuItem(name, description, vegetarian, price);
            MenuItems.Add(menuItem);
        }

        public IMyIterator CreateIterator()
        {
            return new MyPancakeHouseMenuIterator(MenuItems);
        }
    }
}

服务员 Waitress:

using System;
using IteratorPattern.Abstractions;
using IteratorPattern.Menus;

namespace IteratorPattern.Waitresses
{
    public class MyWaitress
    {
        private readonly MyPancakeHouseMenu _pancakeHouseMenu;
        private readonly MyDinerMenu _dinerMenu;

        public MyWaitress(MyPancakeHouseMenu pancakeHouseMenu, MyDinerMenu dinerMenu)
        {
            _pancakeHouseMenu = pancakeHouseMenu;
            _dinerMenu = dinerMenu;
        }

        public void PrintMenu()
        {
            var pancakeIterator = _pancakeHouseMenu.CreateIterator();
            var dinerIterator = _dinerMenu.CreateIterator();
            Console.WriteLine("MENU\n--------------\nBREAKFIRST");
            PrintMenu(pancakeIterator);
            Console.WriteLine("\nLUNCH");
            PrintMenu(dinerIterator);
        }

        private void PrintMenu(IMyIterator iterator)
        {
            while (iterator.HasNext())
            {
                var menuItem = iterator.Next() as MenuItem;
                Console.Write($"{menuItem?.Name}, ");
                Console.Write($"{menuItem?.Price} -- ");
                Console.WriteLine($"{menuItem?.Description}");
            }
        }
    }
}

测试:

        static void MenuTestDriveUsingMyIterator()
        {
            var pancakeHouseMenu = new MyPancakeHouseMenu();
            var dinerMenu = new MyDinerMenu();

            var waitress = new MyWaitress(pancakeHouseMenu, dinerMenu);
            waitress.PrintMenu();
        }

做一些改进

Java里面内置了Iterator接口, 我们刚才是手写了一个Iterator迭代器接口. Java内置的定义如下:

注意里面这个remove()方法, 我们可能不需要它.

remove()方法是可选实现的, 如果你不想让集合有此功能的话, 就应该抛出NotSupportedException(C#的).

使用java内置的Iterator来实现

由于PancakeHouseMenu使用的是ArrayList, 而ArrayList已经实现了该接口, 那么:这样简单改一下就可以:

针对DinerMe菜单, 还是需要手动实现的:

最后别忘了给菜单规定一个统一的接口:

服务员Waitress类里面也使用Menu来代替具体的菜单, 这样也减少了服务员对具体类的依赖(针对接口编程, 而不是具体的实现):

最后看下改进后的设计类图:

迭代器模式定义

迭代器模式提供了一种访问聚合对象(例如集合)元素的方式, 而且又不暴露该对象的内部表示.

迭代器模式负责遍历该对象的元素, 该项工作由迭代器负责而不是由聚合对象(集合)负责.

类图:

其它问题

• 迭代器分内部迭代器和外部迭代器, 我们上面实现的是外部迭代器. 也就是说客户控制着迭代, 它通过调用next()方法来获取下个元素. 而内部迭代器由迭代器本身自己控制迭代, 这种情况下, 你需要告诉迭代器遍历的时候需要做哪些动作, 所以你得找到一种方式把操作传递进去. 内部迭代器还是不如外部的灵活, 但是也许使用起来会简单一些?
• 迭代器意味着无序. 它所遍历的集合的顺序是根据集合来定的, 也有可能会遍历出来的元素值会重复.

单一职责设计原则

一个类应该只有一个变化发生的原因.

写代码的时候这个原则很容易被忽略掉, 只能通过多检查设计来避免违反原则.

所谓的高内聚, 就是只这个类是围绕一套关连的函数而设计的.

而低内聚就是只这个类是围绕一些不相关的函数而设计的.

遵循该原则的类通常是高内聚的, 并且可维护性要比那些多重职责或低内聚的类好.

需求变更

还需要添加另一份菜单:

这个菜单使用的是HashTable.

首先修改该菜单, 让它实现Menu接口:

注意看HashTable的不同之处:

首先通过values()方法获取HashTable的集合对象, 这个对象正好实现了Iterator接口, 直接调用iterator()方法即可.

最后修改服务员类:

测试:

到目前我们做了什么

我们给了服务员一种简单的方式来遍历菜单项, 不同的菜单实现了同一个迭代器接口, 服务员不需要知道菜单项的实现方法.

我们把服务员和菜单的实现解耦了

而且使服务员可以扩展:

还有个问题

现在有三个菜单, 每次再添加一个菜单的时候, 你都得相应的添加一套代码, 这违反了"对修改关闭, 对扩展开放原则".

那我们把这些菜单放到可迭代的集合即可:

C#, .NET Core控制带项目实现

菜单接口:

using System.Collections;

namespace IteratorPattern.Abstractions
{
    public interface IMenu
    {
        IEnumerator CreateIEnumerator();
    }
}

