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张乾
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专栏/Python核心技术与实战/19深入理解迭代器和生成器.md Normal file
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19 深入理解迭代器和生成器
你好，我是景霄。
在第一次接触 Python 的时候，你可能写过类似 for i in [2, 3, 5, 7, 11, 13]: print(i) 这样的语句。for in 语句理解起来很直观形象，比起 C++ 和 java 早期的 for (int i = 0; i < n; i ++) printf("%d\n", a[i]) 这样的语句，不知道简洁清晰到哪里去了。
但是，你想过 Python 在处理 for in 语句的时候，具体发生了什么吗？什么样的对象可以被 for in 来枚举呢？
这一节课，我们深入到 Python 的容器类型实现底层去走走，了解一种叫做迭代器和生成器的东西。
你肯定用过的容器、可迭代对象和迭代器
容器这个概念非常好理解。我们说过，在Python 中一切皆对象，对象的抽象就是类，而对象的集合就是容器。
列表（list: [0, 1, 2]），元组（tuple: (0, 1, 2)），字典（dict: {0:0, 1:1, 2:2}），集合（set: set([0, 1, 2])）都是容器。对于容器，你可以很直观地想象成多个元素在一起的单元；而不同容器的区别，正是在于内部数据结构的实现方法。然后，你就可以针对不同场景，选择不同时间和空间复杂度的容器。
所有的容器都是可迭代的（iterable）。这里的迭代，和枚举不完全一样。迭代可以想象成是你去买苹果，卖家并不告诉你他有多少库存。这样，每次你都需要告诉卖家，你要一个苹果，然后卖家采取行为：要么给你拿一个苹果；要么告诉你，苹果已经卖完了。你并不需要知道，卖家在仓库是怎么摆放苹果的。
严谨地说，迭代器（iterator）提供了一个 next 的方法。调用这个方法后，你要么得到这个容器的下一个对象，要么得到一个 StopIteration 的错误（苹果卖完了）。你不需要像列表一样指定元素的索引，因为字典和集合这样的容器并没有索引一说。比如，字典采用哈希表实现，那么你就只需要知道，next 函数可以不重复不遗漏地一个一个拿到所有元素即可。
而可迭代对象，通过 iter() 函数返回一个迭代器，再通过 next() 函数就可以实现遍历。for in 语句将这个过程隐式化，所以，你只需要知道它大概做了什么就行了。
我们来看下面这段代码，主要向你展示怎么判断一个对象是否可迭代。当然，这还有另一种做法，是 isinstance(obj, Iterable)。
def is_iterable(param):
try:
iter(param)
return True
except TypeError:
return False
params = [
1234,
'1234',
[1, 2, 3, 4],
set([1, 2, 3, 4]),
{1:1, 2:2, 3:3, 4:4},
(1, 2, 3, 4)
]
for param in params:
print('{} is iterable? {}'.format(param, is_iterable(param)))
########## 输出 ##########
1234 is iterable? False
1234 is iterable? True
[1, 2, 3, 4] is iterable? True
{1, 2, 3, 4} is iterable? True
{1: 1, 2: 2, 3: 3, 4: 4} is iterable? True
(1, 2, 3, 4) is iterable? True
通过这段代码，你就可以知道，给出的类型中，除了数字 1234 之外，其它的数据类型都是可迭代的。
生成器，又是什么？
据我所知，很多人对生成器这个概念会比较陌生，因为生成器在很多常用语言中，并没有相对应的模型。
这里，你只需要记着一点：生成器是懒人版本的迭代器。
我们知道，在迭代器中，如果我们想要枚举它的元素，这些元素需要事先生成。这里，我们先来看下面这个简单的样例。
import os
import psutil
# 显示当前 python 程序占用的内存大小
def show_memory_info(hint):
pid = os.getpid()
p = psutil.Process(pid)
info = p.memory_full_info()
memory = info.uss / 1024. / 1024
print('{} memory used: {} MB'.format(hint, memory))
def test_iterator():
show_memory_info('initing iterator')
list_1 = [i for i in range(100000000)]
show_memory_info('after iterator initiated')
print(sum(list_1))
show_memory_info('after sum called')
def test_generator():
show_memory_info('initing generator')
list_2 = (i for i in range(100000000))
show_memory_info('after generator initiated')
print(sum(list_2))
show_memory_info('after sum called')
%time test_iterator()
%time test_generator()
########## 输出 ##########
initing iterator memory used: 48.9765625 MB
