Iterator和for...of循环

前端开发
2018年10月25日
428

Iterator的概念

JavaScript原有的表示“集合”的数据结构，主要是数组和对象，ES6又添加了Set和Map。这样就有了4种数据集合，用户还可以组合使用它们，定义自己的数据结构，比如数组的成员是Map，Map的成员是对象。这样就需要一种统一的接口机制来处理所有不同的数据结构。

遍历器（Iterator）就是这样一种机制。它是一种接口，为各种不同的数据结构提供统一的访问机制。任何数据结构，只要部署Iterator接口，就可以完成遍历操作（即依次处理该数据的所有成员）。

Iterator的作用有3个：一是为各种数据结构提供一个统一的、简便的访问接口；二是使得数据结构的成员能按某种次序排列；三是ES6创造了一种新的遍历命令——for...of循环，Iterartor接口主要供for...of消费。

Iterator的遍历过程是这样的：

  1. 创建一个指针对象，指向当前数据结构的起始位置。也就是说，遍历器对象本质上就是一个指针对象。

  2. 第一次调用指针对象的next方法，可以将指针指向数据结构的第一个成员。

  3. 第二次调用指针对象的next方法，指针就指向数据结构的第二个成员。

  4. 不断调用指针对象的next方法，直到它指向数据结构的结束位置。

每一次调用next方法，都会返回数据结构的当前成员的信息。具体来说，就是返回一个包含value和done两个属性的对象。其中value属性是当前成员的值，done属性是一个布尔值，表示遍历是否结束。

下面是一个模拟next方法返回值的例子：

js
var it = makeIterator(['a', 'b']);

it.next() // {value: 'a', done: false}
it.next() // {value: 'b', done: false}
it.next() // {value: undefined, done true}

function makeIterator (array) {
  var nextIndex = 0;
  return {
    next: function () {
      return nextIndex < array.length ?
        {value: array[nextIndex++], done: false} :
        {value: undefined, done: true};
    }
  }
}

上面的代码定义了一个makeIterator函数，它是一个遍历器生成函数，作为就是返回一个遍历器对数。对数组['a', 'b']执行这个函数，就会返回该数组的遍历器对象（即指针对象）it。

指针对象的next方法用于移动指针。开始时，指针指向数组的开始位置。然后，每次调用next方法，指针就会指向数组的下一个成员。第一次调用，指向a；第二次调用，指向b。

next方法返回一个对象，表示当前数据成员的信息。

总之，调用指针对象的next方法，就可以遍历事先给定的数据结构。

对于遍历器对象来说，done: false和value: undefined属性都是可以省略的，因此上面的makeIterator函数可以简写成下面的形式：

js
function makeIterator (array) {
  var nextIndex = 0;
  return {
    next: function () {
      return nextIndex < array.length ?
        {value: array[nextIndex++]} :
        {done: true};
    }
  }
}

由于Iterator只是把接口规格加到了数据结构上，所以，遍历器与所遍历的数据结构实际上分开的，完全可以写出没有对应数据结构的遍历器对象，或者说用遍历器对象模拟出数据结构。

下面是一个无限运行的遍历器对象的例子：

js
var it = idMaker();

it.next().value // 0
it.next().value // 1
it.next().value // 2
// ...

function idMaker () {
  var index = 0;

  return {
    next: function () {
      return {value: index++, done: false};
    }
  }
}

上面的例子中，遍历器生成函数idMaker返回一个遍历器对象。但是并没有对应的数据结构，或者说，遍历器对象自己描述了一个数据结构。

在ES6中，有些数据结构原生具有Iterator接口（比如数组），即不用任何处理就可以被for...of循环遍历，有些就不行（比如对象）。原因在于，这些数据结构原生部署了Symbol.iterator属性（详见下文），另外一些数据结构没有。凡是部署了Symbol.iterator属性的数据结构，就称为部署了遍历器接口。调用这个接口，就会返回一个遍历器对象。

