LeetCode 第284题：顶端迭代器

📖 文章摘要

本文详细解析LeetCode第284题“顶端迭代器”，这是一道考察迭代器设计的中等难度题目。文章提供了缓存和装饰器两种实现方案，包含C#、Python、C++三种语言实现，配有详细的迭代器状态分析和性能对比。适合学习迭代器设计模式和高级数据结构的读者。

核心知识点： 迭代器设计、缓存机制、设计模式
难度等级： 中等
推荐人群： 具备基础数据结构知识，想要提升设计模式应用能力的开发者

题目描述

给定一个迭代器类的接口，接口包含两个方法： next() 和 hasNext()。设计并实现一个支持 peek() 操作的顶端迭代器 – 其本质就是把原本应由 next() 方法返回的元素 peek() 出来。

实现 PeekingIterator 类：

PeekingIterator(Iterator<int> iter) 使用指定的整数迭代器 iter 初始化迭代器。
int peek() 返回下一个元素，而不移动指针。
int next() 返回下一个元素并将指针移动一步。
boolean hasNext() 如果数据流中存在剩余元素，返回 true ；否则返回 false 。

示例

示例 1：

输入：
["PeekingIterator", "next", "peek", "next", "next", "hasNext"]
[[[1, 2, 3]], [], [], [], [], []]
输出：
[null, 1, 2, 2, 3, false]

解释：
PeekingIterator peekingIterator = new PeekingIterator([1, 2, 3]); // [1,2,3]
peekingIterator.next();    // 返回 1，指针移动到下一个元素 [1|2,3]
peekingIterator.peek();    // 返回 2，指针不移动 [1|2,3]
peekingIterator.next();    // 返回 2，指针移动到下一个元素 [1,2|3]
peekingIterator.next();    // 返回 3，指针移动到下一个元素 [1,2,3|]
peekingIterator.hasNext(); // 返回 False

提示

1 <= nums.length <= 1000
1 <= nums[i] <= 1000
对 peek 和 next 的调用均有效
next、hasNext 和 peek 最多调用 1000 次

解题思路

本题可以使用两种方法来实现：

缓存法：
- 使用一个变量缓存下一个元素
- peek()时返回缓存的元素
- next()时返回缓存并更新缓存
装饰器模式：
- 封装原始迭代器
- 添加缓存功能
- 维护迭代器状态

图解思路

迭代器状态分析表

操作	缓存值	迭代器状态	返回值	说明
初始化	1	[1,2,3]	-	缓存第一个元素
next()	2	[2,3]	1	返回缓存并更新
peek()	2	[2,3]	2	返回缓存不更新
next()	3	[3]	2	返回缓存并更新
next()	null	[]	3	返回缓存并清空
hasNext()	null	[]	false	无更多元素

方法调用流程表

方法	前置条件	后置条件	副作用
peek()	有缓存	不变	无
next()	有缓存	更新缓存	移动指针
hasNext()	-	不变	无

代码实现

C# 实现

public class PeekingIterator {
    private Iterator<int> iterator;
    private int? nextElement;
    
    public PeekingIterator(Iterator<int> iterator) {
        this.iterator = iterator;
        // 初始化时缓存第一个元素
        if (iterator.HasNext()) {
            nextElement = iterator.Next();
        }
    }
    
    public int Peek() {
        return nextElement ?? throw new InvalidOperationException();
    }
    
    public int Next() {
        int result = nextElement ?? throw new InvalidOperationException();
        // 更新缓存
        nextElement = iterator.HasNext() ? iterator.Next() : null;
        return result;
    }
    
    public bool HasNext() {
        return nextElement != null;
    }
}

Python 实现

class PeekingIterator:
    def __init__(self, iterator):
        """
        Initialize your data structure here.
        :type iterator: Iterator
        """
        self.iterator = iterator
        self.next_element = iterator.next() if iterator.hasNext() else None

    def peek(self):
        """
        Returns the next element in the iteration without advancing the iterator.
        :rtype: int
        """
        if self.next_element is None:
            raise StopIteration()
        return self.next_element

    def next(self):
        """
        :rtype: int
        """
        if self.next_element is None:
            raise StopIteration()
        result = self.next_element
        self.next_element = self.iterator.next() if self.iterator.hasNext() else None
        return result

    def hasNext(self):
        """
        :rtype: bool
        """
        return self.next_element is not None

C++ 实现

class PeekingIterator : public Iterator {
private:
    int nextElement;
    bool hasNextElement;
    
public:
    PeekingIterator(const vector<int>& nums) : Iterator(nums) {
        // 初始化时缓存第一个元素
        hasNextElement = Iterator::hasNext();
        if (hasNextElement) {
            nextElement = Iterator::next();
        }
    }
    
    int peek() {
        if (!hasNextElement) {
            throw runtime_error("No element to peek");
        }
        return nextElement;
    }
    
    int next() {
        if (!hasNextElement) {
            throw runtime_error("No element to return");
        }
        int result = nextElement;
        hasNextElement = Iterator::hasNext();
        if (hasNextElement) {
            nextElement = Iterator::next();
        }
        return result;
    }
    
    bool hasNext() const {
        return hasNextElement;
    }
};

执行结果

C# 实现

执行用时：76 ms
内存消耗：25.4 MB

Python 实现

执行用时：32 ms
内存消耗：14.9 MB

C++ 实现

执行用时：0 ms
内存消耗：7.4 MB

性能对比

语言	执行用时	内存消耗	特点
C#	76 ms	25.4 MB	代码结构清晰，性能适中
Python	32 ms	14.9 MB	代码最简洁，性能不错
C++	0 ms	7.4 MB	性能最优，内存占用最小

代码亮点

🎯 使用缓存机制实现peek功能
💡 优雅处理边界情况
🔍 异常处理完善
🎨 代码结构清晰，易于扩展

常见错误分析

🚫 未正确处理空迭代器
🚫 peek后未保持状态
🚫 next操作未更新缓存
🚫 hasNext判断错误

解法对比

解法	时间复杂度	空间复杂度	优点	缺点
缓存法	O(1)	O(1)	实现简单	需要额外空间
装饰器模式	O(1)	O(1)	结构清晰	代码较多
双指针法	O(1)	O(1)	无需缓存	不适用于流式数据

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示例 1：

提示

解题思路

图解思路

迭代器状态分析表

方法调用流程表

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