深入理解Python生成器(Generator)

大家讲道理
發布: 2016-11-07 11:04:29
原創
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我們可以透過列表產生式簡單直接地建立一個列表,但是受到記憶體限制,列表容量肯定是有限的。而且,建立一個包含100萬個元素的列表,不僅佔用很大的儲存空間,而且如果我們只需要存取前面幾個元素,那後面絕大多數元素佔用的空間都白白浪費了。

所以,如果列表元素可以依照某種演算法推算出來,那我們是否可以在循環的過程中不斷推算出後續的元素呢?這樣就不必創建完整的list,從而節省大量的空間。在Python中,這種一邊循環一邊計算的機制,稱為生成器(Generator)。

要創建一個generator,有很多種方法。第一種方法很簡單,只要把一個列表生成式的[]改成(),就創建了一個generator:

>>> mylist = [ x for x in range(1, 10)]
>>> mylist
[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
>>> gen = (x for x in range(1,10))
>>> gen
<generator object <genexpr> at 0x7f1d7fd0f5a0>
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創建mylist和gen的區別僅在於最外層的[]和(),mylist是一個li​​st,而gen是一個generator(生成器)。

我們可以直接列印出list的每個元素,但我們要怎麼列印出generator的每一個元素呢?

如果要一個一個列印出來,可以透過generator的next()方法:

>>> gen.next()
1
>>> gen.next()
2
>>> gen.next()
3
...
>>> gen.next()
9
>>> gen.next()
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
StopIteration
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我們講過,generator保存的是演算法,每次呼叫next(),就計算出下一個元素的值,直到計算到最後一個元素,沒有更多的元素時,拋出StopIteration的錯誤。

其實我們可以使用for迴圈來取代next()方式, 這樣才比較符合高效率的程式設計思路:

>>> gen = ( x for x in range(1, 10))
>>> for num in gen:
...     print num
... 
1
2
3
4
5
6
7
8
9
登入後複製

generator非常強大。如果推算的演算法比較複雜,用類似列表產生式的for迴圈無法實現的時候,還可以用函數來實作。

例如,著名的斐波拉契數列(Fibonacci),除第一個和第二個數外,任一個數都可由前兩個數相加得到:

1, 1, 2, 3, 5 , 8, 13, 21, 34, ...

斐波拉契數列用列表生成式寫不出來,但是,用函數把它打印出來卻很容易:

def fib(max):
    n = 0 
    a, b = 0, 1
    while n < max:
        print b
        a, b = b, a + b
        n = n + 1
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上面的函數可以輸出斐波那契數列的前N個數:

>>> fib(6)
登入後複製

仔細觀察,可以看出,fib函數其實是定義了斐波拉契數列的推算規則,可以從第一個元素開始,推導出後續任意的元素,這種邏輯其實非常類似generator。

也就是說,上面的函數和generator只有一步之遙。要把fib函數變成generator,只要要把print b改為yield b就可以了:

def fib(max):
    n = 0 
    a, b = 0, 1
    while n < max:
        yield b
        a, b = b, a + b
        n = n + 1
登入後複製

這就是定義generator的另一種方法。如果一個函數定義中包含yield關鍵字,那麼這個函數就不再是一個普通函數,而是一個generator:

>>> fib(6)
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這裡,最難理解的就是generator和函數的執行流程不一樣。函數是順序執行,遇到return語句或最後一行函數語句就回傳。而變成generator的函數,在每次呼叫next()的時候執行,遇到yield語句返回,再次執行時從上次返回的yield語句處繼續執行。

舉個簡單的例子,定義一個generator,依序返回數字1,3,5:

>>> def odd():
...     print &#39;step 1&#39;
...     yield 1
...     print &#39;step 2&#39;
...     yield 3
...     print &#39;step 3&#39;
...     yield 5
...
>>> o = odd()
>>> o.next()
step 1
1
>>> o.next()
step 2
3
>>> o.next()
step 3
5
>>> o.next()
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
StopIteration
登入後複製

可以看到,odd不是普通函數,而是generator,在執行過程中,遇到yield就中斷,下次又繼續執行。執行3次yield後,已經沒有yield可以執行了,所以,第4次呼叫next()就報錯。

回到fib的例子,我們在循環過程中不斷呼叫yield,就會不斷中斷。當然要給循環設定一個條件來退出循環,不然就會產生一個無限數列出來。

同樣的,把函數改成generator後,我們基本上從來不會用next()來呼叫它,而是直接使用for循環來迭代:

>>> for n in fib(6):
...     print n
...
登入後複製

generator是非常強大的工具,在Python中,可以簡單地把列表生成式改成generator,也可以透過函數實作複雜邏輯的generator。

要理解generator的工作原理,它是在for迴圈的過程中不斷計算下一個元素,並在適當的條件結束for迴圈。對於函數改成的generator來說,遇到return語句或是執行到函數體最後一行語句,就是結束generator的指令,for迴圈隨之結束。

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來源:php.cn
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