迭代器：初探

Python 學(xué)習(xí)的人都知道，Python 中存在兩種循環(huán)語句：while 和 for。for 循環(huán)可以用于 Python 中的任何序列，包括列表、元組、字符串。

>>> for x in [2013, 14, 15926]: print(x, end=' ')
...
2013 14 15926
>>>
>>> for x in (2021, 2022, 2023): print(x, end='->')
...
2021->2022->2023->
>>> for x in 'HelloWorld': print(x, end=' ')
...
H e l l o W o r l d

實(shí)際上，for 循環(huán)還能使用于任何可迭代對(duì)象?？傻鷮?duì)象在 Python 中是新穎特別的概念，但實(shí)際上就是序列概念的通用化：如果對(duì)象時(shí)實(shí)際保存的序列，或者可以在迭代工具中（如 for 循環(huán)）一次產(chǎn)生一個(gè)結(jié)果的對(duì)象，就看做可迭代的?？梢哉f，Python 中迭代器無處不在。

什么是迭代器？

Python 中的迭代器是一個(gè)對(duì)象，用于迭代列表、元組、字典和集合等可迭代對(duì)象。Python 迭代器對(duì)象必須實(shí)現(xiàn)兩個(gè)特殊的方法：__iter__()和__next__()方法：

• 使用 __iter__() 方法初始化迭代器對(duì)象
• 使用 __next__() 方法進(jìn)行迭代。

通過迭代器進(jìn)行迭代

iter()函數(shù)依次調(diào)用 __iter__()方法，返回一個(gè)迭代器。我們使用 next() 函數(shù)手動(dòng)遍歷迭代器的所有項(xiàng)。

當(dāng)我們到達(dá)終點(diǎn)并且沒有更多數(shù)據(jù)要返回時(shí)，它將引發(fā) StopIteration異常。

下面是一個(gè)例子:

# define a list
my_list = [2013, 14, 15926]

# get an iterator using iter()
my_iter = iter(my_list)
# iterate through it using next()

# Output: 2013
print(next(my_iter))

# Output: 14
print(next(my_iter))

# next(obj) is same as obj.__next__()
# Output: 15926
print(my_iter.__next__())
# This will raise error, no items left
next(my_iter)

依次執(zhí)行上面的代碼，輸出如下：

2013
14
15926
Traceback (most recent call last):
File "<string>", line 24, in <module>
next(my_iter)
StopIteration

一種更優(yōu)雅的自動(dòng)迭代方式是使用 for 循環(huán)。使用它，我們可以迭代任何可以返回迭代器的對(duì)象，例如列表、字符串、文件等。

>>> for element in my_list:
... print(element)
...
2013
14
15926

迭代器 for 循環(huán)的工作

正如我們?cè)谏厦娴氖纠锌吹降模琭or 循環(huán)能夠自動(dòng)遍歷列表。

實(shí)際上 for 循環(huán)可以迭代任何可迭代對(duì)象。讓我們仔細(xì)看看 for 循環(huán)是如何在 Python 中實(shí)際實(shí)現(xiàn)的。

for element in iterable:
# do something with element

實(shí)際實(shí)現(xiàn)為:

# create an iterator object from that iterable
iter_obj = iter(iterable)

# infinite loop
while True:
try:
# get the next item
element = next(iter_obj)
print(element)
# do something with element
except StopIteration:
# if StopIteration is raised, break from loop
break

所以在內(nèi)部，for 循環(huán)通過在可迭代對(duì)象上調(diào)用 iter()創(chuàng)建一個(gè)迭代器對(duì)象 iter_obj。具有諷刺意味的是，這個(gè) for 循環(huán)實(shí)際上是一個(gè)無限的 while 循環(huán)。

在循環(huán)內(nèi)部，它調(diào)用 next()來獲取下一個(gè)元素并使用該值執(zhí)行 for 循環(huán)的主體。在所有項(xiàng)目耗盡后，StopIteration被引發(fā)，內(nèi)部捕獲并結(jié)束循環(huán)。請(qǐng)注意，任何其他類型的異常都會(huì)通過。

