一丶Iterator 和 for…of 循环
1.Iterator(遍历器)的概念
Iterator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};}};}
2.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)。
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
-
3.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 };}};},};}
4.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。1.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 blueconsole.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。2.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// Webkitvar 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
3.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']
4.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'
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);}
5.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// standardfor (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。
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
6.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。
二丶Generator函数的语法
1.yield 表达式
由于 Generator 函数返回的遍历器对象,只有调用next方法才会遍历下一个内部状态,所以其实提供了一种可以暂停执行的函数。yield表达式就是暂停标志。
遍历器对象的next方法的运行逻辑如下。
(1)遇到yield表达式,就暂停执行后面的操作,并将紧跟在yield后面的那个表达式的值,作为返回的对象的value属性值。
(2)下一次调用next方法时,再继续往下执行,直到遇到下一个yield表达式。
(3)如果没有再遇到新的yield表达式,就一直运行到函数结束,直到return语句为止,并将return语句后面的表达式的值,作为返回的对象的value属性值。
(4)如果该函数没有return语句,则返回的对象的value属性值为undefined。
需要注意的是,yield表达式后面的表达式,只有当调用next方法、内部指针指向该语句时才会执行,因此等于为 JavaScript 提供了手动的“惰性求值”(Lazy Evaluation)的语法功能。
function* gen() {yield 123 + 456;}
上面代码中,yield后面的表达式123 + 456,不会立即求值,只会在next方法将指针移到这一句时,才会求值。
2.与 Iterator 接口的关系
上一章说过,任意一个对象的Symbol.iterator方法,等于该对象的遍历器生成函数,调用该函数会返回该对象的一个遍历器对象。
由于 Generator 函数就是遍历器生成函数,因此可以把 Generator 赋值给对象的Symbol.iterator属性,从而使得该对象具有 Iterator 接口。
var myIterable = {};myIterable[Symbol.iterator] = function* () {yield 1;yield 2;yield 3;};[...myIterable] // [1, 2, 3]
上面代码中,Generator 函数赋值给Symbol.iterator属性,从而使得myIterable对象具有了 Iterator 接口,可以被...运算符遍历了。
3.next 方法的参数
yield表达式本身没有返回值,或者说总是返回undefined。next方法可以带一个参数,该参数就会被当作上一个yield表达式的返回值。
function* f() {for(var i = 0; true; i++) {var reset = yield i;if(reset) { i = -1; }}}var g = f();g.next() // { value: 0, done: false }g.next() // { value: 1, done: false }g.next(true) // { value: 0, done: false }
上面代码先定义了一个可以无限运行的 Generator 函数f,如果next方法没有参数,每次运行到yield表达式,变量reset的值总是undefined。当next方法带一个参数true时,变量reset就被重置为这个参数(即true),因此i会等于-1,下一轮循环就会从-1开始递增。
这个功能有很重要的语法意义。Generator 函数从暂停状态到恢复运行,它的上下文状态(context)是不变的。通过next方法的参数,就有办法在 Generator 函数开始运行之后,继续向函数体内部注入值。也就是说,可以在 Generator 函数运行的不同阶段,从外部向内部注入不同的值,从而调整函数行为。
4.for…of 循环
for...of循环可以自动遍历 Generator 函数运行时生成的Iterator对象,且此时不再需要调用next方法。
