深入解讀Lua中迭代器與泛型for的使用

更新時間：2016年06月17日 15:33:54 作者：林壽山

在Lua中,迭代器常被寫為函數(shù)而被調(diào)用返回下一個元素,而for循環(huán)調(diào)用迭代器函數(shù)則使得迭代更強強大,下面我們就來深入解讀Lua中迭代器與泛型for

泛型for原理

迭代器是一種可以遍歷集合中所有元素的機制，在Lua中通常將迭代器表示為函數(shù)，每調(diào)用一次函數(shù)，就返回集合中“下一個”元素。每個迭代器都需要在每次成功調(diào)用之間保持一些狀態(tài)，這樣才能知道它所在的位置及如何步進到下一個位置，closure就可以完成此項工作。下面的示例是列表的一個簡單的迭代器：

function values(t)
 local i = 0
 return function() i = i + 1; return t[i] end
end

循環(huán)調(diào)用：

t = {10, 20, 30}
iter = values(t)
while true do
 local el = iter()
 if el == nil then break end
 print(el)
end

泛型for調(diào)用

for el in values(t) do print(el) end

泛型for為一次迭代循環(huán)做了所有的簿記工作。它在內(nèi)部保存了迭代器函數(shù)，并在每次迭代時調(diào)用迭代器，在迭代器返回nil時結(jié)束循環(huán)。實際上泛型for保存了3個值：迭代器函數(shù)f、恒定狀態(tài)s、控制變量a。for做的第一件事就是對in后面的表達式求值，并返回3個值供for保存；接著for會以s和a來調(diào)用f。在循環(huán)過程中控制變量的值依次為a1 = f(s, a0)，a2 = f(s, a1)，依次類推，直至ai為nil結(jié)束循環(huán)。

先看一段代碼

for element in list_iter(t) do 
 print(element) 
end

在不往下看之前，我們可以先試圖根據(jù)我們已有的知識結(jié)構(gòu)去理解這段代碼。如果這樣，list_iter(t)應該返回一個類似集合的東西，而我們已經(jīng)知道實際上只返回了一個匿名函數(shù)，也就是迭代器。當然，每次調(diào)用迭代器都可以得到一個元素，迭代器的所有的結(jié)果倒是可以看成一個集合。因素齊了，我們需要一個邏輯上的解釋，這個邏輯就是泛型for的語義。
先看文法規(guī)定：

for <var-list> in <exp-list> do 
 <body> 
end

整個過程是這樣的：
首先，初始化，計算 in 后面表達式的值，表達式應該返回泛型for 需要的三個值：迭代函數(shù)、狀態(tài)常量、控制變量；與多值賦值一樣，如果表達式返回的結(jié)果個數(shù)不足三個會自

動用nil 補足，多出部分會被忽略。
第二，將狀態(tài)常量和控制變量作為參數(shù)調(diào)用迭代函數(shù)（注意：對于 for 結(jié)構(gòu)來說，狀態(tài)常量沒有用處，僅僅在初始化時獲取他的值并傳遞給迭代函數(shù)）。

第三，將迭代函數(shù)返回的值賦給變量列表。
第四，如果返回的第一個值為 nil 循環(huán)結(jié)束，否則執(zhí)行循環(huán)體。
第五，回到第二步再次調(diào)用迭代函數(shù)。

更具體地說：

for var_1, ..., var_n in explist do block end

等價于

do 
 local _f, _s, _var = explist 
 while true do 
  local var_1, ... , var_n = _f(_s, _var) 
  _var = var_1 
  if _var == nil then break end 
  block 
 end 
end

泛型 for 在自己內(nèi)部保存三個值：迭代函數(shù)、狀態(tài)常量、控制變量。

迭代器的狀態(tài)

無狀態(tài)的迭代器本身不保存任何狀態(tài)，for循環(huán)只會用恒定狀態(tài)和控制變量來調(diào)用迭代器函數(shù)。這類迭代器典型例子就是ipairs，下面是ipairs的Lua實現(xiàn)：

local function iter(s, i)
 i = i + 1
 local v = s[i]
 if v then return i, v end
end
function ipairs(s)
 return iter, s, 0
end

當for循環(huán)調(diào)用ipairs(list)時，會獲得3個值，然后Lua調(diào)用iter(list, 0)得到list, list[1]，調(diào)用iter(list, 1)得到list, list[2]，知道得到一個nil為止。

雖然泛型for只提供一個恒定狀態(tài)和一個控制變量用于狀態(tài)的保存，但有時需要保存許多其他狀態(tài)。這時可以用closure來保存，或者將所需的狀態(tài)打包為一個table，并保存在恒定狀態(tài)中。

閉包、迭代器和泛型for

到現(xiàn)在，Lua為我們準備了三塊積木：閉包、泛型for和迭代器。一個循環(huán)，我們可以利用閉包+迭代器，也可以使用泛型for+迭代器。那我們該怎么取舍呢？Lua也給出了建

議。

function iter (a, i) 
 i = i + 1 
 local v = a[i] 
 if v then 
  return i, v 
 end 
end 
 
function ipairs (a) 
 return iter, a, 0 
end 
 
for i, v in ipairs(a) do 
 print(i, v) 
end

這種情況是Lua最推薦的，迭代器不依賴upvalue，不產(chǎn)生閉包，狀態(tài)常量和控制變量借助泛型for保存，通過迭代器的參數(shù)傳遞給了迭代器。
再給一個書中的例子：

local iterator -- to be defined later 
 
function allwords() 
 local state = {line = io.read(), pos = 1} 
 return iterator, state 
end 
 
function iterator (state) 
 while state.line do -- repeat while there are lines 
  -- search for next word 
  local s, e = string.find(state.line, "%w+", state.pos) 
  if s then -- found a word? 
   -- update next position (after this word) 
   state.pos = e + 1 
   return string.sub(state.line, s, e) 
  else -- word not found 
   state.line = io.read() -- try next line... 
   state.pos = 1 -- ... from first position 
  end 
 end 
 return nil -- no more lines: end loop 
end

這樣好不好呢，Lua給的答案是否定的。書中有一段話說得很清楚：
我們應該盡可能的寫無狀態(tài)的迭代器，因為這樣循環(huán)的時候由for 來保存狀態(tài)，不需要創(chuàng)建對象花費的代價??；如果不能用無狀態(tài)的迭代器實現(xiàn)，應盡可能使用閉包；盡可能不

要使用table 這種方式，因為創(chuàng)建閉包的代價要比創(chuàng)建table 小，另外Lua 處理閉包要比處理table 速度快些。

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