Python-迭代器、生成器
生成器是 Python 初级开发者最难理解的概念之一,虽被认为是 Python 编程中的高级技能,但在各种项目中可以随处见到生成器的身影,你得不得去理解它、使用它、甚至爱上它。
提到生成器,总不可避免地要把迭代器拉出来对比着讲,生成器就是一个在行为上和迭代器非常类似的对象,如果把迭代器比作 Android 系统,那么生成器就是 iOS,二者功能上差不多,但是生成器更优雅。
什么是迭代器
顾名思义,迭代器就是用于迭代操作(for 循环
)的对象,它像列表一样可以迭代获取其中的每一个元素,任何实现了__next__
方法 (python2 是 next)的对象都可以称为迭代器。
它与列表的区别在于,构建迭代器的时候,不像列表把所有元素一次性加载到内存,而是以一种延迟计算(lazy evaluation)方式返回元素,这正是它的优点。比如列表含有中一千万个整数,需要占超过400M的内存,而迭代器只需要几十个字节的空间。因为它并没有把所有元素装载到内存中,而是等到调用 next 方法时候才返回该元素(按需调用 call by need 的方式,本质上 for 循环就是不断地调用迭代器的next方法)。
以斐波那契数列为例来实现一个迭代器
:
class Fib:
def __init__(self, n):
self.prev = 0
self.cur = 1
self.n = n
def __iter__(self):
return self
def __next__(self):
if self.n > 0:
value = self.cur
self.cur = self.cur + self.prev
self.prev = value
self.n -= 1
return value
else:
raise StopIteration()
# 兼容python2
def __next__(self):
return self.next()
f = Fib(10)
print([i for i in f])
#[1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55]
什么是生成器
知道迭代器之后,就可以正式进入生成器的话题了。普通函数用 return
返回一个值,和 Java 等其他语言是一样的,然而在 Python 中还有一种函数,用关键字yield
来返回值,这种函数叫生成器函数,函数被调用时会返回一个生成器对象,生成器本质上还是一个迭代器,也是用在迭代操作中,因此它有和迭代器一样的特性,唯一的区别在于实现方式上不一样,后者更加简洁
最简单的生成器函数:
>>> def func(n):
... yield n*2
...
>>> func
<function func at 0x00000000029F6EB8>
>>> g = func(5)
>>> g
<generator object func at 0x0000000002908630>
>>>
func 就是一个生成器函数,调用该函数时返回对象就是生成器 g ,这个生成器对象的行为和迭代器是非常相似的,可以用在 for 循环等场景中。注意 yield 对应的值在函数被调用时不会立刻返回,而是调用next方法时(本质上 for 循环也是调用 next 方法)才返回
>>> g = func(5)
>>> next(g)
10
>>> g = func(5)
>>> for i in g:
... print(i)
...
10
**那为什么要用生成器呢?**显然,用生成器在逼格上要比迭代器高几个等级,它没有那么多冗长代码了,而且性能上一样的高效,为什么不用呢?来看看用生成器实现斐波那契数列有多简单。
def fib(n):
prev, curr = 0, 1
while n > 0:
n -= 1
yield curr
prev, curr = curr, curr + prev
print([i for i in fib(10)])
#[1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55]
Python生成器
通过列表生成式,我们可以直接创建一个列表。但是,受到内存限制,列表容量肯定是有限的。而且,创建一个包含100万个元素的列表,不仅占用很大的存储空间,如果我们仅仅需要访问前面几个元素,那后面绝大多数元素占用的空间都白白浪费了。
所以,如果列表元素可以按照某种算法推算出来,那我们是否可以在循环的过程中不断推算出后续的元素呢?这样就不必创建完整的list,从而节省大量的空间。在Python中,这种一边循环一边计算的机制,称为生成器:generator
。
创建生成器的方式
- (1)通过
列表推导式(生成式)
- (2)通过
函数 + yield关键字
1、通过列表推导式创建
只要把一个列表生成式的[]
改成()
,就创建了一个generator:
>>> L = [x * x for x in range(10)]
>>> L
[0, 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81]
>>> g = (x * x for x in range(10))
>>> g
<generator object <genexpr> at 0x1022ef630>
我们可以直接打印出list的每一个元素,但我们怎么打印出generator的每一个元素呢?
