深入解读Lua中迭代器与泛型for的使用

泛型for原理

迭代器是一种可以遍历集合中所有元素的机制，在Lua中通常将迭代器表示为函数，每调用一次函数，就返回集合中“下一个”元素。每个迭代器都需要在每次成功调用之间保持一些状态，这样才能知道它所在的位置及如何步进到下一个位置，closure就可以完成此项工作。下面的示例是列表的一个简单的迭代器：

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

循环调用：

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调用

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

泛型for为一次迭代循环做了所有的簿记工作。它在内部保存了迭代器函数，并在每次迭代时调用迭代器，在迭代器返回nil时结束循环。实际上泛型for保存了3个值：迭代器函数f、恒定状态s、控制变量a。for做的第一件事就是对in后面的表达式求值，并返回3个值供for保存；接着for会以s和a来调用f。在循环过程中控制变量的值依次为a1 = f(s, a0)，a2 = f(s, a1)，依次类推，直至ai为nil结束循环。

先看一段代码

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

在不往下看之前，我们可以先试图根据我们已有的知识结构去理解这段代码。如果这样，list_iter(t)应该返回一个类似集合的东西，而我们已经知道实际上只返回了一个匿名函数，也就是迭代器。当然，每次调用迭代器都可以得到一个元素，迭代器的所有的结果倒是可以看成一个集合。因素齐了，我们需要一个逻辑上的解释，这个逻辑就是 泛型for的语义。
先看文法规定：

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

整个过程是这样的：
首先，初始化，计算 in 后面表达式的值，表达式应该返回 泛型for 需要的三个值：迭代函数、状态常量、控制变量；与多值赋值一样，如果表达式返回的结果个数不足三个会自

动用nil 补足，多出部分会被忽略。
第二，将状态常量和控制变量作为参数调用迭代函数（注意：对于 for 结构来说，状态常量没有用处，仅仅在初始化时获取他的值并传递给迭代函数）。

第三，将迭代函数返回的值赋给变量列表。
第四，如果返回的第一个值为 nil 循环结束，否则执行循环体。
第五，回到第二步再次调用迭代函数。

更具体地说：

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

等价于

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 在自己内部保存三个值：迭代函数、状态常量、控制变量。

迭代器的状态

无状态的迭代器本身不保存任何状态，for循环只会用恒定状态和控制变量来调用迭代器函数。这类迭代器典型例子就是ipairs，下面是ipairs的Lua实现：

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

当for循环调用ipairs(list)时，会获得3个值，然后Lua调用iter(list, 0)得到list, list[1]，调用iter(list, 1)得到list, list[2]，知道得到一个nil为止。

虽然泛型for只提供一个恒定状态和一个控制变量用于状态的保存，但有时需要保存许多其他状态。这时可以用closure来保存，或者将所需的状态打包为一个table，并保存在恒定状态中。

闭包、迭代器和泛型for

到现在，Lua为我们准备了三块积木：闭包、泛型for和迭代器。一个循环，我们可以利用闭包+迭代器，也可以使用泛型for+迭代器。那我们该怎么取舍呢？Lua也给出了建

议。

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

这种情况是Lua最推荐的，迭代器不依赖upvalue，不产生闭包，状态常量和控制变量借助泛型for保存，通过迭代器的参数传递给了迭代器。
再给一个书中的例子：

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

这样好不好呢，Lua给的答案是否定的。书中有一段话说得很清楚：
我们应该尽可能的写无状态的迭代器，因为这样循环的时候由for 来保存状态，不需要创建对象花费的代价小；如果不能用无状态的迭代器实现，应尽可能使用闭包；尽可能不

要使用table 这种方式，因为创建闭包的代价要比创建table 小，另外Lua 处理闭包要比处理table 速度快些。

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