【Go实现】实践GoF的23种设计模式：迭代器模式

原创

元闰子

发布于 2022-08-01 22:43:44

3500

发布于 2022-08-01 22:43:44

文章被收录于专栏：元闰子的邀请

上一篇：【Go实现】实践GoF的23种设计模式：观察者模式 简单的分布式应用系统（示例代码工程）：https://github.com/ruanrunxue/Practice-Design-Pattern--Go-Implementation

简介

有时会遇到这样的需求，开发一个模块，用于保存对象；不能用简单的数组、列表，得是红黑树、跳表等较为复杂的数据结构；有时为了提升存储效率或持久化，还得将对象序列化；但必须给客户端提供一个易用的 API，允许方便地、多种方式地遍历对象，丝毫不察觉背后的数据结构有多复杂。

对这样的 API，很适合使用 迭代器模式（Iterator Pattern）实现。

GoF 对迭代器模式的定义如下：

Provide a way to access the elements of an aggregate object sequentially without exposing its underlying representation.

从描述可知，迭代器模式主要用在访问对象集合的场景，能够向客户端隐藏集合的实现细节。

Java 的 Collection 家族、C++ 的 STL 标准库，都是使用迭代器模式的典范，它们为客户端提供了简单易用的 API，并且能够根据业务需要实现自己的迭代器，具备很好的可扩展性。

UML 结构

场景上下文

在 简单的分布式应用系统（示例代码工程）中，db 模块用来存储服务注册和监控信息，它的主要接口如下：

// demo/db/db.go
package db
// Db 数据库抽象接口
type Db interface {
    CreateTable(t *Table) error
    CreateTableIfNotExist(t *Table) error
    DeleteTable(tableName string) error

    Query(tableName string, primaryKey interface{}, result interface{}) error
    Insert(tableName string, primaryKey interface{}, record interface{}) error
    Update(tableName string, primaryKey interface{}, record interface{}) error
    Delete(tableName string, primaryKey interface{}) error
    
    ...
}

从增删查改接口可以看出，它是一个 key-value 数据库，另外，为了提供类似关系型数据库的按列查询能力，我们又抽象出 Table 对象：

// demo/db/table.go
package db
// Table 数据表定义
type Table struct {
    name            string
    recordType      reflect.Type
    records         map[interface{}]record
}

其中，Table 底层用 map 存储对象数据，但并没有存储对象本身，而是从对象转换而成的 record 。record 的实现原理是利用反射机制，将对象的属性名 field 和属性值 value 分开存储，以此支持按列查询能力（一类对象可以类比为一张表）：

// demo/db/record.go
package db

type record struct {
    primaryKey interface{}
    fields     map[string]int // key为属性名，value属性值的索引
    values     []interface{}  // 存储属性值
}
// 从对象转换成record
func recordFrom(key interface{}, value interface{}) (r record, e error) {
    ... // 异常处理
    vType := reflect.TypeOf(value)
    vVal := reflect.ValueOf(value)
    if vVal.Type().Kind() == reflect.Pointer {
        vType = vType.Elem()
        vVal = vVal.Elem()
    }
    record := record{
        primaryKey: key,
        fields:     make(map[string]int, vVal.NumField()),
        values:     make([]interface{}, vVal.NumField()),
    }
    for i := 0; i < vVal.NumField(); i++ {
        fieldType := vType.Field(i)
        fieldVal := vVal.Field(i)
        name := strings.ToLower(fieldType.Name)
        record.fields[name] = i
        record.values[i] = fieldVal.Interface()
    }
    return record, nil
}

当然，客户端并不会察觉 db 模块背后的复杂机制，它们直接使用的仍是对象：

type testRegion struct {
    Id   int
    Name string
}
func client() {
    mdb := db.MemoryDbInstance()
    tableName := "testRegion"
    table := NewTable(tableName).WithType(reflect.TypeOf(new(testRegion)))
    mdb.CreateTable(table)
    mdb.Insert(tableName, "region1", &testRegion{Id: 0, Name: "region-1"})
    result := new(testRegion)
    mdb.Query(tableName, "region1", result)
}

