在軟體開發中，我們經常需要遍歷資料結構中的元素，如集合、陣列或鍊錶等。為了避免將遍歷邏輯耦合在資料結構的內部，並提高程式碼的可讀性和可擴展性，迭代器模式（Iterator Pattern）應運而生。本文將詳細介紹迭代器模式的概念、與其他模式的差異、解決的問題，以及如何在Golang中實作和使用迭代器模式。

什麼是迭代器模式（Iterator Pattern）？

迭代器模式是一種行為型設計模式，它提供了一種順序存取集合物件中的元素而不暴露其內部結構的方法。透過迭代器，客戶端可以依序遍歷集合中的每一個元素，而無需關心集合的底層實作。

迭代器模式的組成部分

1. 迭代器介面（Iterator）：定義用於遍歷集合的方法，例如 Next() 和 HasNext()。
2. 具體迭代器（Concrete Iterator）：實作迭代器接口，封裝遍歷集合的具體邏輯。
3. 集合接口（Aggregate）：定義建立迭代器的方法。
4. 具體集合（Concrete Aggregate）：實作集合接口，傳回一個用於遍歷其元素的迭代器。

迭代器模式與其他模式的差異

1. 訪客模式（Visitor Pattern）

• 目標：訪客模式將操作與資料結構分離，以支援在不修改資料結構的情況下定義新的操作。
• 差別：訪客模式著重於對資料結構中的每個元素執行操作，而迭代器模式則專注於遍歷資料結構中的元素。

2. 組合模式（Composite Pattern）

• 目標：組合模式透過樹狀結構表示「部分-整體」關係，方便處理物件的層次結構。
• 差別：組合模式處理的是物件的層次結構，而迭代器模式處理的是資料集合中的順序存取。

3. 生成器模式（Builder Pattern）

• 目標：生成器模式用於建構複雜對象，並將建置過程與表示分開。
• 差別：生成器模式用於建構對象，而迭代器模式用於遍歷對象集合。

迭代器模式解決了什麼問題？

1. 解耦集合與遍歷邏輯：將遍歷邏輯封裝在迭代器中，而不是在集合類別中實現，降低了類別之間的耦合性。
2. 提高程式碼的可讀性：透過迭代器模式，客戶端可以以一致的方式遍歷不同類型的集合。
3. 支援多種遍歷方式：迭代器模式允許為同一個集合提供多種遍歷方式，例如正向遍歷、反向遍歷或過濾遍歷。

Golang中的迭代器模式實現

下面透過一個具體的Golang範例展示如何使用迭代器模式來實作一個簡單的書籍集合遍歷系統。

例：書籍集合遍歷系統

1. 定義書籍結構

package main 

import "fmt" 

// Book 結構體：代表一本書
type Book struct { 
	Title string 
	Author string 
}

2. 定義迭代器接口

// Iterator 介面：定義了遍歷集合的方法
type Iterator interface { 
	HasNext() bool 
	Next() *Book 
}

3. 實現具體迭代器

// BookIterator 結構體：具體迭代器，遍歷書籍集合
type BookIterator struct {
    books []*Book
    index int
}

func (b *BookIterator) HasNext() bool {
    return b.index < len(b.books)
}

func (b *BookIterator) Next() *Book {
    if b.HasNext() {
        book := b.books[b.index]
        b.index++
        return book
    }
    return nil
}

4. 定義集合接口

// Aggregate 介面：定義建立迭代器的方法
type Aggregate interface {
    CreateIterator() Iterator
}

5. 實現具體集合

// BookCollection 結構體：具體集合，保存一組書籍
type BookCollection struct {
    books []*Book
}

func (bc *BookCollection) AddBook(book *Book) {
    bc.books = append(bc.books, book)
}

func (bc *BookCollection) CreateIterator() Iterator {
    return &BookIterator{books: bc.books}
}

6. 使用迭代器模式的範例程式碼

import "fmt"

func main() { 
	
	// 建立書籍集合
	collection := &BookCollection{} 
	collection.AddBook(&Book{Title: "The Go Programming Language", Author: "Alan AA Donovan"}) 
	collection.AddBook(&Book{Title: "Clean Code", Author: "Robert C. Martin"}) 
	collection.AddBook(&Book{Title: "Design Patterns", Author: "Erich Gamma"}) 
	
	// 建立書籍迭代器
	iterator := collection.CreateIterator()
	//遍歷書籍集合
	for iterator.HasNext() { 
		book := iterator.Next() 
		fmt.Printf("Book: %s, Author: %s\n", book.Title, book.Author)
	} 
}

輸出

Book: The Go Programming Language, Author: Alan A. A. Donovan
Book: Clean Code, Author: Robert C. Martin
Book: Design Patterns, Author: Erich Gamma

程式碼解析

1. Book 結構體：代表一本書，包含書名和作者資訊。
2. Iterator 介面：定義了 HasNext() 和 Next() 方法，用於遍歷集合中的元素。
3. BookIterator 結構體：實現了 Iterator 接口，負責遍歷書籍集合。
4. Aggregate 介面：定義了建立迭代器的方法。
5. BookCollection 結構體：實現了 Aggregate 接口，代表書籍集合，並提供創建迭代器的方法。
6. main 函數：展示如何使用迭代器遍歷書籍集合。

實際開發中的應用

1. 集合遍歷：迭代器模式適用於需要遍歷不同類型集合的場景，例如列表、樹或圖等資料結構。
2. 資料庫查詢結果遍歷：在處理資料庫查詢結果時，可以使用迭代器模式遍歷每一筆記錄。
3. 檔案系統遍歷：檔案系統中的目錄和檔案可以透過迭代器模式實現遞歸遍歷。
4. 遊戲開發中的物件遍歷：在遊戲開發中，場景中的實體物件（如敵人、道具）可以透過迭代器模式進行遍歷。

使用迭代器模式的注意事項

1. 線程安全：如果迭代器在多執行緒環境中使用，需要確保執行緒安全性，可能需要加鎖。
2. 集合修改問題：在遍歷過程中修改集合結構（如新增或刪除元素），可能會導致迭代器狀態不一致，需要特別注意。
3. 效能問題：對於大規模資料集合，使用迭代器可能會帶來效能開銷。可以考慮使用惰性載入或分頁處理。

迭代器模式與訪客模式的對比

總結

迭代器模式是一種非常有用的設計模式，它將集合的遍歷邏輯與集合本身解耦，使得程式碼更加簡潔且可維護。在Golang中，透過介面和結構體組合，我們可以輕鬆實現迭代器模式。在實際開發中，迭代器模式廣泛應用於集合遍歷、資料庫查詢結果處理、檔案系統遍歷等場景。

參考連結

• 設計模式- 迭代器模式
• Golang 設計模式