(第十三章)Iterator和for…of循环

Iterator和for…of循环

Iterator(遍历器)的概念

JavaScript原有的表示“集合”的数据结构,主要是数组(Array)和对象(Object),ES6又添加了Map和Set。这样就有了四种数据集合,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(即依次处理该数据结构的所有成员)。

Iterator的作用有三个: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够按某种次序排列;三是ES6创造了一种新的遍历命令for...of循环,Iterator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valuedone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。

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};
    }
  };
}

上面代码定义了一个makeIterator函数,它是一个遍历器生成函数,作用就是返回一个遍历器对象。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,用来移动指针。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。这个对象具有valuedone两个属性,value属性返回当前位置的成员,done属性是一个布尔值,表示遍历是否结束,即是否还有必要再一次调用next方法。

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: falsevalue: 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。

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数据结构之上,所以,遍历器与它所遍历的那个数据结构,实际上是分开的,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。

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(即指针对象)。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出来。

在ES6中,有些数据结构原生具备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。

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

interface Iterator {
  next(value?: any) : IterationResult,
}

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

数据结构的默认Iterator接口

Iterator接口的目的,就是为所有数据结构,提供了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,该循环会自动去寻找Iterator接口。

一种数据结构只要部署了Iterator接口,我们就称这种数据结构是”可遍历的“(iterable)。

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)。Symbol.iterator属性本身是一个函数,就是当前数据结构默认的遍历器生成函数。执行这个函数,就会返回一个遍历器。至于属性名Symbol.iterator,它是一个表达式,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,所以要放在方括号内。(参见Symbol一章)。

const obj = {
  [Symbol.iterator] : function () {
    return {
      next: function () {
        return {
          value: 1,
          done: true
        };
      }
    };
  }
};

上面代码中,对象obj是可遍历的(iterable),因为具有Symbol.iterator属性。执行这个属性,会返回一个遍历器对象。该对象的根本特征就是具有next方法。每次调用next方法,都会返回一个代表当前成员的信息对象,具有valuedone两个属性。

在ES6中,有三类数据结构原生具备Iterator接口:数组、某些类似数组的对象、Set和Map结构。

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 }

上面代码中,变量arr是一个数组,原生就具有遍历器接口,部署在arrSymbol.iterator属性上面。所以,调用这个属性,就得到遍历器对象。

上面提到,原生就部署Iterator接口的数据结构有三类,对于这三类数据结构,不用自己写遍历器生成函数,for...of循环会自动遍历它们。除此之外,其他数据结构(主要是对象)的Iterator接口,都需要自己在Symbol.iterator属性上面部署,这样才会被for...of循环遍历。

对象(Object)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要,因为这时对象实际上被当作Map结构使用,ES5没有Map结构,而ES6原生提供了。

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的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)。

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。

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

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

  var current = this;

  function next() {
    if (current) {
      var value = current.value;
      current = current.next;
      return {
        done: false,
        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;
two.next = three;

for (var i of one){
  console.log(i);
}
// 1
// 2
// 3

上面代码首先在构造函数的原型链上部署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。

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(存在数值键名和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。

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。

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。

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),解释引擎将会报错。

var obj = {};

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

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

上面代码中,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,数据结构就可以用for...of循环遍历(详见下文),也可以使用while循环遍历。

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

上面代码中,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),都检查一下返回值的done属性,如果遍历还没结束,就移动遍历器对象的指针到下一步(next方法),不断循环。

调用Iterator接口的场合

有一些场合会默认调用Iterator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。

(1)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。

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'];

(2)扩展运算符

扩展运算符(…)也会调用默认的iterator接口。

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

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

上面代码的扩展运算符内部就调用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。

let arr = [...iterable];

**(3)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。

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 }

(4)其他场合

由于数组的遍历会调用遍历器接口,所以任何接受数组作为参数的场合,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(), 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。

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 }

上面代码中,调用Symbol.iterator方法返回一个遍历器对象,在这个遍历器上可以调用next方法,实现对于字符串的遍历。

可以覆盖原生的Symbol.iterator方法,达到修改遍历器行为的目的。

var str = new String("hi");

[...str] // ["h", "i"]

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

[...str] // ["bye"]
str // "hi"

上面代码中,字符串str的Symbol.iterator方法被修改了,所以扩展运算符(...)返回的值变成了bye,而字符串本身还是hi

Iterator接口与Generator函数

Symbol.iterator方法的最简单实现,还是使用下一章要介绍的Generator函数。

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方法是否部署是可选的。

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。

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

上面代码中,函数readLinesSync接受一个文件对象作为参数,返回一个遍历器对象,其中除了next方法,还部署了return方法。下面,我们让文件的遍历提前返回,这样就会触发执行return方法。

for (let line of readLinesSync(fileName)) {
  console.log(line);
  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》一章。

for…of循环

ES6 借鉴 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的方法。

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 和 Map 结构、某些类似数组的对象(比如arguments对象、DOM NodeList 对象)、后文的 Generator 对象,以及字符串。

