python生成器和迭代器

本文大部分内容来自http://www.cnblogs.com/wj-1314/p/8490822.html

首先来看看列表生成式

[i*2 for i in range(10)]

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

　　生成器是一个特殊的程序，可以被用作控制循环的迭代行为，python中生成器是迭代器的一种，使用yield返回值函数，每次调用yield会暂停，而可以使用next()函数和send()函数恢复生成器。

　　生成器类似于返回值为数组的一个函数，这个函数可以接受参数，可以被调用，但是，不同于一般的函数会一次性返回包括了所有数值的数组，生成器一次只能产生一个值，这样消耗的内存数量将大大减小，而且允许调用函数可以很快的处理前几个返回值，因此生成器看起来像是一个函数，但是表现得却像是迭代器

　　要创建一个generator，有很多种方法，第一种方法很简单，只有把一个列表生成式的[]中括号改为（）小括号，就创建一个generator

#列表生成式
lis = [x*x for x in range(10)]
print(lis)
#生成器
generator_ex = (x*x for x in range(10))
print(generator_ex)
 
结果：
[0, 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81]
<generator object <genexpr> at 0x000002A4CBF9EBA0>

想打印出生成器中的元素用next()

#生成器
generator_ex = (x*x for x in range(10))
print(next(generator_ex))
print(next(generator_ex))
print(next(generator_ex))
print(next(generator_ex))
print(next(generator_ex))
print(next(generator_ex))
print(next(generator_ex))
print(next(generator_ex))
print(next(generator_ex))
print(next(generator_ex))
print(next(generator_ex))
结果：
0
1
4
9
16
25
36
49
64
81
Traceback (most recent call last):
 
  File "列表生成式.py", line 42, in <module>
 
    print(next(generator_ex))
 
StopIteration

　　大家可以看到，generator保存的是算法，每次调用next(generaotr_ex)就计算出他的下一个元素的值，直到计算出最后一个元素，没有更多的元素时，抛出StopIteration的错误，而且上面这样不断调用是一个不好的习惯，正确的方法是使用for循环，因为generator也是可迭代对象：

#生成器
generator_ex = (x*x for x in range(10))
for i in generator_ex:
    print(i)

　　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。比如著名的斐波那契数列，除第一个和第二个数外，任何一个数都可以由前两个相加得到：1，1，2，3，5，8，12，21，34.....

#fibonacci数列
def fib(max):
    n,a,b =0,0,1
    while n < max:
        a,b =b,a+b
        n = n+1
        print(a)
    return 'done'
 
a = fib(10)
print(fib(10))


1
1
2
3
5
8
13
21
34
55
1
1
2
3
5
8
13
21
34
55
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也可以用generator来实现，上面我们发现，print(b)每次函数运行都要打印，占内存，所以为了不占内存，我们也可以使用生成器，这里叫yield。如下：

def fib(max):
    n,a,b =0,0,1
    while n < max:
        yield b
        a,b =b,a+b
        n = n+1
    return 'done'
 
a = fib(10)
print(fib(10))

返回的是一个生成器对象。

a = fib(10)
print(fib(10))
print(a.__next__())
print(a.__next__())
print(a.__next__())
print("可以顺便干其他事情")
print(a.__next__())
print(a.__next__())
 
结果：
<generator object fib at 0x0000023A21A34FC0>
1
1
2
可以顺便干其他事情
3
5

　　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：

def fib(max):
    n,a,b =0,0,1
    while n < max:
        yield b
        a,b =b,a+b
        n = n+1
    return 'done'
for i in fib(6):
    print(i)
     
结果：
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。如果拿不到返回值，那么就会报错，所以为了不让报错，就要进行异常处理，拿到返回值，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：

def fib(max):
    n,a,b =0,0,1
    while n < max:
        yield b
        a,b =b,a+b
        n = n+1
    return 'done'
g = fib(6)
while True:
    try:
        x = next(g)
        print('generator: ',x)
    except StopIteration as e:
        print("生成器返回值：",e.value)
        break
 
 
结果：
generator:  1
generator:  1
generator:  2
generator:  3
generator:  5
generator:  8
生成器返回值： done

通过yield实现单线程下并发运算的效果

import time
def consumer(name):
    print("%s 准备学习啦!" %name)
    while True:
       lesson = yield
 
       print("开始[%s]了,[%s]老师来讲课了!" %(lesson,name))
 
 
def producer(name):
    c = consumer('A')
    c2 = consumer('B')
    c.__next__()
    c2.__next__()
    print("同学们开始上课 了!")
    for i in range(10):
        time.sleep(1)
        print("到了两个同学!")
        c.send(i)
        c2.send(i)
 
结果：
A 准备学习啦!
B 准备学习啦!
同学们开始上课 了!
到了两个同学!
开始[0]了,[A]老师来讲课了!
开始[0]了,[B]老师来讲课了!
到了两个同学!
开始[1]了,[A]老师来讲课了!
开始[1]了,[B]老师来讲课了!
到了两个同学!
开始[2]了,[A]老师来讲课了!
开始[2]了,[B]老师来讲课了!
到了两个同学!
开始[3]了,[A]老师来讲课了!
开始[3]了,[B]老师来讲课了!
到了两个同学!
开始[4]了,[A]老师来讲课了!
开始[4]了,[B]老师来讲课了!
到了两个同学!
开始[5]了,[A]老师来讲课了!
开始[5]了,[B]老师来讲课了!
到了两个同学!
开始[6]了,[A]老师来讲课了!
开始[6]了,[B]老师来讲课了!
到了两个同学!

