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Iteratorパターン（イテレータパターン）調査ドキュメント

Iteratorパターン（イテレータパターン）に関する包括的な調査・情報収集結果

Iteratorパターン（イテレータパターン）調査ドキュメント

調査概要

本ドキュメントは、GoF（Gang of Four）デザインパターンの一つである「Iteratorパターン（イテレータパターン）」について、最新かつ信頼性の高い情報を収集・分析した調査結果です。

  • 調査実施日: 2026年1月1日
  • 調査者: 10年以上の経験を持つ調査・情報収集専門家
  • 調査範囲: 定義、構造、実装例、メリット・デメリット、類似パターンとの比較、実用例

1. Iteratorパターンの概要

1.1 定義と目的

要点:

  • Iteratorパターンは、コレクション（集合体）の要素を順番に1つずつアクセスするための方法を提供するデザインパターン
  • コレクションの内部構造（配列、リスト、ツリーなど）に依存せず、同じインタフェースで順番にアクセスできる
  • 反復子（Iterator）オブジェクトを使って、コレクションの詳しい中身に触れずに処理を行う

根拠:

  • GoFの定義によれば、Iteratorパターンは「集合体の要素を順番にアクセスするための統一インターフェースを提供し、集合体の内部表現を隠蔽する」パターン
  • 「コレクションの要素にアクセスする方法」と「コレクション本体」を分離することで、内部実装の変更が利用側に影響しないようにする
  • コレクションの走査ロジックを外部に移し、柔軟性と拡張性を高める

出典:

信頼度: 高（GoF書籍ベース、複数の技術サイトで一貫した定義）

1.2 GoF（Gang of Four）における位置づけ

要点:

  • Iteratorパターンは、GoFの23パターンにおける「振る舞いパターン（Behavioral Patterns）」に分類される
  • 振る舞いパターンは、オブジェクト間のやり取りや責任分担の方法を整理するパターン群
  • Iteratorは「集合体要素へのアクセス方法を分離し、列挙処理を統一的に行える」という振る舞いに着目している

根拠:

  • GoFは23のデザインパターンを「生成（Creational）」「構造（Structural）」「振る舞い（Behavioral）」の3つに分類
  • Iteratorは「振る舞いパターン」の11パターンの一つ
  • 他の振る舞いパターンには、Observer（通知）、Strategy（手順切替）、Command（命令カプセル化）などがある

出典:

信頼度: 高（GoF公式分類）

1.3 パターンの構造と登場人物

要点:

Iteratorパターンは以下の4つの要素で構成される：

  1. Iterator（反復子）

    • コレクションの要素を順番に取得するためのインターフェース
    • 典型的なメソッド：hasNext()（次の要素があるか確認）、next()（次の要素を返す）
    • すべての具体的なイテレータの基底インターフェース

  2. ConcreteIterator（具体的な反復子）

    • Iteratorインターフェースを実装したクラス
    • 実際にコレクションを走査するロジックや、現在の位置情報などを保持
    • 集合体の具体的な実装に依存して要素を返す

  3. Aggregate（集合体）

    • Iteratorを生成するためのインターフェース
    • 自身のコレクション専用のイテレータ（Iterator）を返すiterator()などのメソッドを持つ
    • コレクション全体を表すインターフェース

  4. ConcreteAggregate（具体的な集合体）

    • Aggregateインターフェースを実装し、実際のコレクション（List、Array、など）の管理を行うクラス
    • 自分自身のConcreteIteratorを返す
    • 要素の追加や削除などのコレクション操作も提供

根拠:

  • これらの役割分担により、集合体の内部構造とアクセス方法が分離される
  • クライアントはIteratorインターフェースのみに依存し、具体的な集合体の実装を知る必要がない
  • 異なるデータ構造に対しても同じAPIで走査できるため、コードの共通化・部品化が進む

クラス図（概念図）:

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+-------------------+       +-------------------+
|   <<interface>>   |       |   <<interface>>   |
|     Iterator      |<------|     Aggregate     |
+--------+----------+       +--------+----------+
         ^                           ^
         |                           |
+--------+------------+   +----------+--------------+
|   ConcreteIterator  |   |   ConcreteAggregate     |
+---------------------+   +------------------------+