如果使用TypeScript的写法，遍历器接口（Iterable）、指针对象（Iterator）和next方法返回值的规格可以描述如下：

js
interface Iterable {
  [Symbol.iterator]() : Iterator,
}

interface Iterator {
  [Symbol.iterator](): IterationResult,
}

interface IterationResult {
  value: any,
  done: boolean,
}

数据结构的默认Iterator接口

Iterator接口的目的，就是为所有数据提供一种统一的访问机制，即for...of循环（详见下文）。当使用for...of循环遍历某种数据结构时，该循环就会自动去寻找Iterator接口。

ES6规定，默认的Iterator接口部署在数据结构的Symbol.iterator属性，或者说，一个数据结构只要具有Symbol.iterator属性，就可以认为是“可遍历的”（iterable）。调用Symbol.iterator方法，就会得到当前数据结构默认的遍历器生成函数。Symbol。iterator本身是一个表达式，返回Symbol对象的iterator属性，这是一个预定义好的、类型为Symbol的特殊值，所以要放在方括号中（请参考第7种数据类型：Symbol）。

在ES6中，有3类数据结构原生具备Iterator接口：数组、某些类似数组的对象，以及Set和Map结构。

js
let arr = ['a', 'b', 'c'];
let iter = arr[Symbol.iterator]();

iter.next() // {value: 'a', done: false}
iter.next() // {value: 'b', done: false}
iter.next() // {value: 'c', done: false}
iter.next() // {value: undefined, done: true}

上面的代码中，变量arr是一个数组，原生具有遍历器接口,部署在arr的Symbol.iterator属性上。所以，调用这个属性就会得到遍历器对象。

对象之所以没有默认部署Iterator接口，是因为对象的哪个属性先遍历，哪个属性后遍历是不确定的，需要开发者手动指定。本质上，遍历器是一种线性处理，对于任何非线性的数据结构，部署遍历器接口就等于部署一种线性转换。不过严格地说，对象部署遍历器接口并不是很必须，因为这时对象实际上被当作Map结构。

一个对象如果要有可被for...of循环调用的Iterator接口，就必须在Symbol.iterator属性上部署遍历器生成方法（原型链上的对象具有该方法也可）。

js
class RangeIterator {
  constructor (start, stop) {
    this.value = start;
    this.stop = stop;
  }

  [Symbol.iterator] () { return this; }

  next () {
    var value = this.value;
    if (value < this.stop) {
      this.value++;
      return {done: false, value: value};
    } else {
      return {done: true, value: undefined};
    }
  }
}

function range (start, stop) {
  return new RangeIterator(start, stop);
}

for (var value of range(0, 3)) {
  console.log(value);
}

上面的代码是一个类部署Iterator接口的写法。Symbol.iterator属性对应一个函数，执行后返回当前对象的遍历器对象。

下面是通过遍历器实现指针结构的例子：

js
function Obj (value) {
  this.value = value;
  this.next = null;
}

Obj.prototype[Symbol.iterator] = function () {
  var iterator = {
    next: next
  };

  var currnet = this;

  function next () {
    if (current) {
      var value = current.value;
      var done = current == null;
      current = current.next;
      return {
        done: done,
        value: value
      }
    } else {
      return {
        done: true
      }
    }
  }

  return iterator;
}

var one = new Obj(1);
var two = new Obj(2);
var three = new Obj(3);

one.next = two;
tow.next = three;

for (var i of one) {
  console.log(i)
}

// 1
// 2
// 3

上面的代码首先在构造函数的原型链上部署了Symbol.iterator方法，调用该方法会返回遍历器对象iterator，调用该对象的next方法，在返回一个值的同时自动将内部指针移到下一个实例。

下面是另一个为对象添加Iterator接口的例子：

js
let obj = {
  data: ['hello', 'world'],
  [Symbol.iterator] () {
    const self = this;
    let index = 0;
    return {
      next () {
        if (index < self.data.length) {
          return {
            value: self.data[index++],
            done: false
          };
        } else {
          return {
            value: undefined,
            done: true
          };
        }
      }
    };
  }
}