数组

数组原生具备iterator接口(即默认部署了Symbol.iterator属性),for...of循环本质上就是调用这个接口产生的遍历器,可以用下面的代码证明。

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

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

const obj = {};
obj[Symbol.iterator] = arr[Symbol.iterator].bind(arr);

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

上面代码中,空对象obj部署了数组arrSymbol.iterator属性,结果objfor...of循环,产生了与arr完全一样的结果。

for...of循环可以代替数组实例的forEach方法。

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

arr.forEach(function (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for...of循环,允许遍历获得键值。

var arr = ['a', 'b', 'c', 'd'];

for (let a in arr) {
  console.log(a); // 0 1 2 3
}

for (let a of arr) {
  console.log(a); // a b c d
}

上面代码表明,for...in循环读取键名,for...of循环读取键值。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方法和keys方法,参见《数组的扩展》章节。

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。这一点跟for...in循环也不一样。

let arr = [3, 5, 7];
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", "7"
}

上面代码中,for...of循环不会返回数组arrfoo属性。

Set和Map结构

Set和Map结构也原生具有Iterator接口,可以直接使用for...of循环。

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

上面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,该数组的两个成员分别为当前Map成员的键名和键值。

let map = new Map().set('a', 1).set('b', 2);
for (let pair of map) {
  console.log(pair);
}
// ['a', 1]
// ['b', 2]

for (let [key, value] of map) {
  console.log(key + ' : ' + value);
}
// a : 1
// b : 2

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都部署了以下三个方法,调用后都返回遍历器对象。

  • entries() 返回一个遍历器对象,用来遍历[键名, 键值]组成的数组。对于数组,键名就是索引值;对于Set,键名与键值相同。Map结构的iterator接口,默认就是调用entries方法。
  • keys() 返回一个遍历器对象,用来遍历所有的键名。
  • values() 返回一个遍历器对象,用来遍历所有的键值。

这三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。

let arr = ['a', 'b', 'c'];
for (let pair of arr.entries()) {
  console.log(pair);
}
// [0, 'a']
// [1, 'b']
// [2, 'c']

类似数组的对象

类似数组的对象包括好几类。下面是for...of循环用于字符串、DOM NodeList对象、arguments对象的例子。

// 字符串
let str = "hello";

for (let s of str) {
  console.log(s); // h e l l o
}

// DOM NodeList对象
let paras = document.querySelectorAll("p");

for (let p of paras) {
  p.classList.add("test");
}

// arguments对象
function printArgs() {
  for (let x of arguments) {
    console.log(x);
  }
}
printArgs('a', 'b');
// 'a'
// 'b'

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UTF-16字符。

for (let x of 'a\uD83D\uDC0A') {
  console.log(x);
}
// 'a'
// '\uD83D\uDC0A'

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。

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结构不能直接使用,会报错,必须部署了iterator接口后才能使用。但是,这样情况下,for...in循环依然可以用来遍历键名。

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

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

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

上面代码表示,对于普通的对象,for...in循环可以遍历键名,for...of循环会报错。

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。

for (var key of Object.keys(someObject)) {
  console.log(key + ": " + someObject[key]);
}

在对象上部署iterator接口的代码,参见本章前面部分。一个方便的方法是将数组的Symbol.iterator属性,直接赋值给其他对象的Symbol.iterator属性。比如,想要让for...of环遍历jQuery对象,只要加上下面这一行就可以了。

jQuery.prototype[Symbol.iterator] =
  Array.prototype[Symbol.iterator];

另一个方法是使用Generator函数将对象重新包装一下。

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);
}
// a -> 1
// b -> 2
// c -> 3

与其他遍历语法的比较

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

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

这种写法比较麻烦,因此数组提供内置的forEach方法。

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。

for (var index in myArray) {
  console.log(myArray[index]);
}

for…in循环有几个缺点。

  • 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。

for (let value of myArray) {
  console.log(value);
}
  • 有着同for…in一样的简洁语法,但是没有for…in那些缺点。
  • 不同用于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统一操作接口。

下面是一个使用break语句,跳出for...of循环的例子。

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

上面的例子,会输出斐波纳契数列小于等于1000的项。如果当前项大于1000,就会使用break语句跳出for...of循环。

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