出典:

信頼度: 高（複数の技術サイトで一貫した構造説明）

2. Iteratorパターンの用途

2.1 典型的な使用場面

要点:

  • データの順次処理を行うとき

    • for文、while文より抽象化して利用
    • コレクションの内容を1つずつ処理する

  • 異なるコレクション型の統一的な走査

    • Array、LinkedList、Tree、Stackなど異なるデータ構造でも同じインターフェース
    • データ構造の変更に強い設計

  • コレクションの中身を外部から変更されたくない時（カプセル化）

    • 読み取り専用のアクセスを提供
    • 内部構造を隠蔽して保護

根拠:

  • 内部構造の隠蔽により、利用側は詳細実装に依存せず要素にアクセスできる
  • コレクションの管理と走査ロジックを分離することで、変更容易性や責務分割を促す

出典:

信頼度: 高（複数の技術記事で一貫した説明）

2.2 適用例

要点:

  1. プログラミング言語の標準ライブラリ

    • JavaのCollection API（List、Set、Map）でIteratorやforeachがサポートされる
    • C++のSTL（Standard Template Library）のイテレータ
    • PythonのIteratorプロトコル
    • C#のIEnumerable/IEnumeratorインターフェース

  2. カスタム集約クラス

    • 自作のBookShelfやShoppingCartなど独自集合体で.iterator()として外部に走査インターフェースを提供
    • ビジネスロジック固有のコレクション

  3. データベースアクセス

    • JDBCのResultSetなど、カーソルベースのデータアクセス
    • ORMフレームワークのクエリ結果イテレータ

  4. キュー、スタック、ツリー走査

    • 走査ロジックをIteratorが持つことで、走査手順のカスタマイズや逆順など柔軟性を高められる
    • 深さ優先探索（DFS）、幅優先探索（BFS）などのアルゴリズム実装

根拠:

  • 多くの現代プログラミング言語の標準ライブラリにIteratorパターンが組み込まれている
  • フレームワークやライブラリのAPI設計でも広く採用されている
  • コレクション走査の標準的な手法として確立されている

出典:

信頼度: 高（実際の活用事例として広く知られている）

3. 実装例

3.1 Perlでの基本実装

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# Iterator.pm - イテレータインターフェース（Perl 5）
package Iterator;
use strict;
use warnings;

sub new {
    my $class = shift;
    my $self = {};
    bless $self, $class;
    return $self;
}

# 次の要素があるか確認
sub has_next {
    die "has_next must be implemented by subclass";
}

# 次の要素を返す
sub next {
    die "next must be implemented by subclass";
}

1;

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# BookShelfIterator.pm - 具体的なイテレータ
package BookShelfIterator;
use strict;
use warnings;
use parent 'Iterator';

sub new {
    my ($class, $bookshelf) = @_;
    my $self = {
        bookshelf => $bookshelf,
        index     => 0,
    };
    bless $self, $class;
    return $self;
}

sub has_next {
    my $self = shift;
    return $self->{index} < $self->{bookshelf}->get_length;
}

sub next {
    my $self = shift;
    my $book = $self->{bookshelf}->get_book_at($self->{index});
    $self->{index}++;
    return $book;
}

1;

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# BookShelf.pm - 集合体（Aggregate）
package BookShelf;
use strict;
use warnings;
use BookShelfIterator;

sub new {
    my $class = shift;
    my $self = {
        books => [],
    };
    bless $self, $class;
    return $self;
}

sub add_book {
    my ($self, $book) = @_;
    push @{$self->{books}}, $book;
}

sub get_book_at {
    my ($self, $index) = @_;
    return $self->{books}->[$index];
}

sub get_length {
    my $self = shift;
    return scalar @{$self->{books}};
}

# イテレータを生成
sub iterator {
    my $self = shift;
    return BookShelfIterator->new($self);
}

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# main.pl - 使用例
use strict;
use warnings;
use BookShelf;

# 本棚を作成
my $bookshelf = BookShelf->new();
$bookshelf->add_book("Design Patterns");
$bookshelf->add_book("Refactoring");
$bookshelf->add_book("Clean Code");
$bookshelf->add_book("The Pragmatic Programmer");

