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Lua 迭代器與泛型 for 循環深度解析：從閉包到無狀態迭代器

編輯：Java 相關知識

迭代器是遍歷集合的核心抽象，Lua 通過閉包實現有狀態迭代器，通過泛型 for 的三值協議（迭代器函數、恆定狀態、控制變量）統一遍歷語義。本文從基礎模式進階到 ipairs/pairs 內部實現，揭示無狀態迭代器的高效原理。

一、最簡單的迭代器：閉包捕獲狀態

function values(t)
    local i = 0
    return function()  -- 閉包捕獲 i 和 t
        i = i + 1
        return t[i]
    end
end

local testTb = {10, 20, 30}
for v in values(testTb) do
    print(v)  -- 10, 20, 30
end

每次調用返回的匿名函數保持對 i 的引用，形成「函數+狀態」的迭代器模式。

二、泛型 for 的三值協議

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

執行流程：

求值 <exp-list>，必須返回三個值：迭代器函數、恆定狀態、控制變量初值。
循環體執行前，以 (恆定狀態, 控制變量) 調用迭代器函數。
將返回值賦值給 <var-list>。
若第一個返回值為 nil，循環終止；否則執行循環體，更新控制變量為第一個返回值，回到第 2 步。

等價 while 代碼：

do
    local _f, _s, _var = <exp-list>  -- 三值初始化
    while true do
        local var_1, ..., var_n = _f(_s, _var)
        _var = var_1  -- 控制變量更新
        if _var == nil then break end
        <body>
    end
end

三、無狀態迭代器：ipairs 實現原理

無狀態迭代器不保存自身狀態，完全依賴 恆定狀態（被遍歷表）和 控制變量（當前索引）計算下一元素。優勢：可在多個循環復用同一迭代器函數，避免創建閉包開銷。

ipairs 實現：

local function iter(a, i)  -- a: 恆定狀態(表), i: 控制變量(索引)
    i = i + 1
    local v = a[i]
    if v then return i, v end  -- 返回新控制變量 和 元素值
end

function ipairs(a)
    return iter, a, 0  -- 迭代器函數、恆定狀態、控制變量初值 0
end

使用示例：

local aTb = {"One", "Two", "Three"}
for i, v in ipairs(aTb) do
    print(i, v)  -- 1 One, 2 Two, 3 Three
end

pairs 實現（基於 next 基礎函數）：

function pairs(t)
    return next, t, nil  -- next 函數、表、初始控制變量 nil
end

next(t, k) 返回表中「下一個」鍵值對（無序）。next(t, nil) 返回第一對。可用 next(t, nil) == nil 判斷表是否為空。

四、ipairs vs pairs 核心差異

特性	ipairs	pairs
適用表類型	數組部分（整數鍵 1..n 連續）	任意表（含哈希部分）
遍歷順序	嚴格 1,2,3...n	無序（實現相關）
遇到 nil 值	直接終止遍歷	繼續遍歷其他鍵
返回鍵類型	整數索引	任意類型鍵
控制變量初值	0	nil

記憶口訣：ipairs = integer pairs（只遍歷整數鍵數組部分，有序、遇 nil 止）。

五、有狀態迭代器：表封裝狀態

當需要在遍歷過程中修改被遍歷表、或維護複雜遍歷上下文時，可用表保存狀態：

function makeStatefulIter(t)
    local state = { data = t, idx = 0, filtered = {} }
    return function()
        -- 可在此修改 state.filtered、state.idx 等
        state.idx = state.idx + 1
        return state.data[state.idx]
    end, state, 0  -- 將狀態表作為恆定狀態傳遞
end

此模式下，迭代器函數通過 恆定狀態 參數訪問並修改共享狀態表。

六、實戰：自定義過濾迭代器

function filter(t, predicate)
    local i = 0
    return function()
        i = i + 1
        while t[i] ~= nil do
            if predicate(t[i]) then return i, t[i] end
            i = i + 1
        end
        return nil
    end
end

-- 使用：只遍歷偶數
for i, v in filter({1,2,3,4,5,6}, function(x) return x%2==0 end) do
    print(i, v)  -- 2 2, 4 4, 6 6
end