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迭代器(英語:iterator),是使用户可在容器物件(container,例如鏈表或陣列)上遍訪的物件[1][2][3],設計人員使用此介面無需關心容器物件的内存分配的实现细节。其行为很像数据库技术中的游標(cursor),迭代器最早出现在1974年设计的CLU编程语言中。
在各種語言實作迭代器的方式皆不盡同,有些物件導向語言像Java、C#、Ruby、Python、Delphi都已將迭代器的特性內建語言當中,完美的跟語言整合,我們稱之隱式迭代器。但像是C++語言本身就沒有迭代器的特色,但STL仍利用模板實作了功能強大的迭代器。STL容器的數據的內存地址可能會重新分配(reallocate),與容器綁定的迭代器仍然可以定位到重新分配後的正確的內存地址。
内部的迭代器是高阶函数(通常接受匿名函数),比如map
、 reduce
等,它实现跨经一个容器的遍历,依次将给定函数应用到每个元素。
外部的迭代器可以被认为是某种类型的指针,它有两个主要操作:引用在一个对象搜集(collection)中的一个特定元素(称为元素访问),和修改自身使其指向下一个元素(称为元素遍历)[4]。还必须有一种方式建立迭代器并指向容器的第一个元素,还要有某种方式确定何时迭代器已经穷尽了容器中所有的元素。依据语言和意向用途,迭代器还可以提供额外的操作或展示不同的行为。
迭代器的主要用途是允许用户处理一个容器的所有元素,而将用户隔离于容器的内部结构[2]。这允许容器以任何它希望的方式存储元素,而允许用户把它们看作就是简单的序列或列表。迭代器类通常设计为紧密协作于对应的容器类。容器类通常提供建立迭代器的方法。
循环计数器有时也被称为循环迭代器。但是循环计数器只提供遍历功能而不提供访问功能。
实现迭代器的一种方式是使用受限形式的协程,也叫做生成器。不同于子例程,生成器协程可以向它的调用者多次产生返回值,而非只是返回一次。多数迭代器可自然的表达为生成器,但是因为生成器在被多次启用之间保存了自己的局部状态,它们特别适合于复杂的、有状态的迭代器,比如树遍历器。在不同的作者和语言之间,术语“生成器”和“迭代器”的用法上有微妙的差异和区别[5]。有些語言將二者視為同一介面,有些語言如JavaScript[6]則將之獨立化。在Python中,生成器是一个迭代器构造器,即返回一个迭代器的函数。下面的Python生成器返回一个斐波那契数列的迭代器,使用到了Python的yield
语句:
def fibonacci(limit):
a, b = 0, 1
for _ in range(limit):
yield a
a, b = b, a+b
for number in fibonacci(100): # 这个生成器构造了一个迭代器
print(number)
一些面向对象语言比如C#、C++(后期版本)、 Delphi(后期版本)、Go、Java(后期版本)、Lua、Perl、Python、Ruby,提供了迭代一个容器对象的元素的内置方式,而不用介入一个显式的迭代器对象。实际的迭代器对象可以在现实中存在,即便如此,它也不被暴露在这个语言的源代码中[4][7]。
隐式迭代器经常通过foreach
语句(或等价者)来显现出来,比如下面的Python例子:
for value in iterable:
print(value)
在Python中,可迭代者(iterable)是可以被转换成迭代器的一个对象,接着在这个for
循环期间从头至尾迭代它,这是隐含完成的。
在Smalltalk家族语言和受其启发的语言中,它们可以由搜集(collection)对象自身建立。比如下面Ruby例子:
iterable.each do |value|
puts value
end
这种迭代风格有时叫做“内部迭代”,因为它的代码完全执行在可迭代对象的上下文(context)之内(它控制迭代的所有方面),而编程者只提供在每个步骤要执行的运算操作(使用匿名函数)。
支持列表推导式或类似构造的语言,还可以在结果列表的构造期间使用隐式迭代器,比如在Python中:
names = [person.name for person in roster if person.male]
有时隐式迭代只能做到部份的隐藏实质。C++语言有一些用于隐式迭代的函数模板,比如for_each()
。这些函数仍要求显式的迭代器对象作为它们的初始输入,但是后续的迭代不将迭代器对象暴露给用户。
迭代器是对输入串流的一种有用的抽象,串流提供了潜在的无限可迭代的(但不必然可索引)的对象。一些语言,比如Perl和Python,将串流实现为迭代器。串流的可替代的实现包括数据驱动语言,比如AWK和sed。
不同的语言或它们所具有的函数库定义了自己的迭代器的类型,下面是一个(不完全)列表[11]:
在C#中,一種新形式的迭代器提供了函數語言程式設計中的生成器,使用yield return
類似於Python中使用的yield
// Method that takes an iterable input (possibly an array)
// and returns all even numbers.
public static IEnumerable<int> GetEven(IEnumerable<int> numbers)
{
foreach(int i in numbers)
{
if (i % 2 == 0) yield return i;
}
}
template<typename InputIterator>
void printall(InputIterator first, InputIterator last)
{
for(; first != last; ++first)
{
std::cout << *first << std::endl;
}
}
Java JDK 1.2 版開始支持迭代器。每一個迭代器提供next()
以及hasNext()
方法,同時也支持remove()。
Iterator iter = list.iterator();
//Iterator<MyType> iter = list.iterator(); in J2SE 5.0
while (iter.hasNext())
System.out.println(iter.next());
在Python中,迭代器是语言的基础部份,而在很多情况下是不可见的,因为它们隐含的用在了for
(foreach)语句、列表推导式和生成器表达式之中。Python标准内建的所有搜集类型都支持迭代,还有很多支持它的类也是标准库的一部分。下面的例子展示典型的在序列(如列表、元组、字典、集合等)上的隐式迭代:
for value in sequence:
print(value)
Python字典(某种形式的关联数组),在字典返回了键(key)的时候,可以直接在其上进行迭代:
for key in dictionary:
value = dictionary[key]
print(key, value)
或者在字典items
方法产生元组形式的对应键-值对的时候,在其上进行迭代:
for key, value in dictionary.items():
print(key, value)
但是迭代器也可以被显式的使用和定义。对于一个可迭代的序列类型或类,内建的函数iter()
可用来建立一个迭代对象。接着可以通过next()
函数对这个迭代对象进行迭代;这个函数在内部使用__next__()
方法,它返回这个容器中的下一个元素。(前面的叙述适用于Python 3.x,在Python 2.x中要使用等价的next()
方法。)当没有元素剩余的时候,引发StopIteration
异常。下面的例子展示与前例等价的使用显式迭代器的在序列上的迭代:
it = iter(sequence)
while True:
try:
#value = it.next() # in Python 2.x
value = next(it) # in Python 3.x
except StopIteration:
break
print(value)
任何用户定义的类都可以通过定义返回迭代器对象的__iter__()
方法,支持标准迭代(无论隐式还是显式)。接着迭代器对象需要定义返回下一个元素的__next__()
方法。
Ruby程序員可以用yield關鍵字定義迭代器,又將迭代器和生成器分开。
0..42.each do |n|
puts n
end
...以及...
for n in 0..42
puts n
end
使用Rust可以对向量的元素进行迭代,或者创建自己的迭代器。 每个迭代器都有适配器(map,filter,skip,take……)。
for n in 0..42 {
println!("{}", n);
}
fibonacci()下面是一个自定义迭代器。
for i in fibonacci().skip(4).take(4) {
println!("{}", i);
}
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