对于类似数组的对象（存在数组键名和length属性），部署Iterator接口有一个简便方法，就是Symbol.iterator方法直接引用数组的Iterator接口。

js
NodeList.prototype[Symbol.iterator] = Array.prototype[Symbol.iterator];
// 或者
NodeList.prototype[Symbol.iterator] = [][Symbol.iterator];

[...document.querySelectorAll('div')] // 可以执行了。

下面是类似数组的对象调用数组的Symbol.iterator方法的例子：

js
let iterable = {
  0: 'a',
  1: 'b',
  2: 'c',
  length: 3,
  [Symbol.iterator]: Array.prototype[Symbol.iterator]
};

for (let item of iterable) {
  console.log(item); // 'a', 'b', 'c'
}

注意，普通对象部署数组的Symbol.iterator方法并无效果。

js
let iterable = {
  a: 'a',
  b: 'b',
  c: 'c',
  length: 3,
  [Symbol.iterator]: Array.prototype[Symbol.iterator]
};

for (let item of iterable) {
  console.log(item); // undefined, undefined, undefined
}

如果Symbol.iterator方法对应的不是遍历器生成函数（即会返回一个遍历器对象），解释引擎报错。

js
var obj = {};

obj[Symbol.iterator] = () => 1;

[...obj] // TypeError: [] is not a function

上面的代码中，变量obj的Symbol.iterator方法对应的不是遍历器生成函数，因此报错。

有了遍历器接口，数据结构就可以使用for...of循环遍历，也可以使用while循环遍历。

js
var $iterator = ITERABLE[Symbol.iterator]();
var $result = $iterator.next();
while (!$result.done) {
  var x = $result.value;
  // ...
  $result = $iterator.next();
}

上面的代码中，ITERABLE代表某种可遍历的数据结构，$iterator是它的遍历器对象。遍历器对象每次移动指针（next方法）都检查下一步返回值的done属性，如果遍历尚未结束，就移动指针到下一步，不断循环。

调用Itearator接口的场合

有一些场合会默认调用Iteartor接口（即Symbol.iterator方法），除了下文会介绍的for...of循环，还有几个别的场合。

解构赋值

对数组和Set结构进行解构赋值时，会默认调用Symbol.iterator方法。

js
let set = new Set().add('a').add('b').add('c');

let [x, y] = set;
// x = 'a'; y = 'b'

let [first, ...rest] = set;
// first = 'a', rest = ['b', 'c']

扩展运算符

js
// 例一
var str = 'hello';
[...str] // ['h', 'e', 'l', 'l', 'o']

// 例二
let arr = ['b', 'c'];
['a', ...arr, 'd'];
// ['a', 'b', 'c', 'd']

上面的扩展运算符内部就调用了Iterator接口。

实际上，这提供了一种简便机制，可以将任何部署了Iterator接口的数据结构转为数组。也就是说，只要某个数据结构部署了Iterator接口，就可以对它使用扩展运算符，将其转为数组。

yield*

yield*后面跟的是一个可遍历的结构，它会调用该结构的遍历器接口。

js
let generator = function* () {
  yield 1;
  yield* [2, 3, 4];
  yield 5;
};

var iterator = generator();

iterator.next() // {value: 1, done: false}
iterator.next() // {value: 2, done: false}
iterator.next() // {value: 3, done: false}
iterator.next() // {value: 4, done: false}
iterator.next() // {value: 5, done: false}
iterator.next() // {value: undefined, done: true}

其他场合

由于数组的遍历会调用遍历器接口，所以在任何接受数据作为参数的场合其实都调用了遍历器接口。下面是一些例子：

  • for...of
  • Array.from()
  • Map()、Set()、WeakMap()和WeakSet()（比如new Map([['a', 1], ['b', 2]])）
  • Promise.all()
  • Promise.race()

字符串的Iterator接口

字符串是一个类似数组的对象，也原生具有Iterator接口。

js
var someString = 'hi';
typeof someString[Symbol.iterator] // 'function'

var iterator = someString[Symbol.iterator]();

iterator.next() // {value: 'h', done: false}
iterator.next() // {value: 'i', done: false}
iterator.next() // {value: undefined, done: true}