after iterator initiated memory used: 3920.30078125 MB
4999999950000000
after sum called memory used: 3920.3046875 MB
Wall time: 17 s
initing generator memory used: 50.359375 MB
after generator initiated memory used: 50.359375 MB
4999999950000000
after sum called memory used: 50.109375 MB
Wall time: 12.5 s
声明一个迭代器很简单，[i for i in range(100000000)]就可以生成一个包含一亿元素的列表。每个元素在生成后都会保存到内存中，你通过代码可以看到，它们占用了巨量的内存，内存不够的话就会出现 OOM 错误。
不过，我们并不需要在内存中同时保存这么多东西，比如对元素求和，我们只需要知道每个元素在相加的那一刻是多少就行了，用完就可以扔掉了。
于是，生成器的概念应运而生，在你调用 next() 函数的时候，才会生成下一个变量。生成器在 Python 的写法是用小括号括起来，(i for i in range(100000000))，即初始化了一个生成器。
这样一来，你可以清晰地看到，生成器并不会像迭代器一样占用大量内存，只有在被使用的时候才会调用。而且生成器在初始化的时候，并不需要运行一次生成操作，相比于 test_iterator() ，test_generator() 函数节省了一次生成一亿个元素的过程，因此耗时明显比迭代器短。
到这里，你可能说，生成器不过如此嘛，我有的是钱，不就是多占一些内存和计算资源嘛，我多出点钱就是了呗。
哪怕你是土豪，请坐下先喝点茶，再听我继续讲完，这次，我们来实现一个自定义的生成器。
生成器，还能玩什么花样？
数学中有一个恒等式，(1 + 2 + 3 + ... + n)^2 = 1^3 + 2^3 + 3^3 + ... + n^3，想必你高中就应该学过它。现在，我们来验证一下这个公式的正确性。老规矩，先放代码，你先自己阅读一下，看不懂的也不要紧，接下来我再来详细讲解。
def generator(k):
i = 1
while True:
yield i ** k
i += 1
gen_1 = generator(1)
gen_3 = generator(3)
print(gen_1)
print(gen_3)
def get_sum(n):
sum_1, sum_3 = 0, 0
for i in range(n):
next_1 = next(gen_1)
next_3 = next(gen_3)
print('next_1 = {}, next_3 = {}'.format(next_1, next_3))
sum_1 += next_1
sum_3 += next_3
print(sum_1 * sum_1, sum_3)
get_sum(8)
########## 输出 ##########
<generator object generator at 0x000001E70651C4F8>
<generator object generator at 0x000001E70651C390>
next_1 = 1, next_3 = 1
next_1 = 2, next_3 = 8
next_1 = 3, next_3 = 27
next_1 = 4, next_3 = 64
next_1 = 5, next_3 = 125
next_1 = 6, next_3 = 216
next_1 = 7, next_3 = 343
next_1 = 8, next_3 = 512
1296 1296
这段代码中，你首先注意一下 generator() 这个函数，它返回了一个生成器。
接下来的yield 是魔术的关键。对于初学者来说，你可以理解为，函数运行到这一行的时候，程序会从这里暂停，然后跳出，不过跳到哪里呢？答案是 next() 函数。那么 i ** k 是干什么的呢？它其实成了 next() 函数的返回值。
这样，每次 next(gen) 函数被调用的时候，暂停的程序就又复活了，从 yield 这里向下继续执行；同时注意，局部变量 i 并没有被清除掉，而是会继续累加。我们可以看到 next_1 从 1 变到 8，next_3 从 1 变到 512。
聪明的你应该注意到了，这个生成器居然可以一直进行下去！没错，事实上，迭代器是一个有限集合，生成器则可以成为一个无限集。我只管调用 next()，生成器根据运算会自动生成新的元素，然后返回给你，非常便捷。
到这里，土豪同志应该也坐不住了吧，那么，还能再给力一点吗？
别急，我们再来看一个问题：给定一个 list 和一个指定数字，求这个数字在 list 中的位置。
下面这段代码你应该不陌生，也就是常规做法，枚举每个元素和它的 index，判断后加入 result，最后返回。
def index_normal(L, target):
result = []
for i, num in enumerate(L):
if num == target:
result.append(i)
return result
print(index_normal([1, 6, 2, 4, 5, 2, 8, 6, 3, 2], 2))
########## 输出 ##########
[2, 5, 9]
那么使用迭代器可以怎么做呢？二话不说，先看代码。
def index_generator(L, target):
for i, num in enumerate(L):
if num == target:
yield i
print(list(index_generator([1, 6, 2, 4, 5, 2, 8, 6, 3, 2], 2)))
########## 输出 ##########
[2, 5, 9]
