ECMAScript Iterator 和 for...of 循环

ecmascript

ES6 Iterator 的遍历过程是什么样的

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（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,
}

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“链表”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 };
    }
    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
          };
        }
        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。

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 语法决定的。

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arr的Symbol.iterator属性，结果obj的for...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》一章）。

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arr的foo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。

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。

let 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[Symbol.iterator] is not a function

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]);
}

另一个方法是使用 Generator 函数将对象重新包装一下。

const obj = { a: 1, b: 2, c: 3 }
 
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。