構(gòu)建自定義迭代器

在 Python 中從頭開始構(gòu)建迭代器很容易。我們只需要實(shí)現(xiàn) __iter__() 和 __next__() 方法。

__iter__() 方法返回迭代器對(duì)象本身。如果需要，可以執(zhí)行一些初始化。

__next__() 方法必須返回序列中的下一項(xiàng)。在到達(dá)終點(diǎn)時(shí)以及在隨后的調(diào)用中，它必須引發(fā) StopIteration。

class PowTwo:
"""Class to implement an iterator
of powers of two"""
def __init__(self, max=0):
self.max = max

def __iter__(self):
self.n = 0
return self
def __next__(self):
if self.n <= self.max:
result = 2 ** self.n
self.n += 1
return result
else:
raise StopIteration
# create an object
numbers = PowTwo(3)
# create an iterable from the object
i = iter(numbers)
# Using next to get to the next iterator element
print(next(i))
print(next(i))
print(next(i))
print(next(i))
print(next(i))

輸出結(jié)果：

1
2
4
8
Traceback (most recent call last):
File "/Users/yuzhou_1su/go/src/iterdemo.py", line 32, in <module>
print(next(i))
StopIteration

我們還可以使用 for 循環(huán)來迭代我們的迭代器類。

>>> for i in PowTwo(5):
... print(i)
...
1
2
4
8
16
32

Python 無限迭代器

迭代器對(duì)象中的項(xiàng)目不必耗盡?？梢杂袩o限的迭代器（永遠(yuǎn)不會(huì)結(jié)束）。在處理此類迭代器時(shí)，我們必須小心。

這是一個(gè)演示無限迭代器的簡單示例。

內(nèi)置函數(shù) iter()可以使用兩個(gè)參數(shù)調(diào)用，其中第一個(gè)參數(shù)必須是可調(diào)用對(duì)象（函數(shù)），第二個(gè)參數(shù)是哨兵。迭代器調(diào)用這個(gè)函數(shù)，直到返回的值等于哨兵。

>>> int()
0
>>> inf = iter(int,1)
>>> next(inf)
0
>>> next(inf)
0

我們可以看到 int()函數(shù)總是返回 0。因此將它作為 iter(int,1)傳遞將返回一個(gè)迭代器，該迭代器調(diào)用 int()直到返回值等于 1。這永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生，我們得到一個(gè)無限迭代器。

我們還可以構(gòu)建自己的無限迭代器。

理論上，以下迭代器將返回所有奇數(shù):

class InfIter:
"""Infinite iterator to return all
odd numbers"""

def __iter__(self):
self.num = 1
return self

def __next__(self):
num = self.num
self.num += 2
return num

>>> a = iter(InfIter())
>>> next(a)
1
>>> next(a)
3
>>> next(a)
5
>>> next(a)
7

在對(duì)這些類型的無限迭代器進(jìn)行迭代時(shí)，請(qǐng)小心包含終止條件。如上所示，我們可以得到所有奇數(shù)，而無需將整個(gè)數(shù)字系統(tǒng)存儲(chǔ)在內(nèi)存中。理論上，我們可以在有限的內(nèi)存中擁有無限的項(xiàng)目。

Python 迭代器的好處

使用迭代器的好處是可以節(jié)省資源：

• 代碼減少。
• 代碼冗余得到極大解決。
• 降低代碼復(fù)雜度。
• 它為編碼帶來了更多的穩(wěn)定性。

總結(jié)

Python 的迭代器提供穩(wěn)定和靈活的代碼。迭代器和可迭代對(duì)象的區(qū)別：

• Iterable是一個(gè)可以迭代的對(duì)象。它在傳遞給 iter()方法時(shí)生成一個(gè)迭代器。
• Iterator是一個(gè)對(duì)象，用于使用 __next__()方法對(duì)可迭代對(duì)象進(jìn)行迭代。迭代器有 __next__() 方法，它返回對(duì)象的下一項(xiàng)。

請(qǐng)注意，每個(gè)迭代器也是一個(gè)可迭代的，但不是每個(gè)可迭代的都是一個(gè)迭代器。

例如，列表是可迭代的，但列表不是迭代器?？梢允褂煤瘮?shù) iter() 從可迭代對(duì)象創(chuàng)建迭代器。

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，對(duì)象的類需要一個(gè)方法 __iter__，它返回一個(gè)迭代器，或者一個(gè)具有從 0 開始的順序索引的 __getitem__方法。但其本質(zhì)也是實(shí)現(xiàn)了 __iter__方法。