另外，除了上述按 Key 查询接口，我们还想提供全表查询接口，有随机和有序 2 种表记录遍历方式，并且支持客户端自己扩展遍历方式。下面使用迭代器模式来实现该需求。

代码实现

这里并没有按照标准的 UML 结构去实现，而是结合 工厂方法模式 来解决公共代码的复用问题：

// demo/db/table_iterator.go
package db

// 关键点1: 定义迭代器抽象接口，允许后续客户端扩展遍历方式
// TableIterator 表迭代器接口
type TableIterator interface {
    HasNext() bool
    Next(next interface{}) error
}

// 关键点2: 定义迭代器接口的实现
// tableIteratorImpl 迭代器接口公共实现类
type tableIteratorImpl struct {
  // 关键点3: 定义一个集合存储待遍历的记录，这里的记录已经排序好或者随机打散
    records []record
  // 关键点4: 定义一个cursor游标记录当前遍历的位置
    cursor  int
}

// 关键点5: 在HasNext函数中的判断是否已经遍历完所有记录
func (r *tableIteratorImpl) HasNext() bool {
    return r.cursor < len(r.records)
}

// 关键点6: 在Next函数中取出下一个记录，并转换成客户端期望的对象类型，记得增加cursor
func (r *tableIteratorImpl) Next(next interface{}) error {
    record := r.records[r.cursor]
    r.cursor++
    if err := record.convertByValue(next); err != nil {
        return err
    }
    return nil
}

// 关键点7: 通过工厂方法模式，完成不同类型的迭代器对象创建
// TableIteratorFactory 表迭代器工厂
type TableIteratorFactory interface {
    Create(table *Table) TableIterator
}

// 随机迭代器
type randomTableIteratorFactory struct{}
func (r *randomTableIteratorFactory) Create(table *Table) TableIterator {
    var records []record
    for _, r := range table.records {
        records = append(records, r)
    }
    rand.Seed(time.Now().UnixNano())
    rand.Shuffle(len(records), func(i, j int) {
        records[i], records[j] = records[j], records[i]
    })
    return &tableIteratorImpl{
        records: records,
        cursor:  0,
    }
}

// 有序迭代器
// Comparator 如果i<j返回true，否则返回false
type Comparator func(i, j interface{}) bool
// sortedTableIteratorFactory 根据主键进行排序，排序逻辑由Comparator定义
type sortedTableIteratorFactory struct {
    comparator Comparator
}
func (s *sortedTableIteratorFactory) Create(table *Table) TableIterator {
    var records []record
    for _, r := range table.records {
        records = append(records, r)
    }
    sort.Sort(newRecords(records, s.comparator))
    return &tableIteratorImpl{
        records: records,
        cursor:  0,
    }
}

最后，为 Table 对象引入 TableIterator：

// demo/db/table.go

// Table 数据表定义
type Table struct {
    name            string
    recordType      reflect.Type
    records         map[interface{}]record
    // 关键点8: 持有迭代器工厂方法接口
    iteratorFactory TableIteratorFactory // 默认使用随机迭代器
}
// 关键点9: 定义Setter方法，提供迭代器工厂的依赖注入
func (t *Table) WithTableIteratorFactory(iteratorFactory TableIteratorFactory) *Table {
    t.iteratorFactory = iteratorFactory
    return t
}
// 关键点10: 定义创建迭代器的接口，其中调用迭代器工厂完成实例化
func (t *Table) Iterator() TableIterator {
    return t.iteratorFactory.Create(t)
}

客户端这样使用：

func client() {
    table := NewTable("testRegion").WithType(reflect.TypeOf(new(testRegion))).
        WithTableIteratorFactory(NewSortedTableIteratorFactory(regionIdComparator))
    iter := table.Iterator()
  for iter.HashNext() {
    next := new(testRegion)
    err := iter.Next(next)
    ... 
  }
}