# イテレータで走査
my $iterator = $bookshelf->iterator();
while ($iterator->has_next()) {
    my $book = $iterator->next();
    print "Book: $book\n";
}

# 出力:
# Book: Design Patterns
# Book: Refactoring
# Book: Clean Code
# Book: The Pragmatic Programmer

実装のポイント:

  • Iteratorクラスは抽象的なインターフェースを定義
  • BookShelfIteratorが具体的な走査ロジックを実装
  • BookShelfは集合体として要素を管理し、iterator()メソッドでイテレータを返す
  • クライアントコードはBookShelfの内部構造（配列）を知る必要がない

バージョン情報: Perl 5.10以上

3.2 シンプルなPerlイテレータの例

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# SimpleIterator.pm - シンプルなイテレータクラス
package SimpleIterator;
use strict;
use warnings;

sub new {
    my ($class, $array_ref) = @_;
    my $self = {
        array => $array_ref,
        pos   => 0,
    };
    bless $self, $class;
    return $self;
}

sub has_next {
    my $self = shift;
    return $self->{pos} < @{$self->{array}};
}

sub next {
    my $self = shift;
    return $self->{array}->[$self->{pos}++];
}

1;

# 使用例
use SimpleIterator;

my @data = qw/apple banana orange/;
my $it = SimpleIterator->new(\@data);

while ($it->has_next) {
    my $item = $it->next;
    print "$item\n";
}

# 出力:
# apple
# banana
# orange

3.3 CPANモジュールの活用

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# UR::Iterator モジュールの使用例
use UR::Iterator;

my @numbers = (1, 2, 3, 4, 5);
my $iter = UR::Iterator->new(\@numbers);

while (my $value = $iter->next) {
    print "Value: $value\n";
}

# UR::Iteratorはmapping処理やscoping対応など、
# 多くの便利な機能も備えている

出典:

信頼度: 高（CPAN公式モジュール、GitHub実装例）

3.4 Perlの標準機能（ファイルハンドル）

Perlではファイルハンドル自体がイテレータとして機能する。これは言語レベルで設計思想に組み込まれている：

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# ファイルハンドルのイテレータ的使用
open my $fh, '<', 'data.txt' or die "Cannot open file: $!";

while (my $line = <$fh>) {
    chomp $line;
    print "Line: $line\n";
}

close $fh;

利点:

  • ファイルが巨大でも、一度に全てメモリに読み込まず必要な行だけ順次取得できる
  • メモリ効率が良い
  • ストリーム処理に適している

3.5 Java実装例（参考）

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// Iterator インターフェース
public interface Iterator {
    boolean hasNext();
    Object next();
}

// Aggregate インターフェース
public interface Aggregate {
    Iterator iterator();
}

// ConcreteAggregate - 本棚
public class BookShelf implements Aggregate {
    private List<String> books = new ArrayList<>();
    
    public void addBook(String book) {
        books.add(book);
    }
    
    public String getBookAt(int index) {
        return books.get(index);
    }
    
    public int getLength() {
        return books.size();
    }
    
    @Override
    public Iterator iterator() {
        return new BookShelfIterator(this);
    }
}

// ConcreteIterator
public class BookShelfIterator implements Iterator {
    private BookShelf bookShelf;
    private int index = 0;
    
    public BookShelfIterator(BookShelf bookShelf) {
        this.bookShelf = bookShelf;
    }
    
    @Override
    public boolean hasNext() {
        return index < bookShelf.getLength();
    }
    
    @Override
    public Object next() {
        String book = bookShelf.getBookAt(index);
        index++;
        return book;
    }
}

// クライアント
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        BookShelf shelf = new BookShelf();
        shelf.addBook("Design Patterns");
        shelf.addBook("Refactoring");
        shelf.addBook("Clean Code");
        
        Iterator it = shelf.iterator();
        while (it.hasNext()) {
            String book = (String) it.next();
            System.out.println("Book: " + book);
        }
    }
}