如果要一个一个打印出来,可以通过next()
函数获得generator
的下一个返回值:
>>> next(g)
0
>>> next(g)
1
>>> next(g)
4
>>> next(g)
9
>>> next(g)
16
>>> next(g)
25
>>> next(g)
36
>>> next(g)
49
>>> next(g)
64
>>> next(g)
81
>>> next(g)
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
StopIteration
我们讲过,generator保存的是算法,每次调用next(g)
,就计算出g
的下一个元素的值,直到计算到最后一个元素,没有更多的元素时,抛出StopIteration
的错误。
当然,上面这种不断调用next(g)
实在是太变态了,正确的方法是使用for循环
,因为generator也是可迭代对象:
>>> g = (x * x for x in range(10))
>>> for n in g:
... print(n)
...
0
1
4
9
16
25
36
49
64
81
所以,我们创建了一个generator
后,基本上永远不会调用next()
,而是通过for循环
来迭代它,并且不需要关心StopIteration
的错误。
2、通过函数+yield关键字创建
如果推算的算法比较复杂,用类似列表生成式的for循环无法实现的时候,还可以用函数
来实现。
比如,著名的斐波拉契数列
(Fibonacci),除第一个和第二个数外,任意一个数都可由前两个数相加得到:
1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, …
斐波拉契数列用列表生成式
写不出来,但是,用函数把它打印出来却很容易:
def fib(max):
n, a, b = 0, 0, 1
while n < max:
print(b)
a, b = b, a + b
n = n + 1
return 'done'
上面的函数可以输出斐波那契数列的前N个数:
>>> fib(6)
1
1
2
3
5
8
'done'
仔细观察,可以看出,fib
函数实际上是定义了斐波拉契数列的推算规则,可以从第一个元素开始,推算出后续任意的元素,这种逻辑其实非常类似generator。
也就是说,上面的函数和generator仅一步之遥。要把fib
函数变成generator
,只需要把print(b)
改为yield b
就可以了:
def fib(max):
n, a, b = 0, 0, 1
while n < max:
yield b
a, b = b, a + b
n = n + 1
return 'done'
这就是定义generator的另一种方法。如果一个函数定义中包含yield
关键字,那么这个函数就不再是一个普通函数,而是一个generator
:
>>> f = fib(6)
>>> f
<generator object fib at 0x104feaaa0>
这里,最难理解的就是generator和函数的执行流程不一样。函数是顺序执行,遇到return
语句或者最后一行函数语句就返回。而变成generator的函数,在每次调用next()
的时候执行,遇到yield
语句返回,再次执行时从上次返回的yield
语句处继续执行。
yield关键字的作用是:return + 记忆上次代码执行的位置
。
举个简单的例子,定义一个generator,依次返回数字1,3,5:
def odd():
print('step 1')
yield 1
print('step 2')
yield(3)
print('step 3')
yield(5)
调用该generator时,首先要生成一个generator对象,然后用next()
函数不断获得下一个返回值:
>>> o = odd()
>>> next(o)
step 1
1
>>> next(o)
step 2
3
>>> next(o)
step 3
5
>>> next(o)
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
StopIteration
可以看到,odd
不是普通函数,而是generator,在执行过程中,遇到yield
就中断,下次又继续执行。执行3次yield
后,已经没有yield
可以执行了,所以,第4次调用next(o)
就报错。
回到fib
的例子,我们在循环过程中不断调用yield
,就会不断中断。当然要给循环设置一个条件来退出循环,不然就会产生一个无限数列出来。
同样的,把函数改成generator
后,我们基本上从来不会用next()
来获取下一个返回值,而是直接使用for循环
来迭代:
>>> for n in fib(6):
... print(n)
...
1
1
2
3
5
8
但是用for循环
调用generator时,发现拿不到generator的return
语句的返回值。如果想要拿到返回值,必须捕获StopIteration
错误,返回值包含在StopIteration
的value
中:
>>> g = fib(6)
>>> while True:
... try:
... x = next(g)
... print('g:', x)
... except StopIteration as e:
... print('Generator return value:', e.value)
... break
...
g: 1
g: 1
g: 2
g: 3
g: 5
g: 8
Generator return value: done