function* foo() {yield 1;yield 2;yield 3;yield 4;yield 5;return 6;}for (let v of foo()) {console.log(v);}// 1 2 3 4 5
上面代码使用for...of循环,依次显示 5 个yield表达式的值。这里需要注意,一旦next方法的返回对象的done属性为true,for...of循环就会中止,且不包含该返回对象,所以上面代码的return语句返回的6,不包括在for...of循环之中。
5.Generator.prototype.throw()
Generator 函数返回的遍历器对象,都有一个throw方法,可以在函数体外抛出错误,然后在 Generator 函数体内捕获。
var g = function* () {try {yield;} catch (e) {console.log('内部捕获', e);}};var i = g();i.next();try {i.throw('a');i.throw('b');} catch (e) {console.log('外部捕获', e);}// 内部捕获 a// 外部捕获 b
上面代码中,遍历器对象i连续抛出两个错误。第一个错误被 Generator 函数体内的catch语句捕获。i第二次抛出错误,由于 Generator 函数内部的catch语句已经执行过了,不会再捕捉到这个错误了,所以这个错误就被抛出了 Generator 函数体,被函数体外的catch语句捕获。
6.Generator.prototype.return()
Generator 函数返回的遍历器对象,还有一个return方法,可以返回给定的值,并且终结遍历 Generator 函数。
function* gen() {yield 1;yield 2;yield 3;}var g = gen();g.next() // { value: 1, done: false }g.return('foo') // { value: "foo", done: true }g.next() // { value: undefined, done: true }
上面代码中,遍历器对象g调用return方法后,返回值的value属性就是return方法的参数foo。并且,Generator 函数的遍历就终止了,返回值的done属性为true,以后再调用next方法,done属性总是返回true。
如果return方法调用时,不提供参数,则返回值的value属性为undefined。
7.next()、throw()、return() 的共同点
next()、throw()、return()这三个方法本质上是同一件事,可以放在一起理解。它们的作用都是让 Generator 函数恢复执行,并且使用不同的语句替换yield表达式。
8.yield* 表达式
如果在 Generator 函数内部,调用另一个 Generator 函数。需要在前者的函数体内部,自己手动完成遍历。
function* foo() {yield 'a';yield 'b';}function* bar() {yield 'x';// 手动遍历 foo()for (let i of foo()) {console.log(i);}yield 'y';}for (let v of bar()){console.log(v);}// x// a// b// y
上面代码中,foo和bar都是 Generator 函数,在bar里面调用foo,就需要手动遍历foo。如果有多个 Generator 函数嵌套,写起来就非常麻烦。
ES6 提供了yield*表达式,作为解决办法,用来在一个 Generator 函数里面执行另一个 Generator 函数。
9.作为对象属性的 Generator 函数
如果一个对象的属性是 Generator 函数,可以简写成下面的形式。
let obj = {* myGeneratorMethod() {···}};
上面代码中,myGeneratorMethod属性前面有一个星号,表示这个属性是一个 Generator 函数。
它的完整形式如下,与上面的写法是等价的。
let obj = {myGeneratorMethod: function* () {// ···}};
三丶Generator 函数的异步应用
1.传统方法
ES6 诞生以前,异步编程的方法,大概有下面四种。
- 回调函数
- 事件监听
- 发布/订阅
- Promise 对象
Generator 函数将 JavaScript 异步编程带入了一个全新的阶段。
2.基本概念
异步
所谓”异步”,简单说就是一个任务不是连续完成的,可以理解成该任务被人为分成两段,先执行第一段,然后转而执行其他任务,等做好了准备,再回过头执行第二段。
比如,有一个任务是读取文件进行处理,任务的第一段是向操作系统发出请求,要求读取文件。然后,程序执行其他任务,等到操作系统返回文件,再接着执行任务的第二段(处理文件)。这种不连续的执行,就叫做异步。
相应地,连续的执行就叫做同步。由于是连续执行,不能插入其他任务,所以操作系统从硬盘读取文件的这段时间,程序只能干等着。
回调函数
JavaScript 语言对异步编程的实现,就是回调函数。所谓回调函数,就是把任务的第二段单独写在一个函数里面,等到重新执行这个任务的时候,就直接调用这个函数。回调函数的英语名字callback,直译过来就是”重新调用”。
读取文件进行处理,是这样写的。
fs.readFile('/etc/passwd', 'utf-8', function (err, data) {if (err) throw err;console.log(data);});
上面代码中,readFile函数的第三个参数,就是回调函数,也就是任务的第二段。等到操作系统返回了/etc/passwd这个文件以后,回调函数才会执行。
一个有趣的问题是,为什么 Node 约定,回调函数的第一个参数,必须是错误对象err(如果没有错误,该参数就是null)?
