博客园  :: 首页  :: 新随笔  :: 联系 :: 订阅 订阅  :: 管理

07生成器与迭代器

Posted on 2019-05-19 20:25  心默默言  阅读(202)  评论(0编辑  收藏  举报

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。

要创建一个generator,有很多种方法。第一种方法很简单,只要把一个列表生成式的[]改成(),就创建了一个generator:

In [1]:
L = [x + 1 for x in range(5)]
L
Out[1]:
[1, 2, 3, 4, 5]
In [2]:
g = (x + 1 for x in range(5))
g
Out[2]:
<generator object <genexpr> at 0x0000028E84D3D048>
 

创建L和g的区别仅在于最外层的[]和(),L是一个list,而g是一个generator。

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(or next())获得generator的下一个返回值:

In [3]:
next(g)
Out[3]:
1
In [4]:
next(g)
Out[4]:
2
In [5]:
next(g)
Out[5]:
3
In [6]:
next(g)
Out[6]:
4
In [7]:
next(g)
Out[7]:
5
In [8]:
next(g)
 
---------------------------------------------------------------------------
StopIteration                             Traceback (most recent call last)
<ipython-input-8-e734f8aca5ac> in <module>()
----> 1next(g)

StopIteration: 
 

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。

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:

In [9]:
g = (x * x for x in range(10))
for n in g:
    print(n, end="; ")
 
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。

 

通过使用yield关键字定义

 

生成器对象是通过使用yield关键字定义的函数对象,因此,生成器也是一个函数。生成器用于生成一个值得序列,以便在迭代器中使用。

In [12]:
"""
第一是直接作为脚本执行,
第二是import到其他的python脚本中被调用(模块重用)执行。
因此if __name__ == '__main__': 的作用就是控制这两种情况执行代码的过程,
在if __name__ == '__main__':下的代码只有在第一种情况下(即文件作为脚本直接执行)才会被执行,而import到其他脚本中是不会被执行的。
"""


def myYield(n):
    while n > 0:
        print('开始生成。。。')
        yield n
        print('完成一次。。。')
        n -= 1


if __name__ == '__main__':
    a = myYield(3)
    print('已经实例化生成器对象')  #     a.__next__()
    print('第二次调用__next__()方法:')
    a.__next__()
 
已经实例化生成器对象
第二次调用__next__()方法:
开始生成。。。
 

yield 语句是生成器中的关键语句,生成器在实例化时并不会被执行,而是等待调用其next()方法才开始运行。并且当程序运行完yield语句后就会“吼(hold)住”,即保持当前状态且停止运行,等待下一次遍历时才恢复运行。

程序运行的结果中的空行后的输出“已经实例化生成器对象”之前,已经实例化了生成器对象,但生成器并没有运行(没有输出‘开始生成’)。当第一次手工调用next()方法之后,才输出‘开始生成’,标志着生成器已经运行,而在输出‘’第二次调用next()方法‘’之前并没有输出‘完成一次’,说明yield语句运行之后就立即停止了。而第二次调用next()方法之后,才输出‘完成一次’,说明生成器的回复运行是从yield语句之后开始运行的

In [13]:
a.__next__()
 
完成一次。。。
开始生成。。。
Out[13]:
2
 

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:

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:

In [16]:
def fib(max):
    n, a, b = 0, 0, 1
    while n < max:
        print(b)
        a, b = b, a + b
        n = n + 1
    return 'done'
In [17]:
fib(5)
 
1
1
2
3
5
Out[17]:
'done'
 

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:

In [18]:
def fib(max):
    n, a, b = 0, 0, 1
    while n < max:
        # print(b)
        yield b
        a, b = b, a + b
        n += 1
    return 'well done'
 

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。

In [20]:
f = fib(5)
f
Out[20]:
<generator object fib at 0x0000028E84E8B570>
In [21]:
f.__next__()
Out[21]:
1
In [22]:
f.__next__()
Out[22]:
1
In [23]:
f.__next__()
Out[23]:
2
 

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:

In [24]:
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: well done
 

生成器在Python中是一个非常强大的编程结构,可以用更少地中间变量写流式代码,此外,相比其它容器对象它更能节省内存和CPU,当然它可以用更少的代码来实现相似的功能。现在就可以动手重构你的代码了,但凡看到类似