4. Iteratorパターンの利点と欠点

4.1 利点（メリット）

1. 内部構造の隠蔽・カプセル化

  • 要点: コレクションの内部構造（例えば配列、リスト、集合など）を隠蔽できるため、利用側は詳細実装に依存せず要素にアクセスできる
  • 根拠: クライアントはIteratorインターフェースのみに依存し、集合体の実装変更の影響を受けない
  • 信頼度: 高

2. 統一インタフェースによる再利用性向上

  • 要点: 異なるデータ構造に対しても同じAPIで走査でき、コードの共通化・部品化が進む
  • 根拠: for-each（拡張for）構文による走査など、言語レベルでのサポートが受けられる
  • 信頼度: 高

3. 走査方法の柔軟な拡張

  • 要点: 順方向、逆方向、さまざまな条件による走査がIteratorの実装次第で可能
  • 根拠: 仕様変更が反復子（Iterator）だけで完結しやすい
  • 具体例:
    • 順方向イテレータ
    • 逆方向イテレータ
    • フィルタリングイテレータ
    • スキップイテレータ
  • 信頼度: 高

4. 集合体（Aggregate）と走査ロジック（Iterator）の分離

  • 要点: 集合体オブジェクトと走査方法の独立性が保たれ、単一責任原則に則り保守性も向上
  • 根拠: 各クラスが明確な責務を持つため、変更の影響範囲が限定される
  • 信頼度: 高

5. 複数の走査を同時実行可能

  • 要点: 複数のIteratorインスタンスを生成することで、同じコレクションに対して独立した走査が可能
  • 根拠: 各Iteratorが独自の状態（現在位置）を保持する
  • 信頼度: 高

出典:

4.2 欠点（デメリット）

1. クラス数が増える

  • 要点: 各コレクション型ごとに専用のIteratorクラスが必要になり、設計によってはクラス数が多くなる
  • 根拠: Iterator、ConcreteIterator、Aggregate、ConcreteAggregateの最低4クラスが必要
  • 対策: 必要性を慎重に検討し、シンプルなケースでは標準ライブラリの機能を活用する
  • 信頼度: 高

2. 複雑なランダムアクセスが困難

  • 要点: Iteratorは基本的に線形走査向け。配列のようなランダムアクセスには適していない場合がある
  • 根拠: hasNext()とnext()のシーケンシャルなアクセスが前提
  • 対策: ランダムアクセスが必要な場合は、別の設計パターンやインデックスベースのアクセス方法を検討
  • 信頼度: 高

3. 実装コストが増加することも

  • 要点: 非常にシンプルなコレクションであれば、わざわざIteratorパターンを適用することで実装が冗長になる場合がある
  • 根拠: オーバーエンジニアリングのリスク
  • 対策: 規模と複雑さに応じて適用を判断する
  • 信頼度: 中

4. 複数の走査方法を同時に扱う場合の注意

  • 要点: 一つのコレクションで複数のIteratorインスタンスを同時持つ場合、内部状態管理（例えば走査位置）が煩雑になることがある
  • 根拠: 状態管理の複雑性
  • 対策: 適切な設計とドキュメント化
  • 信頼度: 中

出典:

4.3 注意点

1. Iteratorの有効性

  • 要点: 削除・追加操作中（コレクションの構造変更）にIteratorで走査すると、例外（ConcurrentModificationExceptionなど）が発生することがある
  • 対策:
    • イテレーション中のコレクション変更を避ける
    • 削除が必要な場合は、Iteratorのremove()メソッドを使用（言語・実装により異なる）
    • CopyOnWriteコレクションを使用する
  • 信頼度: 高

2. イテレータ利用の設計指針

  • 要点: コレクションの要素数が非常に膨大・複雑な場合は、走査負荷やメモリ使用量なども考慮して設計する必要がある
  • 対策:
    • 遅延評価（Lazy Evaluation）の検討
    • ストリーム処理の活用
    • ページング処理の導入
  • 信頼度: 中

3. 統一API採用の意義

  • 要点: 標準ライブラリなどでIterator（反復子）パターンが採用されている場合は、独自実装せず伝統的APIを利用するのが望ましい
  • 対策: 言語やフレームワークの標準機能を優先的に使用する
  • 信頼度: 高

出典:

5. Iteratorパターンの種類

5.1 外部イテレータ（External Iterator）

要点:

  • コレクションから要素を順に取り出すことを「外部」から操作できる仕組み
  • 代表例はJavaのIterator、C++ STLのイテレータ
  • 利用者側で「次へ移動」「現在の要素取得」などを明示的に書く（while/forループなど）
  • 途中でbreakやcontinue、複雑な処理が可能

特徴:

  • カーソルベース（cursor-based）のイテレータがこの外部イテレータに含まれる
  • 「現在位置（カーソル）」を持ち、next()やhasNext()等で手動で制御する
  • 一部だけ取り出してループを抜ける、複数コレクションを横断することも可能

出典:

信頼度: 高

5.2 内部イテレータ（Internal Iterator）

要点:

  • イテレータ処理の流れをコレクションやデータ構造側で持つ方式
  • 例えばRubyのeach、C#のList.ForEachなど、「処理自体」を高階関数やブロック/ラムダで渡す
  • 利用者は処理内容だけを渡し、「繰り返し」は内部で完結する

特徴:

  • 途中でループを抜けたり、複雑な条件制御を入れるのがやや面倒（breakやcontinueが難しいか書き方に工夫がいる）
  • コードがシンプルで宣言的になる反面、反復の流れ制御は制限される

出典:

信頼度: 高

5.3 比較表

種類イテレータ所有者ループ制御状態保持利用例
外部イテレータ利用者（外部）柔軟カーソルJava/C++/Pythonなど
内部イテレータコレクション側不可/限定不要Ruby.each/C#.ForEach
カーソルベース利用者（外部）柔軟カーソルC++/Java/DB ResultSet

補足:

  • データベースアクセス（JDBCのResultSetなど）でも「カーソルベース外部イテレータ」が使われる
  • 内部イテレータは宣言的でコードが短いですが、繰り返しを中断したり複雑な流れ制御は苦手
  • 外部イテレータはより細かな操作ができ、イテレータ自体を渡す/合成するなど設計の自由度が高い

出典:

信頼度: 高

6. 関連パターンと比較

6.1 Compositeパターンとの関係

要点:

  • Compositeパターンで構築した木構造の走査にIteratorパターンを適用できる
  • 深さ優先探索（DFS）や幅優先探索（BFS）などの走査アルゴリズムをIteratorとして実装

信頼度: 高

6.2 Factoryパターンとの関係

要点:

  • Iteratorの生成にFactory Methodパターンを適用できる
  • 異なる種類のIteratorを生成する際に有用

信頼度: 中

6.3 Mementoパターンとの関係

要点:

  • Iteratorの現在位置をMementoとして保存し、後で復元することが可能
  • 複雑な走査の状態管理に有用

信頼度: 中

7. まとめ

7.1 Iteratorパターンが適している場合

  • コレクションの内部構造を隠蔽したい
  • 異なるデータ構造に対して統一的なアクセス方法を提供したい
  • 走査方法を柔軟に変更・拡張したい
  • 複数の走査を同時に実行したい
  • 標準的なfor-each構文を使いたい

7.2 Iteratorパターンが適していない場合

  • 非常にシンプルなコレクションで、パターン適用がオーバーヘッドになる
  • ランダムアクセスが主要な要件
  • パフォーマンスが重要で、抽象化のオーバーヘッドが許容できない

7.3 現代的な活用

要点:

  • 多くのプログラミング言語の標準ライブラリにIteratorパターンが組み込まれている
  • ストリーム処理、関数型プログラミングの基礎となっている
  • Reactive Programming（リアクティブプログラミング）の基盤技術

信頼度: 高

8. 参考文献・出典一覧

8.1 主要な参考サイト

8.2 Perl関連リソース

8.3 その他の技術記事

調査完了

本調査ドキュメントは、Iteratorパターンに関する包括的な情報を提供しています。

  • 定義と目的の明確化
  • GoFにおける位置づけ
  • パターンの構造と登場人物
  • 典型的な用途と適用例
  • Perl、Javaでの実装サンプル
  • 利点と欠点の詳細分析
  • 外部イテレータと内部イテレータの比較
  • 関連パターンとの関係
  • 実践的な活用指針

信頼度の高い情報源から収集した内容を基に、技術記事執筆時の参考資料として活用できます。

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