原因是执行分成两段,第一段执行完以后,任务所在的上下文环境就已经结束了。在这以后抛出的错误,原来的上下文环境已经无法捕捉,只能当作参数,传入第二段。
Promise
回调函数本身并没有问题,它的问题出现在多个回调函数嵌套。假定读取A文件之后,再读取B文件,代码如下。
fs.readFile(fileA, 'utf-8', function (err, data) {fs.readFile(fileB, 'utf-8', function (err, data) {// ...});});
不难想象,如果依次读取两个以上的文件,就会出现多重嵌套。代码不是纵向发展,而是横向发展,很快就会乱成一团,无法管理。因为多个异步操作形成了强耦合,只要有一个操作需要修改,它的上层回调函数和下层回调函数,可能都要跟着修改。这种情况就称为”回调函数地狱”(callback hell)。
Promise 对象就是为了解决这个问题而提出的。它不是新的语法功能,而是一种新的写法,允许将回调函数的嵌套,改成链式调用。采用 Promise,连续读取多个文件,写法如下。
var readFile = require('fs-readfile-promise');readFile(fileA).then(function (data) {console.log(data.toString());}).then(function () {return readFile(fileB);}).then(function (data) {console.log(data.toString());}).catch(function (err) {console.log(err);});
上面代码中,我使用了fs-readfile-promise模块,它的作用就是返回一个 Promise 版本的readFile函数。Promise 提供then方法加载回调函数,catch方法捕捉执行过程中抛出的错误。
可以看到,Promise 的写法只是回调函数的改进,使用then方法以后,异步任务的两段执行看得更清楚了,除此以外,并无新意。
Promise 的最大问题是代码冗余,原来的任务被 Promise 包装了一下,不管什么操作,一眼看去都是一堆then,原来的语义变得很不清楚。
那么,有没有更好的写法呢?
3.Generator 函数
协程
传统的编程语言,早有异步编程的解决方案(其实是多任务的解决方案)。其中有一种叫做”协程”(coroutine),意思是多个线程互相协作,完成异步任务。
协程有点像函数,又有点像线程。它的运行流程大致如下。
- 第一步,协程
A开始执行。 - 第二步,协程
A执行到一半,进入暂停,执行权转移到协程B。 - 第三步,(一段时间后)协程
B交还执行权。 - 第四步,协程
A恢复执行。
上面流程的协程A,就是异步任务,因为它分成两段(或多段)执行。
举例来说,读取文件的协程写法如下。
function* asyncJob() {// ...其他代码var f = yield readFile(fileA);// ...其他代码}
上面代码的函数asyncJob是一个协程,它的奥妙就在其中的yield命令。它表示执行到此处,执行权将交给其他协程。也就是说,yield命令是异步两个阶段的分界线。
协程遇到yield命令就暂停,等到执行权返回,再从暂停的地方继续往后执行。它的最大优点,就是代码的写法非常像同步操作,如果去除yield命令,简直一模一样。
协程的 Generator 函数实现
Generator 函数是协程在 ES6 的实现,最大特点就是可以交出函数的执行权(即暂停执行)。
整个 Generator 函数就是一个封装的异步任务,或者说是异步任务的容器。异步操作需要暂停的地方,都用yield语句注明。Generator 函数的执行方法如下。
function* gen(x) {var y = yield x + 2;return y;}var g = gen(1);g.next() // { value: 3, done: false }g.next() // { value: undefined, done: true }
Generator 函数的数据交换和错误处理
Generator 函数可以暂停执行和恢复执行,这是它能封装异步任务的根本原因。除此之外,它还有两个特性,使它可以作为异步编程的完整解决方案:函数体内外的数据交换和错误处理机制。next返回值的 value 属性,是 Generator 函数向外输出数据;next方法还可以接受参数,向 Generator 函数体内输入数据。
function* gen(x){var y = yield x + 2;return y;}var g = gen(1);g.next() // { value: 3, done: false }g.next(2) // { value: 2, done: true }
上面代码中,第一个next方法的value属性,返回表达式x + 2的值3。第二个next方法带有参数2,这个参数可以传入 Generator 函数,作为上个阶段异步任务的返回结果,被函数体内的变量y接收。因此,这一步的value属性,返回的就是2(变量y的值)。
Generator 函数内部还可以部署错误处理代码,捕获函数体外抛出的错误。
function* gen(x){try {var y = yield x + 2;} catch (e){console.log(e);}return y;}var g = gen(1);g.next();g.throw('出错了');// 出错了
上面代码的最后一行,Generator 函数体外,使用指针对象的throw方法抛出的错误,可以被函数体内的try...catch代码块捕获。这意味着,出错的代码与处理错误的代码,实现了时间和空间上的分离,这对于异步编程无疑是很重要的。