　　由上面的例子可以发现，python提供了两种基本的方式

   生成器函数：也是用def定义的，利用关键字yield一次性返回一个结果，阻塞，重新开始

   生成器表达式：返回一个对象，这个对象只有在需要的时候才产生结果

为什么叫生成器函数？因为它随着时间的推移生成了一个数值队列。一般的函数在执行完毕之后会返回一个值然后退出，但是生成器函数会自动挂起，然后重新拾起执行，他会利用yield关键字关起函数，给调用者返回一个值，同时保留了当前的足够多的状态，可以使函数继续执行，生成器和迭代是密切相关的，可迭代的对象都有一个__next__()成员方法，这个方法要么返回迭代的下一项，要么引起异常结束迭代。

# 函数有了yield之后，函数名+（）就变成了生成器
# return在生成器中代表生成器的中止，直接报错
# next的作用是唤醒并继续执行
# send的作用是唤醒并继续执行，发送一个信息到生成器内部
'''生成器'''
 
def create_counter(n):
    print("create_counter")
    while True:
        yield n
        print("increment n")
        n +=1
 
gen = create_counter(2)
print(gen)
print(next(gen))
print(next(gen))
 
结果：
<generator object create_counter at 0x0000023A1694A938>
create_counter
2
increment n
3

生成器表达式

>>> [ x ** 3 for x in range(5)]
[0, 1, 8, 27, 64]
>>>
>>> # 生成器表达式
>>> (x ** 3 for x in range(5))
<generator object <genexpr> at 0x000000000315F678>
>>> # 两者之间转换
>>> list(x ** 3 for x in range(5))
[0, 1, 8, 27, 64]

迭代器

我们已经知道，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()判断一个对象是否为可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

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（可迭代对象），却不是Iterator（迭代器）。

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。

s='hello'     #字符串是可迭代对象，但不是迭代器
l=[1,2,3,4]     #列表是可迭代对象，但不是迭代器
t=(1,2,3)       #元组是可迭代对象，但不是迭代器
d={'a':1}        #字典是可迭代对象，但不是迭代器
set={1,2,3}     #集合是可迭代对象，但不是迭代器
f=open('test.txt') #文件是可迭代对象，但不是迭代器
 
#如何判断是可迭代对象，只有__iter__方法，执行该方法得到的迭代器对象。
# 及可迭代对象通过iter转成迭代器对象
from collections import Iterator  #迭代器
from collections import Iterable  #可迭代对象
 
print(isinstance(s,Iterator))     #判断是不是迭代器
print(isinstance(s,Iterable))       #判断是不是可迭代对象
 
#把可迭代对象转换为迭代器
print(isinstance(iter(s),Iterator))

• 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。

Python3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

# 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

总结

　　（1）：通常的for..in...循环中，in后面是一个数组，这个数组就是一个可迭代对象，类似的还有链表，字符串，文件。他可以是a = [1,2,3]，也可以是a = [x*x for x in range(3)]。

它的缺点也很明显，就是所有数据都在内存里面，如果有海量的数据，将会非常耗内存。

　　（2）生成器是可以迭代的，但是只可以读取它一次。因为用的时候才生成，比如a = (x*x for x in range(3))。!!!!注意这里是小括号而不是方括号。

　　（3）生成器（generator）能够迭代的关键是他有next()方法，工作原理就是通过重复调用next()方法，直到捕获一个异常。

　　（4）带有yield的函数不再是一个普通的函数，而是一个生成器generator，可用于迭代

　　（5）yield是一个类似return 的关键字，迭代一次遇到yield的时候就返回yield后面或者右面的值。而且下一次迭代的时候，从上一次迭代遇到的yield后面的代码开始执行

　　（6）yield就是return返回的一个值，并且记住这个返回的位置。下一次迭代就从这个位置开始。

　　（7）带有yield的函数不仅仅是只用于for循环，而且可用于某个函数的参数，只要这个函数的参数也允许迭代参数。

　　（8）send()和next()的区别就在于send可传递参数给yield表达式，这时候传递的参数就会作为yield表达式的值，而yield的参数是返回给调用者的值，也就是说send可以强行修改上一个yield表达式值。

　　（9）send()和next()都有返回值，他们的返回值是当前迭代遇到的yield的时候，yield后面表达式的值，其实就是当前迭代yield后面的参数。

　　（10）第一次调用时候必须先next（）或send（）,否则会报错，send后之所以为None是因为这时候没有上一个yield，所以也可以认为next（）等同于send(None)

带有send的还没搞的清楚。