可以覆盖原生的Symbol.iterator方法达到修改遍历器行为的目的。

js
var str = new String('hi');
[...str] // ['h', 'i']

str[Symbol.iterator] = function () {
  return {
    next: function () {
      if (this._first) {
        this._first = fasle;
        return {value: 'bye', done: false}
      } else {
        return {done: true}
      }
    },
    _first: true
  };
};

[...str] // ['bye']
str // 'hi'

Iterator接口和Generator函数

Symbol.iterator方法的最简单实现还是使用Generator函数(请参考Generator函数)。

js
var myIterable = {};

myIterable[Symbol.iterator] = function* () {
  yield 1;
  yield 2;
  yield 3;
};
[...myIterable] // [1, 2, 3]

// 或者采用下面的简洁写法
let obj = {
  * [Symbol.iterator] () {
    yield 'hello';
    yield 'world';
  }
};

for (let x of obj) {
  console.log(x);
}

// 'hello'
// 'world'

上面的代码中，Symbol.iterator方法几乎不用部署任何代码，只要用yield命令给出每一步的返回值即可。

遍历器对象的return()、throw()

遍历器对象除了具有next方法，还可以具有return方法和throw方法。如果你自己写遍历器对象生成函数，那么next方法是必须部署的，return方法和throw方法则是可选部署的。

return方法的使用场合是：如果for...of循环提前退出（通常是因为出错，或者有break语句或continue语句），就会调用return方法；如果一个对象在完成遍历前需要清理或释放资源，就可以部署return方法。

js
function readLinesSync (file) {
  return {
    next () {
      if (file.isAtEndOfFile()) {
        flie.close();
        return {done: true};
      }
    },
    return () {
      flie.close();
      return {done: true};
    }
  };
}

for (let line of readLinesSync(fileName)) {
  console.log(x);
  break;
}

注意，return方法必须返回一个对象，这是Generator规格决定的。

throw方法主要是配合Generator函数使用，一般的遍历器对象用不到这个方法。（请参阅Generator函数）。

for…of循环

ES6借鉴了C++、Java、C#和Python语言，引入了for...of循环作为遍历所有数据结构的统一方法。一个数据结构只要部署了Symbol.iterator属性，就被视为具有Iterator接口，就可以用for...of循环遍历它的成员。也就是说，for...of循环内部调用的是数据结构的Symbol.iterator方法。

for...of循环可以使用的范围包括数组、Set结构和Map结构、类似数组的对象（比如arguments对象、DOM NodeList对象）、Generator对象，以及字符串。

数组

数组原生具备Iterator接口，for...of循环本质上就是调用这个接口产生遍历器，这可以用下面的代码证明。

js
const arr = ['red', 'green', 'blue'];
let iterator = arr[Symbol.iterator]();

for (let v of arr) {
  console.log(v);
}
// 'red'
// 'green'
// 'blue'

for (let v of iterator) {
  console.log(v);
}
// 'red'
// 'green'
// 'blue'

上面的for...of循环的两种写法是等价的。

for...of循环可以代替数组实例的forEach方法。

js
const arr = ['red', 'green', 'blue'];

arr.forEach((element, index) => {
  console.log(element) // red green blue
  console.log(index) // 0 1 2
})

JavaScript原有的for...in循环，只能获得对象的键名，不能直接获取键值。ES6提供的for...of循环，允许遍历获得键值。如果要通过for...of循环获取数组的索引，可以借助数组实例的entries方法或keys方法（参考数组的扩展。）。

for...of循环调用遍历器接口，数组的遍历器接口只返回具有数字索引的属性。这一点与for...in循环也不一样。

js
let arr = [3, 5, 5];
arr.foo = 'hello';

for (let i in arr) {
  console.log(i); // '0' '1' '2' 'foo'
}

for (let i of arr) {
  console.log(i); // 3 5 5
}

上面的代码中，for...of循环不会返回数组arr的foo属性。

Set和Map结构

Set和Map结构也原生具有Iterator接口。

js
var engines = new Set(['Gecko', 'Trident', 'Webkit', 'Webkit']);
for (var e of engines) {
  console.log(e);
}
// 'Gecko'
// 'Trident'
// 'Webkit'

var es6 = new Map();
es6.set('edition', 6);
es6.set('committee', 'TC39');
se6.set('standard', 'ECMA-262');

for (var [name, value] of es6) {
  console.log(`${name}: ${value}`);
}
// edition: 6
// committee: TC39
// standard: ECMA-262