总结实现迭代器模式的几个关键点：

定义迭代器抽象接口，目的是提供客户端自扩展能力，通常包含 HashNext() 和 Next() 两个方法，上述例子为 TableIterator。
定义迭代器接口的实现类，上述例子为 tableIteratorImpl，这里主要起到了 Java/C++ 等带继承特性语言中，基类的作用，目的是复用代码。
在实现类中持有待遍历的记录集合，通常是已经排序好或随机打散后的，上述例子为 tableIteratorImpl.records。
在实现类中持有游标值，记录当前遍历的位置，上述例子为 tableIteratorImpl.cursor。
在 HashNext() 方法中判断是否已经遍历完所有记录。
在 Next() 方法中取出下一个记录，并转换成客户端期望的对象类型，取完后增加游标值。
通过工厂方法模式，完成不同类型的迭代器对象创建，上述例子为 TableIteratorFactory 接口，以及它的实现，randomTableIteratorFactory 和 sortedTableIteratorFactory。
在待遍历的对象中，持有迭代器工厂方法接口，上述例子为 Table.iteratorFactory。
为对象定义 Setter 方法，提供迭代器工厂的依赖注入，上述例子为 Table.WithTableIteratorFactory() 方法。
为对象定义创建迭代器的接口，上述例子为 Table.Iterator() 方法。

其中，7～9 步是结合 工厂方法模式 实现时的特有步骤，如果你的迭代器实现中没有用到工厂方法模式，可以省略这几步。

扩展

Go 风格的实现

前面的实现，是典型的面向对象风格，下面以随机迭代器为例，给出一个 Go 风格的实现：

// demo/db/table_iterator_closure.go
package db

// 关键点1: 定义HasNext和Next函数类型
type HasNext func() bool
type Next func(interface{}) error

// 关键点2: 定义创建迭代器的方法，返回HashNext和Next函数
func (t *Table) ClosureIterator() (HasNext, Next) {
    var records []record
    for _, r := range t.records {
        records = append(records, r)
    }
    rand.Seed(time.Now().UnixNano())
    rand.Shuffle(len(records), func(i, j int) {
        records[i], records[j] = records[j], records[i]
    })
    size := len(records)
    cursor := 0
  // 关键点3: 在迭代器创建方法定义HasNext和Next的实现逻辑
    hasNext := func() bool {
        return cursor < size
    }
    next := func(next interface{}) error {
        record := records[cursor]
        cursor++
        if err := record.convertByValue(next); err != nil {
            return err
        }
        return nil
    }
    return hasNext, next
}

客户端这样用：

func client() {
    table := NewTable("testRegion").WithType(reflect.TypeOf(new(testRegion))).
        WithTableIteratorFactory(NewSortedTableIteratorFactory(regionIdComparator))
    hasNext, next := table.ClosureIterator()
  for hasNext() {
    result := new(testRegion)
    err := next(result)
    ... 
  }
}

Go 风格的实现，利用了函数闭包的特点，把原本在迭代器实现的逻辑，放到了迭代器创建方法上。相比面向对象风格，省掉了迭代器抽象接口和实现对象的定义，看起来更加的简洁。

总结几个实现关键点：

声明 HashNext 和 Next 的函数类型，等同于迭代器抽象接口的作用。
定义迭代器创建方法，返回类型为 HashNext 和 Next，上述例子为 ClosureIterator() 方法。
在迭代器创建方法内，定义 HasNext 和 Next 的具体实现，利用函数闭包来传递状态（records 和 cursor）。

基于 channel 的实现

我们还能基于 Go 语言中的 channel 来实现迭代器模式，因为前文的 db 模块应用场景并不适用，所以另举一个简单的例子：

type Record int

func (r *Record) doSomething() {
    // ...
}

type ComplexCollection struct {
    records []Record
}

// 关键点1: 定义迭代器创建方法，返回只能接收的channel类型
func (c *ComplexCollection) Iterator() <-chan Record {
  // 关键点2: 创建一个无缓冲的channel
    ch := make(chan Record)
  // 关键点3: 另起一个goroutine往channel写入记录，如果接收端还没开始接收，会阻塞住
    go func() {
        for _, record := range c.records {
            ch <- record
        }
    // 关键点4: 写完后，关闭channel
        close(ch)
    }()
    return ch
}