 

def something(): result = [] for ... in ...: result.append(x) return result

都可以用生成器函数来替换:

def iter_something(): result = [] for ... in ...: yield x

 

杨辉三角

期待输出:

In [25]:
def triangles():
    result = [1]
    while True:
        yield result
        result = [1] + [result[i] + result[i + 1] for i in range(len(result) - 1)] + [1]
In [26]:
n = 0
results = []
for t in triangles():
    print(t)
    results.append(t)
    n = n + 1
    if n == 10:
        break
if results == [
    [1],
    [1, 1],
    [1, 2, 1],
    [1, 3, 3, 1],
    [1, 4, 6, 4, 1],
    [1, 5, 10, 10, 5, 1],
    [1, 6, 15, 20, 15, 6, 1],
    [1, 7, 21, 35, 35, 21, 7, 1],
    [1, 8, 28, 56, 70, 56, 28, 8, 1],
    [1, 9, 36, 84, 126, 126, 84, 36, 9, 1]
]:
    print('测试通过!')
else:
    print('测试失败!')
 
[1]
[1, 1]
[1, 2, 1]
[1, 3, 3, 1]
[1, 4, 6, 4, 1]
[1, 5, 10, 10, 5, 1]
[1, 6, 15, 20, 15, 6, 1]
[1, 7, 21, 35, 35, 21, 7, 1]
[1, 8, 28, 56, 70, 56, 28, 8, 1]
[1, 9, 36, 84, 126, 126, 84, 36, 9, 1]
测试通过!
 

迭代器

 

可以直接作用于for循环的数据类型有以下几种:

一类是集合数据类型,如list,tuple,dict,set,str等 一类是generator ,包括生成器和带yeild的generator function

这些可以 直接作用于for循环的对象统称为可迭代对象:Iterable 可以被next()函数调用并不断返回下一个值的对象称为迭代器:Iterator

 

list,dict,str虽然是Iterable,却不是Iterator。

 

list,dict,str虽然是Iterable,却不是Iterator。

In [28]:
from collections import Iterator
from collections import Iterable

print(isinstance(a, Iterator))
print(isinstance(a, Iterable))
print(isinstance({}, Iterable))
print(isinstance('abc', Iterable))
 
False
True
True
True
 

生成器就是一个迭代器

In [29]:
a = (i for i in range(10))
print(next(a))
print(isinstance(a, Iterator))
 
0
True
 

iter()函数 创建迭代器

 

iter(iterable)#一个参数,要求参数为可迭代的类型

把list、dict、str等Iterable变成Iterator可以使用iter()函数:

In [30]:
print(isinstance({}, Iterator))
print(isinstance('abc', Iterator))
print(isinstance(iter({}), Iterator))
print(isinstance(iter('abc'), Iterator))
 
False
False
True
True
 

你可能会问,为什么list、dict、str等数据类型不是Iterator?

这是因为Python的Iterator对象表示的是一个数据流,Iterator对象可以被next()函数调用并不断返回下一个数据,直到没有数据时抛出StopIteration错误。可以把这个数据流看做是一个有序序列,但我们却不能提前知道序列的长度,只能不断通过next()函数实现按需计算下一个数据,所以Iterator的计算是惰性的,只有在需要返回下一个数据时它才会计算。 Iterator甚至可以表示一个无限大的数据流,例如全体自然数。而使用list是永远不可能存储全体自然数的。

 

小结

 

是可作用于for循环的对象都是Iterable类型;

凡是可作用于next()函数的对象都是Iterator类型,它们表示一个惰性计算的序列;

集合数据类型如list、dict、str等是Iterable但不是Iterator,不过可以通过iter()函数获得一个Iterator对象。

Python的for循环本质上就是通过不断调用next()函数实现的,例如:

In [31]:
for x in [1, 2, 3, 4, 5]:
    print(x,end=',')
 
1,2,3,4,5,
In [32]:
# 首先获得Iterator对象:
it = iter([1, 2, 3, 4, 5])
# 循环:
while True:
    try:
        # 获得下一个值:
        x = next(it)
        print(x, end=',')
    except StopIteration:
        # 遇到StopIteration就退出循环
        break
 
1,2,3,4,5,