上面的代码演示了如何遍历Set结构和Map结构。值得注意的地方有两个：首先，遍历的顺序是按照各个成员被添加进数据结构的顺序；其次，Set结构遍历时返回的是一个值，而Map结构遍历时返回的是一个数组。

计算生成的数据结构

有些数据结构是在现有数据结构的基础上计算生成的。比如，ES6的数组、Set、Map都部署了以下3个方法，调用后都返回遍历器对象。

  • entries()
  • keys()
  • values()

这3个方法调用后生成的遍历器对象所遍历的都是计算生成的数据结构。

类似数组的对象

类似数组的对象包括好几类：字符串、DOM NodeList对象、arguments对象等。

对于字符串来说，for...of循环还有一个特点，就是会正确识别32位的UTF-16字符。

并不是所有类似数组的对象都具有Iterator接口。一个简便的解决方法，就是使用Array.from()方法将其转为数组。

js
let arrayLike = {
  length: 2,
  0: 'a',
  1: 'b'
};

// 报错
for (let x of arrayLike) {
  console.log(x);
}

// 正确
for (let x of Array.from(arrayLike)) {
  console.log(x);
}

对象

对于普通的对象，for...of循环不能直接使用，会报错，必须部署了Iterator接口才能使用。但是，这样的情况下，for...in循环依然可以用于遍历键名。

js
var es6 = {
  edition: 6,
  committee: 'TC39',
  standard: 'ECMA-262'
};

for (e in es6) {
  console.log(e)
}
// edition
// committee
// standard

for (e of es6) {
  console.log(e)
}
// TypeError: es6 is not iterable

一种解决方法是，使用Object.keys方法将对象的键名生成一个数组，然后遍历这个数组。

另一种方法就是使用Generator函数将对象重新包装一下。

js
function* entries (obj) {
  for (let key of Object.keys(obj)) {
    yield [key, obj[key]];
  }
}

for (let [key, value] of entries(obj)) {
  console.log(key, '->', value);
}

与其他遍历语法的比较

以数组为例，JavaScript提供了多种遍历语法。最原始的写法就是for循环。

js
for (var index = 0; index < myArray.length; index++) {
  console.log(myArray[index]);
}

这种写法比较麻烦，因此数组提供了内置的forEach方法。

js
myArray.forEach(function (value) {
  console.log(value);
});

这种写法的问题在于，无法中途跳出forEach循环，break命令或return命令都不能奏效。

for...in循环可以遍历数组的键名。有以下几个缺点：

  • 数组的键名是数字，但是for...in循环是以字符串作为键名，"0"、"1"、"2"等。
  • for...in循环不仅遍历数字键名，还会遍历手动添加的其他键，甚至包括原型链上的键。
  • 某些情况下，for...in循环会以任意顺序遍历键名。

总之，for...in循环主要是为遍历对象而设计的，不适用于遍历数组。

for...of循环相比上面几种做法有一些显著的优点：

  • 有着同for...in一样简洁的语法，但是没有for...in的那些缺点。
  • 不同于forEach方法，它可以与break、continue和return配合使用。
  • 提供了遍历所有数据结构的操作操作接口。

下面是一个使用break语句跳出for...of循环的例子：

js
for (var n of fibonacci) {
  if (n > 1000)
    break;
  
  console.log(n);
}

以上，摘抄自阮一峰老师的《ES6标准入门》

JavaScriptES6
Set和Map数据结构
Generator函数（上）