客户端这样使用：

func client() {
    collection := NewComplexCollection()
    // 关键点5: 使用时，直接通过for-range来遍历channel读取记录
    for record := range collection.Iterator() {
        record.doSomething()
    }
}

总结实现基于 channel 的迭代器模式的几个关键点：

定义迭代器创建方法，返回一个只能接收的 channel。
在迭代器创建方法中，定义一个无缓冲的 channel。
另起一个 goroutine 往 channel 中写入记录。如果接收端没有接收，会阻塞住。
写完后，关闭 channel。
客户端使用时，直接通过 for-range 遍历 channel 读取记录即可。

带有 callback 函数的实现

还可以在创建迭代器时，传入一个 callback 函数，在迭代器返回记录前，先调用 callback 函数对记录进行一些操作。

比如，在基于 channel 的实现例子中，可以增加一个 callback 函数，将每个记录打印出来：

// 关键点1: 声明callback函数类型，以Record作为入参
type Callback func(record *Record)
//关键点2: 定义具体的callback函数
func PrintRecord(record *Record) {
    fmt.Printf("%+v\n", record)
}
// 关键点3: 定义以callback函数作为入参的迭代器创建方法
func (c *ComplexCollection) Iterator(callback Callback) <-chan Record {
    ch := make(chan Record)
    go func() {
        for _, record := range c.records {
      // 关键点4: 遍历记录时，调用callback函数作用在每条记录上
            callback(&record)
            ch <- record
        }
        close(ch)
    }()
    return ch
}

func client() {
    collection := NewComplexCollection()
  // 关键点5: 创建迭代器时，传入具体的callback函数
    for record := range collection.Iterator(PrintRecord) {
        record.doSomething()
    }
}

总结实现带有 callback 的迭代器模式的几个关键点：

声明 callback 函数类型，以 Record 作为入参。
定义具体的 callback 函数，比如上述例子中打印记录的 PrintRecord 函数。
定义迭代器创建方法，以 callback 函数作为入参。
迭代器内，遍历记录时，调用 callback 函数作用在每条记录上。
客户端创建迭代器时，传入具体的 callback 函数。

典型应用场景

对象集合/存储类模块，并希望向客户端隐藏模块背后的复杂数据结构。
希望支持客户端自扩展多种遍历方式。

优缺点

优点

隐藏模块背后复杂的实现机制，为客户端提供一个简单易用的接口。
支持扩展多种遍历方式，具备较强的可扩展性，符合 开闭原则。
遍历算法和数据存储分离，符合 单一职责原则。

缺点

容易滥用，比如给简单的集合类型实现迭代器接口，反而使代码更复杂。
相比于直接遍历集合，迭代器效率要更低一些，因为涉及到更多对象的创建，以及可能的对象拷贝。
需要时刻注意在迭代器遍历过程中，由原始集合发生变更引发的并发问题。一种解决方法是，在创建迭代器时，拷贝一份原始数据（TableIterator 就这么实现），但存在效率低、内存占用大的问题。

与其他模式的关联

迭代器模式通常会与 工厂方法模式 一起使用，如前文实现。

文章配图

可以在 用Keynote画出手绘风格的配图 中找到文章的绘图方法。

参考 [1] 【Go实现】实践GoF的23种设计模式：SOLID原则, 元闰子 [2] 【Go实现】实践GoF的23种设计模式：工厂方法模式, 元闰子 [3] Design Patterns, Chapter 5. Behavioral Patterns, GoF [4] Iterators in Go, Ewen Cheslack-Postava [5] 迭代器模式, refactoringguru.cn

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