Step By Step(Lua迭代器和泛型for)

1. 迭代器与Closure：
    在Lua中，迭代器通常为函数，每调用一次函数，即返回集合中的“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和下一次遍历时的位置。从这一点看，Lua中closure机制为此问题提供了语言上的保障，见如下示例：

 1 function values(t)
 2     local i = 0
 3     return function()
 4         i = i + 1
 5         return t[i]
 6     end
 7 end
 8 t = {10, 20, 30}
 9 it = values(t)
10 while true do
11     local element = it()
12     if element == nil then
13         break
14     end
15     print(element)
16 end
17 --另外一种基于foreach的调用方式(泛型for)
18 t2 = {15, 25, 35}
19 for element in values(t2) do
20     print(element)
21 end
22 --输出结果为：
23 --10
24 --20
25 --30
26 --15
27 --25
28 --35
 

从上面的应用示例来看，相比于while方式，泛型for的方式提供了更清晰的实现逻辑。因为Lua在其内部替我们保存了迭代器函数，并在每次迭代时调用该隐式的内部迭代器，直到迭代器返回nil时结束循环。

    2. 泛型for的语义：
    上面示例中的迭代器有一个明显的缺点，即每次循环时都需要创建一个新的closure变量，否则第一次迭代成功后，再将该closure用于新的for循环时将会直接退出。
    这里我们还是先详细的讲解一下Lua中泛型(for)的机制，之后再给出一个无状态迭代器的例子，以便于我们的理解。如果我们的迭代器实现为无状态迭代器，那么就不必为每一次的泛型(for)都重新声明一个新的迭代器变量了。
    泛型(for)的语法如下：
    for <var-list> in <exp-list> do
        <body>
    end
    为了便于理解，由于我们在实际应用中<exp-list>通常只是包含一个表达式(expr)，因此简单起见，这里的说明将只是包含一个表达式，而不是表达式列表。现在我们先给出表达式的原型和实例，如：

1 function ipairs2(a)
2     return iter,a,0
3 end

该函数返回3个值，第一个为实际的迭代器函数变量，第二个是一个恒定对象，这里我们可以理解为待遍历的容器，第三个变量是在调用iter()函数时为其传入的初始值。
    下面我们再看一下iter()函数的实现，如：

 
1 local function iter(a, i)
2     i = i + 1
3     local v = a[i]
4     if v then
5         return i, v
6     else
7         return nil, nil
8     end
9 end
 

在迭代器函数iter()中返回了两个值，分别对应于table的key和value，其中key(返回的i)如果为nil，泛型(for)将会认为本次迭代已经结束。下面我们先看一下实际用例，如：

 
 1 function ipairs2(a)
 2     return iter,a,0
 3 end
 4 
 5 
 6 local function iter(a, i)
 7     i = i + 1
 8     local v = a[i]
 9     if v then
10         return i, v
11     else
12         return nil, nil
13     end
14 end
15 
16 a = {"one","two","three"}
17 for k,v in ipairs2(a) do
18     print(k, v)
19 end
20 --输出结果为：
21 --1       one
22 --2       two
23 --3       three
 

这个例子中的泛型(for)写法可以展开为下面的基于while循环的方式，如：

 
 1 local function iter(a, i)
 2     i = i + 1
 3     local v = a[i]
 4     if v then
 5         return i, v
 6     else
 7         return nil, nil
 8     end
 9 end
10 
11 function ipairs2(a)
12     return iter,a,0
13 end
14 
15 a = {"one","two","three"}
16 do
17     local _it,_s,_var = ipairs2(a)
18     while true do
19         local var_1,var_2 = _it(_s,_var)
20         _var = var_1
21         if _var == nil then  --注意，这里只判断迭代器函数返回的第一个是否为nil。
22             break
23         end
24         print(var_1,var_2)
25     end
26 end
27 --输出结果同上。
 

3. 无状态迭代器的例子：
    这里的示例将实现遍历链表的迭代器。

 
 1 local function getnext(list, node)  --迭代器函数。
 2     if not node then
 3         return list
 4     else
 5         return node.next
 6     end
 7 end
 8 
 9 function traverse(list)  --泛型(for)的expression
10     return getnext,list,nil
11 end
12 
13 --初始化链表中的数据。
14 list = nil
15 for line in io.lines() do
16     line = { val = line, next = list}
17 end
18 
19 --以泛型(for)的形式遍历链表。
20 for node in traverse(list) do
21     print(node.val)
22 end
 

这里使用的技巧是将链表的头结点作为恒定状态(traverse返回的第二个值)，而将当前节点作为控制变量。第一次调用迭代器函数getnext()时，node为nil，因此函数返回list作为第一个结点。在后续调用中node不再为nil了，所以迭代器返回node.next，直到返回链表尾部的nil结点，此时泛型(for)将判断出迭代器的遍历已经结束。
    最后需要说明的是，traverse()函数和list变量可以反复的调用而无需再创建新的closure变量了。这主要是因为迭代器函数(getnext)实现为无状态迭代器。

    4. 具有复杂状态的迭代器：
    在上面介绍的迭代器实现中，迭代器需要保存许多状态，可是泛型(for)却只提供了恒定状态和控制变量用于状态的保存。一个最简单的办法是使用closure。当然我们还以将所有的信息封装到一个table中，并作为恒定状态对象传递给迭代器。虽说恒定状态变量本身是恒定的，即在迭代过程中不会换成其它对象，但是该对象所包含的数据是否变化则完全取决于迭代器的实现。就目前而言，由于table类型的恒定对象已经包含了所有迭代器依赖的信息，那么迭代器就完全可以忽略泛型(for)提供的第二个参数。下面我们就给出一个这样的实例，见如下代码：

 
 1 local iterator
 2 function allwords()
 3     local state { line = io.read(), pos = 1 }
 4     return iterator, state
 5 end
 6 --iterator函数将是真正的迭代器
 7 function iterator(state)
 8     while state.line do
 9         local s,e = string.find(state.line,"%w+",state.pos)
10         if s then
11             state.pos = e + 1
12             return string.sub(state.line,s,e)
13         else
14             state.line = io.read()
15             state.pos = 1
16         end
17     end
18     return nil
19 end
 
 
 
 

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