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Lua 迭代器与泛型for

2017-06-18 17:38 281 查看

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迭代器与闭包(closure)

泛型for的语义

无状态迭代器

具有复杂状态的迭代器

真正的迭代器

1:迭代器与闭包(closure)

迭代器就是一种可以遍历一种集合中所有元素的机制。迭代器通常为函数。

在Lua中，通常将迭代器表示为函数。每一次调用函数，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存一些状态，这样才能知道它所在的位置，以及下一次遍历的位置。Closure对于这类任务提供了极佳的支持。

闭包就是一个内部函数，可以访问一个或多个外部函数的局部变量。每次闭包的成功调用，这些外部的局部变量都会保存他们的值（状态）。所以如果要创建一个闭包，必须要创建其外部的局部变量。闭包必须包含2个函数，闭包的结构为：

闭包 =  闭包函数 + 工厂（创建闭包函数的工厂，有局部变量）


function values(t)                 --闭包工厂
local i = 0
return funciton()              --闭包 (closure)
i = i + 1
return t[i]
end
end


可以在一个
while
循环中使用这个迭代器：

t = {10,20,30}
iter = values(t)                   --创建迭代器
while true do
local element = iter()         --调用迭代器
if element == nil then
break
end
print(element)
end

output:
10
20
30


然而使用泛型
for in
则更为简单：

t = {10,20,30}
for element in values(t) do
print(element)
end


在泛型
for in
中，Lua内部帮忙我们保存了迭代器函数，因此不再需要iter变量，它在每次新迭代调用迭代器，并在迭代器返回
nil
时结束循环。

2:泛型for的语义

上面的不管是
while
for
的example中，都有一个明显的缺点：

在每次循环时都要创建新的闭包
closure
（在每次调用迭代函数
iter()
），在循环很大的时候开销会比较大。

因此，在这类情况下，希望可以通过泛型for自身来保存迭代器状态。

泛型
for
在循环过程内部保存了迭代器函数。实际上它保存了3个值：

一个迭代器函数，一个恒定状态(invariant state)【一般是数组或tab】，一个控制变量(control variable)【一般是数组的索引或tab的key】。

泛型
for
语法

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


[var-list]

一个或多个变量名的列表，以逗号分隔开。

[exp-list]

一个或多个表达式的列表，同样是以逗号分隔，通常表达式列表只有一个元素，即只对迭代器工厂的调用。

example:

for k , v in pairs(t) do
print(k,v)
end


泛型
for
的执行过程：

- 1:初始化，计算
in
后面的表达式的值，表达式应该返回
for
所需要的3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3个会自动补全nil，多出的部分会被忽略。

- 2:将状态常量（数组或表tab），控制变量（一般是数组的索引或tab的key）作为参数调用迭代函数。

- 3:将迭代函数返回的值赋给变量列表(var-list)。

- 4:如果返回第一个值为
nil
，则循环结束，否则执行循环体。

- 5:回到第二步，再次调用迭代函数。

将泛型
for
展开为
while


do
local _f,_s,_val = <explist>
while true do
local var_1,...var_n = _f(_s,_var)
_var = var_1
if _var == nil then
break
end
end
end


假设迭代函数为
f
,恒定状态为
s
，控制变量初值为
a0
。那么在循环控制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
值结束循环。如果for还有其他的变量，那么它们也会在每次调用
f
后获得额外的值。

3:无状态迭代器

所谓的“无状态迭代器”，就是一种自身不保存任何状态的迭代器，因此，我们可以在多个循环体中使用同一个无状态的迭代器，避免创建新的
closure
开销。

每一次迭代，迭代函数都使用2个变量（状态常量和控制变量）的值作为参数被调用，一个无状态的迭代器，只利用这2个值，可以获取到下一个元素。典型的例子就是ipairs，他遍历数组的每一个元素。

--【ipairs】

a = {"one","two","three"}
for i,v in ipairs a do
print(i,v)
end

output:

1 one
2 two
3 three


【ipairs的Lua实现】

在这里，迭代的状态就是需要遍历
table
（一个恒定状态，他不会在循环中改变），及当前的索引值（控制变量）。ipairs(工厂)在Lua中的实现。

local 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

local a = {"one","two","three"}

for i , v in ipairs(a) do
print(i,v)
end

output:

1 one
2 two
3 three


当Lua调用ipairs(a)开始循环时，他获取三个值：迭代函数iter、状态常量a、控制变量初始值0；然后Lua调用iter(a,0)返回1,a[1]（除非a[1]=nil）；第二次迭代调用iter(a,1)返回2,a[2]……直到第一个非nil元素。

【pairs】

函数
paris
和
ipairs
类似，也是遍历一个
table
中的所有元素。不同的是，它的迭代器函数是Lua中的一个基本函数
next
。

function pairs(t)
return nex,t,nil
end


在调用
next(t,k)
时，
k
是
table
t的一个
key
，此调用会以
table
中的任意次序返回一组值：

table
的下一个’key’，及这个
key
对应的值。而调用
next(t,nil)
时，返回
table
的第一组值。

若没有下一组值时，
next
返回
nil
。

–还可以不使用ipairs直接使用next

for k, v in next, c do
print(k,v)
end


4:具有复杂状态的迭代器

很多情况下，迭代器需要保存多个状态信息而不是简单的状态常量和控制变量，最简单的方法是使用闭包，还有一种方法就是将所有的状态信息封装到table内，将table作为迭代器的状态常量，因为这种情况下可以将所有的信息存放在table内，所以迭代函数通常不需要第二个参数。

尽可能地尝试编写无状态的迭代器，那些迭代器将所有的状态保存在for变量中，不需要在开始一个循环时创建任何新的对象。

如果迭代器无法套用这个模型，那么应该尝试使用
closure
，
closure
显得跟家优雅些，通常一个基于
closure
实现的迭代器会比创建一个
table
更廉价，其次访问“非局部变量”也比访问
table
字段更快。

协同程序(coroutine)可以用来别写迭代器。

5:真正的迭代器

迭代器的名字有一些误导，因为它并没有迭代，完成迭代功能的是for语句，也许更好的叫法应该是生成器（generator）

有一种方式创建一个在内部完成迭代的迭代器。这样当我们使用迭代器的时候就不需要使用循环了；我们仅仅使用每一次迭代需要处理的任务作为参数调用迭代器即可，具体地说，迭代器接受一个函数作为参数，并且这个函数在迭代器内部被调用。

funciton allwords(f)
for line in io.lines() do
for word in string.gmatch(line,"%w+") do
f(word)      --call the function
end
end
end


如果我们只想打印单词

allwrods(print)


更一般的做法是使用匿名函数作为参数。

local count = 0
allwords(function (w) if w == "hello" then count = count + 1 end end)
print(count)


真正的迭代器风格的写法在Lua老版本中很流行，那时还没有for循环。

两种风格的写法相差不大，但也有区别：一方面，第二种风格更容易书写和理解；另一方面，for结构更灵活，可以使用break和continue语句；在真正的迭代器风格写法中return语句只是从匿名函数中返回而不是退出循环。
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标签：  Lua-迭代器与泛型 Lua基础语法 Lua程序设计
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