聪明的你应该看到了明显的区别，我就不做过多解释了。唯一需要强调的是， index_generator 会返回一个 Generator 对象，需要使用 list 转换为列表后，才能用 print 输出。
这里我再多说两句。在Python 语言规范中，用更少、更清晰的代码实现相同功能，一直是被推崇的做法，因为这样能够很有效提高代码的可读性，减少出错概率，也方便别人快速准确理解你的意图。当然，要注意，这里“更少”的前提是清晰，而不是使用更多的魔术操作，虽说减少了代码却反而增加了阅读的难度。
回归正题。接下来我们再来看一个问题：给定两个序列，判定第一个是不是第二个的子序列。（LeetCode 链接如下：https://leetcode.com/problems/is-subsequence/ ）
先来解读一下这个问题本身。序列就是列表，子序列则指的是，一个列表的元素在第二个列表中都按顺序出现，但是并不必挨在一起。举个例子，[1, 3, 5] 是 [1, 2, 3, 4, 5] 的子序列，[1, 4, 3] 则不是。
要解决这个问题，常规算法是贪心算法。我们维护两个指针指向两个列表的最开始，然后对第二个序列一路扫过去，如果某个数字和第一个指针指的一样，那么就把第一个指针前进一步。第一个指针移出第一个序列最后一个元素的时候，返回 True，否则返回 False。
不过，这个算法正常写的话，写下来怎么也得十行左右。
那么如果我们用迭代器和生成器呢？
def is_subsequence(a, b):
b = iter(b)
return all(i in b for i in a)
print(is_subsequence([1, 3, 5], [1, 2, 3, 4, 5]))
print(is_subsequence([1, 4, 3], [1, 2, 3, 4, 5]))
########## 输出 ##########
True
False
这简短的几行代码，你是不是看得一头雾水，不知道发生了什么？
来，我们先把这段代码复杂化，然后一步步看。
def is_subsequence(a, b):
b = iter(b)
print(b)
gen = (i for i in a)
print(gen)
for i in gen:
print(i)
gen = ((i in b) for i in a)
print(gen)
for i in gen:
print(i)
return all(((i in b) for i in a))
print(is_subsequence([1, 3, 5], [1, 2, 3, 4, 5]))
print(is_subsequence([1, 4, 3], [1, 2, 3, 4, 5]))
########## 输出 ##########
<list_iterator object at 0x000001E7063D0E80>
<generator object is_subsequence.<locals>.<genexpr> at 0x000001E70651C570>
1
3
5
<generator object is_subsequence.<locals>.<genexpr> at 0x000001E70651C5E8>
True
True
True
False
<list_iterator object at 0x000001E7063D0D30>
<generator object is_subsequence.<locals>.<genexpr> at 0x000001E70651C5E8>
1
4
3
<generator object is_subsequence.<locals>.<genexpr> at 0x000001E70651C570>
True
True
False
False
首先，第二行的b = iter(b)，把列表 b 转化成了一个迭代器，这里我先不解释为什么要这么做。
接下来的gen = (i for i in a)语句很好理解，产生一个生成器，这个生成器可以遍历对象 a，因此能够输出 1, 3, 5。而 (i in b)需要好好揣摩，这里你是不是能联想到 for in 语句？
没错，这里的(i in b)，大致等价于下面这段代码：
while True:
val = next(b)
if val == i:
yield True
这里非常巧妙地利用生成器的特性，next() 函数运行的时候，保存了当前的指针。比如再看下面这个示例：
b = (i for i in range(5))
print(2 in b)
print(4 in b)
print(3 in b)
########## 输出 ##########
True
True
False
至于最后的 all() 函数，就很简单了。它用来判断一个迭代器的元素是否全部为 True，如果是则返回 True，否则就返回 False.
于是到此，我们就很优雅地解决了这道面试题。不过你一定注意，面试的时候尽量不要用这种技巧，因为你的面试官有可能并不知道生成器的用法，他们也没有看过我的极客时间专栏。不过，在这个技术知识点上，在实际工作的应用上，你已经比很多人更加熟练了。继续加油！
总结
总结一下，今天我们讲了四种不同的对象，分别是容器、可迭代对象、迭代器和生成器。
容器是可迭代对象，可迭代对象调用 iter() 函数，可以得到一个迭代器。迭代器可以通过 next() 函数来得到下一个元素，从而支持遍历。
生成器是一种特殊的迭代器（注意这个逻辑关系反之不成立）。使用生成器，你可以写出来更加清晰的代码；合理使用生成器，可以降低内存占用、优化程序结构、提高程序速度。
生成器在 Python 2 的版本上，是协程的一种重要实现方式；而 Python 3.5 引入 async await 语法糖后，生成器实现协程的方式就已经落后了。我们会在下节课，继续深入讲解 Python 协程。
思考题
最后给你留一个思考题。对于一个有限元素的生成器，如果迭代完成后，继续调用 next() ，会发生什么呢？生成器可以遍历多次吗？
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