深入探究for...range语句

1. 引言

在Go语言中，我们经常需要对数据集合进行遍历操作。对于数组来说，使用for语句可以很方便地完成遍历。然而，当我们面对其他数据类型，如map、string 和 channel 时，使用普通的for循环无法直接完成遍历。为了更加便捷地遍历这些数据类型，Go语言引入了for...range语句。本文将以数组遍历为起点，逐步介绍for...range语句在不同数据类型中的应用。

2. 问题引入

假设我们有一个整数数组，我们想要遍历数组中的每个元素并对其进行处理。在这种情况下，我们可以使用for语句结合数组的长度来实现遍历，例如：

package main

import "fmt"

func main() {
    numbers := [5]int{1, 2, 3, 4, 5}

    for i := 0; i < len(numbers); i++ {
        fmt.Println(numbers[i])
    }
}

在上述代码中，我们定义了一个整数数组numbers，通过普通的for循环遍历了数组并打印了每个元素。然而，当我们遇到其他数据类型时，如map、string 或者channel时，此时使用for语句将无法简单对其进行遍历。那有什么方式能够方便完成对map，string等类型的遍历呢？

事实上，go语言中存在for....range语句，能够实现对这些类型的遍历，下面我们来仔细介绍下for...range。

3. 基本介绍

在Go语言中，for...range语句为遍历数组、切片、映射和通道等数据结构提供了一种便捷的方式。它隐藏了底层的索引或迭代器等细节，是Go语言为遍历各种数据结构提供的一种优雅而简洁的语法糖，使得遍历操作更加方便和直观。下面仔细简介使用for...range完成对切片, map, channel的遍历操作。

3.1 遍历切片

当使用for...range语句遍历切片时，它会逐个迭代切片中的元素，并将索引和对应的值赋值给指定的变量。示例代码如下:

numbers := [5]int{1, 2, 3, 4, 5}

for index, value := range numbers {
    // 在这里处理 index 和 value
}

其中numbers 是我们要遍历的切片。index 是一个变量，它在每次迭代中都会被赋值为当前元素的索引（从0开始）。value 是一个变量，它在每次迭代中都会被赋值为当前元素的值。

如果只关注切片中的值而不需要索引，可以使用下划线 _ 替代索引变量名，以忽略它：

numbers := []int{1, 2, 3, 4, 5}

for _, value := range numbers {
    fmt.Println("Value:", value)
}

这样，循环体只会打印出切片中的值而不显示索引。

通过for...range语句遍历切片，我们可以简洁而直观地访问切片中的每个元素，无需手动管理索引，使得代码更加简洁和易读。

3.2 遍历map

当使用for...range语句遍历map时，它会迭代映射中的每个键值对，并将键和对应的值赋值给指定的变量。示例代码如下:

students := map[string]int{
    "Alice":   25,
    "Bob":     27,
    "Charlie": 23,
}

for key, value := range students {
    // 在这里处理 key 和 value
}

这里for...range会遍历所有的键值对，无需我们去手动处理迭代器的逻辑，即可完成对map的遍历操作。

3.3 遍历string

当使用for...range语句遍历字符串时，它会逐个迭代字符串中的字符，并将每个字符的索引和值赋值给指定的变量。以下是遍历字符串的示例代码：

text := "Hello, 世界!"

for index, character := range text {
    fmt.Printf("Index: %d, Character: %c\n", index, character)
}

输出结果为：

Index: 0, Character: H
Index: 1, Character: e
Index: 2, Character: l
Index: 3, Character: l
Index: 4, Character: o
Index: 5, Character: ,
Index: 6, Character:  
Index: 7, Character: 世
Index: 10, Character: 界

需要注意的是，Go语言中的字符串是以UTF-8编码存储的，UTF-8是一种变长编码，不同的Unicode字符可能会占用不同数量的字节。而index的值表示每个字符在字符串中的字节索引位置，所以字符的索引位置并不一定是连续的。

这里通过for...range语句遍历字符串，我们可以方便地处理每个字符，无需手动管理索引和字符编码问题，使得处理字符串的逻辑更加简洁和易读。

3.4 遍历channel

当使用for...range语句遍历channel时，它会迭代通道中的每个值，直到通道关闭为止。下面是一个示例代码:

ch := make(chan int)

// 向通道写入数据的例子
go func() {
    ch <- 1
    ch <- 2
    ch <- 3
    close(ch)
}()

// 将输出 1 2 3
for value := range ch {
    fmt.Println("Value:", value)
}

在示例中，我们向通道写入了3个整数值。然后，使用for...range语句遍历通道，从中获取每个值并进行处理。

需要注意的是，如果通道中没有数据可用，for...range语句会阻塞，直到有数据可用或通道被关闭。因此，当通道中没有数据时，它会等待数据的到达。

通过for...range语句遍历通道，可以非常方便得不断从channel中取出数据，然后对其进行处理。

4. 注意事项

for...range语句可以认为是go语言的一个语法糖，简化了我们对不同数据结构的遍历操作，但是使用for...range语句还是存在一些注意事项的，充分了解这些注意事项，能够让我们更好得使用该特性，下面我们将对其来进行叙述。

