Python的生成器

秒速五厘米 2021-11-26 23:38 292阅读 0赞

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：

>>> 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

我们讲过，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)
    ... 
    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。

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：  
![在这里插入图片描述][20190723104709415.png]  
![在这里插入图片描述][20190723104734322.png]  
但不必显式写出临时变量t就可以赋值。

上面的函数可以输出斐波那契数列的前N个数：

>>> fib(6)
    1
    1
    2
    3
    5
    8
    '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:
            yield b   //每次调用一次next()函数，就执行到此处返回b,然后程序暂停
            a, b = b, a + b
            n = n + 1
        return 'done'

如果还不理解yield怎么用，我们接下来看下一个例子

定义一个generator，依次返回数字1，3，5：

def odd():
        print('step 1')
        yield 1
        print('step 2')
        yield(3)
        print('step 3')
        yield(5)

调用该generator时，首先要生成一个generator对象，然后用`next()`函数不断获得下一个返回值：

>>> o = odd()
    >>> next(o)
    step 1
    1
    >>> next(o)
    step 2
    3
    >>> next(o)
    step 3
    5
    >>> next(o)
    Traceback (most recent call last):
      File "<stdin>", line 1, in <module>
    StopIteration

可以看到，`odd`不是普通函数，而是generator，在执行过程中，遇到`yield`就中断，下次又继续执行。执行3次`yield`后，已经没有`yield`可以执行了，所以，第4次调用`next(o)`就报错。

回到`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)
    ...
    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。如果想要拿到返回值，必须捕获`StopIteration`错误，返回值包含在`StopIteration`的`value`中：

>>> 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: done

### 小结 ###

generator是非常强大的工具，在Python中，可以简单地把列表生成式改成generator，也可以通过函数实现复杂逻辑的generator。

要理解generator的工作原理，它是在`for`循环的过程中不断计算出下一个元素，并在适当的条件结束`for`循环。对于函数改成的generator来说，遇到`return`语句或者执行到函数体最后一行语句，就是结束generator的指令，`for`循环随之结束。

请注意区分普通函数和generator函数，普通函数调用直接返回结果：

>>> r = abs(6)
    >>> r
    6

generator函数的“调用”实际返回一个generator对象：

>>> g = fib(6)
    >>> g
    <generator object fib at 0x1022ef948>

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