三个菜单:

using System;
using System.Collections;
using IteratorPattern.Abstractions;
using IteratorPattern.MenuIterators;

namespace IteratorPattern.Menus
{
    public class DinerMenu: IMenu
    {
        private const int MaxItems = ;
        private int _numberOfItems = ;
        private MenuItem[] MenuItems { get; }

        public DinerMenu()
        {
            MenuItems = new MenuItem[MaxItems];
            AddItem("Vegetarian BLT", "(Fakin’) Bacon with lettuce & tomato on whole wheat", true, 2.99);
            AddItem("BLT", "Bacon with lettuce & tomato on whole wheat", false, 2.99);
            AddItem("Soup of the day", "Soup of the day, with a side of potato salad", false, 3.29);
            AddItem("Hotdog", "A hot dog, with saurkraut, relish, onions, topped with cheese", false, 3.05);
        }

        public void AddItem(string name, string description, bool vegetarian, double price)
        {
            var menuItem = new MenuItem(name, description, vegetarian, price);
            if (_numberOfItems >= MaxItems)
            {
                Console.WriteLine("Sorry, menu is full! Can't add item to menu");
            }
            else
            {
                MenuItems[_numberOfItems] = menuItem;
                _numberOfItems++;
            }
        }

        public IEnumerator CreateIEnumerator()
        {
            return new DinerMenuIterator(MenuItems);
        }
    }
}

using System.Collections;
using IteratorPattern.Abstractions;
using IteratorPattern.MenuIterators;

namespace IteratorPattern.Menus
{
    public class PancakeHouseMenu: IMenu
    {
        public ArrayList MenuItems { get; }

        public PancakeHouseMenu()
        {
            MenuItems = new ArrayList();
            AddItem("K&B’s Pancake Breakfast", "Pancakes with scrambled eggs, and toast", true, 2.99);
            AddItem("Regular Pancake Breakfast", "Pancakes with fried eggs, sausage", false, 2.99);
            AddItem("Blueberry Pancakes", "Pancakes made with fresh blueberries", true, 3.49);
            AddItem("Waffles", "Waffles, with your choice of blueberries or strawberries", true, 3.59);
        }

        public void AddItem(string name, string description, bool vegetarian, double price)
        {
            var menuItem = new MenuItem(name, description, vegetarian, price);
            MenuItems.Add(menuItem);
        }

        public IEnumerator CreateIEnumerator()
        {
            return new PancakeHouseMenuIterator(MenuItems);
        }
    }
}

using System.Collections;
using IteratorPattern.Abstractions;

namespace IteratorPattern.Menus
{
    public class CafeMenu : IMenu
    {
        public Hashtable MenuItems { get; } = new Hashtable();

        public CafeMenu()
        {
            AddItem("Veggie Burger and Air Fries", "Veggie burger on a whole wheat bun, lettuce, tomato, and fries", true, 3.99);
            AddItem("Soup of the day", "A cup of the soup of the day, with a side salad", false, 3.69);
            AddItem("Burrito", "A large burrito, with whole pinto beans, salsa, guacamole", true, 4.29);
        }

        public IEnumerator CreateIEnumerator()
        {
            return MenuItems.GetEnumerator();
        }

        public void AddItem(string name, string description, bool vegetarian, double price)
        {
            var menuItem = new MenuItem(name, description, vegetarian, price);
            MenuItems.Add(menuItem.Name, menuItem);
        }

    }
}

菜单的迭代器:

using System;
using System.Collections;
using IteratorPattern.Menus;

namespace IteratorPattern.MenuIterators
{
    public class DinerMenuIterator: IEnumerator
    {
        private readonly MenuItem[] _menuItems;
        private int _position = -;

        public DinerMenuIterator(MenuItem[] menuItems)
        {
            _menuItems = menuItems;
        }

        public bool MoveNext()
        {
            _position++;
            if (_position >= _menuItems.Length || _menuItems[_position] == null)
            {
                return false;
            }
            return true;
        }

        public void Reset()
        {
            _position = -;
        }

        public object Current => _menuItems[_position];
    }
}

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;

namespace IteratorPattern.MenuIterators
{
    public class PancakeHouseMenuIterator : IEnumerator
    {
        private readonly ArrayList _menuItems;
        private int _position = -;

        public PancakeHouseMenuIterator(ArrayList menuItems)
        {
            _menuItems = menuItems;
        }

        public bool MoveNext()
        {
            _position++;
            if (_position >= _menuItems.Count || _menuItems[_position] == null)
            {
                return false;
            }
            return true;
        }

        public void Reset()
        {
            _position = -;
        }

        public object Current => _menuItems[_position];
    }
}

服务员:

using System;
using System.Collections;
using IteratorPattern.Abstractions;
using IteratorPattern.Menus;

namespace IteratorPattern.Waitresses
{
    public class Waitress
    {
        private readonly ArrayList _menus;

        public Waitress(ArrayList menus)
        {
            _menus = menus;
        }

        public void PrintMenu()
        {
            var menuIterator = _menus.GetEnumerator();
            while (menuIterator.MoveNext())
            {
                var menu = menuIterator.Current as IMenu;
                PrintMenu(menu?.CreateIEnumerator());
            }
        }

        private void PrintMenu(IEnumerator iterator)
        {
            while (iterator.MoveNext())
            {
                if (iterator.Current != null)
                {
                    MenuItem menuItem;
                    if (iterator.Current is MenuItem item)
                    {
                        menuItem = item;
                    }
                    else
                    {
                        menuItem = ((DictionaryEntry)iterator.Current).Value as MenuItem;
                    }
                    Console.Write($"{menuItem?.Name}, ");
                    Console.Write($"{menuItem?.Price} -- ");
                    Console.WriteLine($"{menuItem?.Description}");
                }
            }
            Console.WriteLine();
        }
    }
}

测试:

        static void MenuTestDriveUsingIEnumerator()
        {
            var pancakeHouseMenu = new PancakeHouseMenu();
            var dinerMenu = new DinerMenu();
            var cafeMenu = new CafeMenu();

            var waitress = new Waitress(new ArrayList()
            {
                pancakeHouseMenu, dinerMenu, cafeMenu
            });
            waitress.PrintMenu();
        }

深入浅出设计模式的C#实现的代码: https://github.com/solenovex/Head-First-Design-Patterns-in-CSharp

这篇先到这, 本章涉及到组合模式, 下篇文章再写.