4.1 迭代变量是会被复用的

当使用for...range循环时，迭代变量是会被复用的。这意味着在每次循环迭代中，迭代变量都将被重用，而不是在每次迭代中创建一个新的迭代变量。

下面是一个简单的示例代码，演示了迭代变量被复用的情况：

package main

import "fmt"

func main() {
        numbers := []int{1, 2, 3, 4, 5}

        for _, value := range numbers {
           go func() {
              fmt.Print(strconv.Itoa(value) + " ")
           }()
        }
}

在上述代码中，我们使用for...range循环遍历切片numbers，并在每次循环迭代中创建一个匿名函数并启动一个goroutine。该匿名函数打印当前迭代的value变量。下面是一个可能的结果:

4 5 5 5 5

出现这个结果的原因，就是由于迭代变量被复用，所有的goroutine都会共享相同的value变量。当goroutine开始执行时，它们可能会读取到最后一次迭代的结果，而不是预期的迭代顺序。这会导致输出结果可能是重复的数字或者不按照预期的顺序输出。

如果不清楚迭代变量会被复用的特点，这个在某些场景下可能会导致意料之外结果的出现。因此，如果for...range循环中存在并发操作，延迟函数等操作时，同时也依赖于迭代变量的值，这个时候需要确保在循环迭代中创建新的副本，以避免意外的结果。

4.2 参与迭代的为range表达式的副本数据

对于for...range循环，是使用range表达式的副本数据进行迭代。这意味着迭代过程中对原始数据的修改，并不会对迭代的结果造成影响，一个简单的代码示例如下:

package main

import "fmt"

func main() {
        numbers := [5]int{1, 2, 3, 4, 5}
        for i, v := range numbers {
           if i == 0 {
              numbers[1] = 100 // 修改原始数据的值
              numbers[2] = 200
           }
           fmt.Println("Index:", i, "Value:", v)
        }
}

在上述代码中，我们使用for...range循环遍历数组numbers, 然后在循环体内修改了数组中元素的值。遍历结果如下:

Index: 0 Value: 1
Index: 1 Value: 2
Index: 2 Value: 3
Index: 3 Value: 4
Index: 4 Value: 5

可以看到，虽然在迭代过程中，对numbers进行遍历，但是并没有影响到遍历的结果。从这里也可以证明，参与迭代的为range表达式的副本数据，而不是副本数据。

如果循环中的操作，需要依赖中间修改后的数据结果，此时最好分成两个遍历，首先遍历数据，修改其中的数据，之后再遍历修改后的数据。对上述代码改进如下:

numbers := [5]int{1, 2, 3, 4, 5}
// 1. 第一个遍历修改数据
for i, _ := range numbers {
   if i == 0 {
      numbers[1] = 100 // 修改原始数据的值
      numbers[2] = 200
   }

}
// 2. 第二个遍历输出数据
for i, v := range numbers {
   fmt.Println("Index:", i, "Value:", v)
}

这次遍历的结果，就是修改后的数据，如下:

Index: 0 Value: 1
Index: 1 Value: 100
Index: 2 Value: 200
Index: 3 Value: 4
Index: 4 Value: 5

4.3 map遍历顺序是不确定的

对于Go语言中的map类型，遍历其键值对时的顺序是不确定的，下面是一个简单代码的示例:

package main

import "fmt"

func main() {
        data := map[string]int{
                "apple":  1,
                "banana": 2,
                "cherry": 3,
        }

        for key, value := range data {
                fmt.Println(key, value)
        }
}

运行上述代码，每次输出的结果可能是不同的，即键值对的顺序是不确定的。有可能第一次运行的结果为:

banana 2
cherry 3
apple 1

然后第二次运行的结果又与第一次运行的结果不同，可能为:

apple 1
banana 2
cherry 3

从这个例子可以证明，对map进行遍历，其遍历顺序是不固定的，所以我们需要注意，不能依赖map的遍历顺序。

如果需要每次map中的数据按照某个顺序输出，此时可以先把key保存到切片中，对切片按照指定的顺序进行排序，之后遍历排序后的切片，并使用切片中的key来访问map中的value。此时map中的数据便能够按照指定的顺序来输出，下面是一个简单的代码代码示例:

package main

import (
        "fmt"
        "sort"
)

func main() {
        data := map[string]int{
                "apple":  1,
                "banana": 2,
                "cherry": 3,
        }

        // 创建保存键的切片
        keys := make([]string, 0, len(data))
        for key := range data {
                keys = append(keys, key)
        }

        // 对切片进行排序
        sort.Strings(keys)

        // 按照排序后的键遍历map
        for _, key := range keys {
                value := data[key]
                fmt.Println(key, value)
        }
}

5. 总结

本文对Go语言中的for...range进行了基本介绍，首先从一个简单遍历问题出发，发现基本的for语句似乎无法简单实现对string，map等类型的遍历操作，从而引出了for...range语句。

接着我们仔细介绍了，如何使用for...range对string,map,channel等类型的遍历操作。然后我们再仔细介绍了使用for...range的三个注意事项，如参与迭代的为range表达式的副本数据。通过对这些注意事项的了解，我们能够更好得使用for...range语句，避免出现预料之外的情况。

基于以上内容，完成了对for...range的介绍，希望能帮助你更好地理解和使用这个重要的Go语言特性。