ES6 Iterator(遍历器)

  • 定义和使用

    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 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。
    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 value 和 done 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: 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。
    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。
    如果使用 TypeScript 的写法,遍历器接口(Iterable)、指针对象(Iterable)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,
    }
    
  • 默认 Iterator 接口

    Iterable 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。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 Iterable 接口。
    一种数据结构只要部署了 Iterable 接口,我们就称这种数据结构是“可遍历的”(iterable)。
    ES6 规定,默认的 Iterable 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 iterable 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 value 和 done 两个属性。
    ES6 的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。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(比如对象)。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。
    原生具备 Iterator 接口的数据结构如下。
    • Array
    • Map
    • Set
    • String
    • TypedArray
    • 函数的 arguments 对象
    • NodeList 对象
    下面的例子是数组的 Symbol.iterator 属性。
    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 arr 的 Symbol.iterator 属性上面。所以,调用这个属性,就得到遍历器对象。
    对于原生部署 Iterator 接口的数据结构,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。
    一个对象如果要具备可被 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};
        }
        return {done: true, value: undefined};
      }
    }
    
    function range(start, stop) {
      return new RangeIterator(start, stop);
    }
    
    for (var value of range(0, 3)) {
      console.log(value); // 0, 1, 2
    }
    
    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
    
    NodeList 对象是类似数组的对象,本来就具有遍历接口,可以直接遍历。上面代码中,我们将它的遍历接口改成数组的 Symbol.iterator 属性,可以看到没有任何影响。
    下面是另一个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),除了下一章会介绍的 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 Generator 函数。
    let 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),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 {
        [Symbol.iterator]() {
          return {
            next() {
              return { done: false };
            },
            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。下面的两种情况,都会触发执行 return 方法。
    // 情况一
    for (let line of readLinesSync(fileName)) {
      console.log(line);
      break;
    }
    
    // 情况二
    for (let line of readLinesSync(fileName)) {
      console.log(line);
      throw new Error();
    }
    
    上面代码中,情况一输出文件的第一行以后,就会执行 return 方法,关闭这个文件;情况二会在执行 return 方法关闭文件之后,再抛出错误。
    注意,return 方法必须返回一个对象,这是 Generator 规格决定的。