Python自动化开发 - 生成器、迭代器

本节内容

1、列表生成式

2、生成器

3、迭代器

一、列表生成式

需求：把列表[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]里，每个元素都加1

# 复制版，重新绑定
a = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
b = []
for i in a:
    b.append(i + 1)
a = b

# enumerate版，原值修改
a = list(range(10))
print("a >:", a)
for index, value in enumerate(a):
    a[index] = value + 1
print("a+1 >:", a)

# map版
a = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
a = map(lambda x: x + 1, a)
print(a)         # <map object at 0x000000E7FFF7B898>
print(list(a))   # [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]

还有一种叫做列表生成式

# 列表生成式
a = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
b = [i + 1 for i in a]
print(b)

　

二、生成器

通过列表生成式，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：

>>> 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>　

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　

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)　

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。

generator非常强大。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)
        t = a +b
        b = a
        a = t
        n = n + 1
    return 'done'

    fib(10) # 调用函数fib

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:
        # print(b)
        yield b
        t = a +b
        b = a
        a = t
        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。

data = fib(10)
print(data)

print(data.__next__())
print(data.__next__())
print("do something else")
print(data.__next__())
print(data.__next__())
print(data.__next__())
print(data.__next__())
print(data.__next__())

#输出
<generator object fib at 0x101be02b0>
1
1
do something else
2
3
5
8
13

在上面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)

还可通过yield实现在单线程的情况下实现并发运算的效果

import time

def consumer(name):
    print("%s 准备吃包子啦！" % name)
    while True:
        baozi = yield   # 接收producer send过来的包子，赋值给包子变量
        print("包子【%s】来了，被【%s】吃了" % (baozi, name))

def producer(name):
    c1 = consumer("Jonathan")
    c2 = consumer("Linda")
    c1.__next__()
    c2.__next__()
    print("%s 开始做包子了" % name)
    for i in range(10):
        print("做了2个包子")
        c1.send(i)   # 调用next并传值给yield
        c2.send(i)

producer("Alex")

通过生成器实现协程并行运算

三、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yield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

可以使用isinstance()判断一个对象是否是Iterable对象：

>>> from collections import Iterable
>>> isinstance([], Iterable)
True
>>> isinstance({}, Iterable)
True
>>> isinstance('abc', Iterable)
True
>>> isinstance((x for x in range(10)), Iterable)
True
>>> isinstance(100, Iterable)
False

而生成器不但可以作用于for循环，还可以被next()函数不断调用并返回下一个值，直到最后抛出StopIteration错误表示无法继续返回下一个值

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

可以使用isinstance()判断一个对象是否是Iterator对象：

>>> from collections import Iterator
>>> isinstance((x for x in range(10)), Iterator)
True
>>> isinstance([], Iterator)
False
>>> isinstance({}, Iterator)
False
>>> isinstance('abc', Iterator)
False　

生成器都是Iterator对象，但list、dict、str虽然是Iterable，却不是Iterator

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

>>> isinstance(iter([]), Iterator)
True
>>> isinstance(iter('abc'), Iterator)
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

凡是可作用于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：

for x in [1, 2, 3, 4, 5]:
    pass

实际上完全等价于：

# 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)
    except StopIteration:
        # 遇到StopIteration就退出循环
        break