Lua教程（五）：迭代器和泛型for

2024-07-21 23:04:43

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1. 迭代器與Closure：

在Lua中，迭代器通常為函數，每調用一次函數，即返回集合中的“下一個”元素。每個迭代器都需要在每次成功調用之間保持一些狀態，這樣才能知道它所在的位置和下一次遍歷時的位置。從這一點看，Lua中closure機制為此問題提供了語言上的保障，見如下示例：

復制代碼代碼如下:

	
	function values(t)
	    local i = 0
	    return function()
	        i = i + 1
	        return t[i]
	    end
	end
	t = {10, 20, 30}
	it = values(t)
	while true do
	    local element = it()
	    if element == nil then
	        break
	    end
	    print(element)
	end
	--另外一種基于foreach的調用方式(泛型for)
	t2 = {15, 25, 35}
	for element in values(t2) do
	    print(element)
	end
	--輸出結果為：
	--10
	--20
	--30
	--15
	--25
	--35

從上面的應用示例來看，相比于while方式，泛型for的方式提供了更清晰的實現邏輯。因為Lua在其內部替我們保存了迭代器函數，并在每次迭代時調用該隱式的內部迭代器，直到迭代器返回nil時結束循環。

2. 泛型for的語義：

上面示例中的迭代器有一個明顯的缺點，即每次循環時都需要創建一個新的closure變量，否則第一次迭代成功后，再將該closure用于新的for循環時將會直接退出。

這里我們還是先詳細的講解一下Lua中泛型(for)的機制，之后再給出一個無狀態迭代器的例子，以便于我們的理解。如果我們的迭代器實現為無狀態迭代器，那么就不必為每一次的泛型(for)都重新聲明一個新的迭代器變量了。
泛型(for)的語法如下：

復制代碼代碼如下:

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

為了便于理解，由于我們在實際應用中<exp-list>通常只是包含一個表達式(expr)，因此簡單起見，這里的說明將只是包含一個表達式，而不是表達式列表。現在我們先給出表達式的原型和實例，如：

復制代碼代碼如下:

	
	function ipairs2(a)
	    return iter,a,0
	end

該函數返回3個值，第一個為實際的迭代器函數變量，第二個是一個恒定對象，這里我們可以理解為待遍歷的容器，第三個變量是在調用iter()函數時為其傳入的初始值。
下面我們再看一下iter()函數的實現，如：

復制代碼代碼如下:

	
	local function iter(a, i)
	    i = i + 1
	    local v = a[i]
	    if v then
	        return i, v
	    else
	        return nil, nil
	    end
	end

在迭代器函數iter()中返回了兩個值，分別對應于table的key和value，其中key(返回的i)如果為nil，泛型(for)將會認為本次迭代已經結束。下面我們先看一下實際用例，如：

復制代碼代碼如下:

function ipairs2(a)
return iter,a,0
end

local function iter(a, i)
    i = i + 1
    local v = a[i]
    if v then
        return i, v
    else
        return nil, nil
    end
end

a = {"one","two","three"}
for k,v in ipairs2(a) do
    print(k, v)
end
--輸出結果為：
--1       one
--2       two
--3       three

這個例子中的泛型(for)寫法可以展開為下面的基于while循環的方式，如：

復制代碼代碼如下:

local function iter(a, i)
    i = i + 1
    local v = a[i]
    if v then
        return i, v
    else
        return nil, nil
    end
end

function ipairs2(a)
return iter,a,0
end

a = {"one","two","three"}
do
    local _it,_s,_var = ipairs2(a)
    while true do
        local var_1,var_2 = _it(_s,_var)
        _var = var_1
        if _var == nil then --注意，這里只判斷迭代器函數返回的第一個是否為nil。
            break
        end
        print(var_1,var_2)
    end
end
--輸出結果同上。

3. 無狀態迭代器的例子：
這里的示例將實現遍歷鏈表的迭代器。

復制代碼代碼如下:

local function getnext(list, node) --迭代器函數。
    if not node then
        return list
    else
        return node.next
    end
end

function traverse(list) --泛型(for)的expression
return getnext,list,nil
end

--初始化鏈表中的數據。
list = nil
for line in io.lines() do
line = { val = line, next = list}
end

--以泛型(for)的形式遍歷鏈表。
for node in traverse(list) do
print(node.val)
end

這里使用的技巧是將鏈表的頭結點作為恒定狀態(traverse返回的第二個值)，而將當前節點作為控制變量。第一次調用迭代器函數getnext()時，node為nil，因此函數返回list作為第一個結點。在后續調用中node不再為nil了，所以迭代器返回node.next，直到返回鏈表尾部的nil結點，此時泛型(for)將判斷出迭代器的遍歷已經結束。

最后需要說明的是，traverse()函數和list變量可以反復的調用而無需再創建新的closure變量了。這主要是因為迭代器函數(getnext)實現為無狀態迭代器。

4. 具有復雜狀態的迭代器：

在上面介紹的迭代器實現中，迭代器需要保存許多狀態，可是泛型(for)卻只提供了恒定狀態和控制變量用于狀態的保存。一個最簡單的辦法是使用closure。當然我們還以將所有的信息封裝到一個table中，并作為恒定狀態對象傳遞給迭代器。雖說恒定狀態變量本身是恒定的，即在迭代過程中不會換成其它對象，但是該對象所包含的數據是否變化則完全取決于迭代器的實現。就目前而言，由于table類型的恒定對象已經包含了所有迭代器依賴的信息，那么迭代器就完全可以忽略泛型(for)提供的第二個參數。下面我們就給出一個這樣的實例，見如下代碼：

復制代碼代碼如下:

	
	 local iterator
	function allwords()
	    local state { line = io.read(), pos = 1 }
	    return iterator, state
	end
	--iterator函數將是真正的迭代器
	function iterator(state)
	    while state.line do
	        local s,e = string.find(state.line,"%w+",state.pos)
	        if s then
	            state.pos = e + 1
	            return string.sub(state.line,s,e)
	        else
	            state.line = io.read()
	            state.pos = 1
	        end
	    end
	    return nil
	end
	 