迭代器：初探

Python 學習的人都知道，Python 中存在兩種循環語句：while 和 for。for 循環可以用于 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

實際上，for 循環還能使用于任何可迭代對象。可迭代對象在 Python 中是新穎特別的概念，但實際上就是序列概念的通用化：如果對象時實際保存的序列，或者可以在迭代工具中（如 for 循環）一次產生一個結果的對象，就看做可迭代的。可以說，Python 中迭代器無處不在。

什么是迭代器？

Python 中的迭代器是一個對象，用于迭代列表、元組、字典和集合等可迭代對象。Python 迭代器對象必須實現兩個特殊的方法：__iter__()和__next__()方法：

• 使用 __iter__() 方法初始化迭代器對象
• 使用 __next__() 方法進行迭代。

通過迭代器進行迭代

iter()函數依次調用 __iter__()方法，返回一個迭代器。我們使用 next() 函數手動遍歷迭代器的所有項。

當我們到達終點并且沒有更多數據要返回時，它將引發 StopIteration異常。

下面是一個例子:

# 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

一種更優雅的自動迭代方式是使用 for 循環。使用它，我們可以迭代任何可以返回迭代器的對象，例如列表、字符串、文件等。

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

迭代器 for 循環的工作

正如我們在上面的示例中看到的，for 循環能夠自動遍歷列表。

實際上 for 循環可以迭代任何可迭代對象。讓我們仔細看看 for 循環是如何在 Python 中實際實現的。

for element in iterable:
# do something with element

實際實現為:

# 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

所以在內部，for 循環通過在可迭代對象上調用 iter()創建一個迭代器對象 iter_obj。具有諷刺意味的是，這個 for 循環實際上是一個無限的 while 循環。

在循環內部，它調用 next()來獲取下一個元素并使用該值執行 for 循環的主體。在所有項目耗盡后，StopIteration被引發，內部捕獲并結束循環。請注意，任何其他類型的異常都會通過。

構建自定義迭代器

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

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

__next__() 方法必須返回序列中的下一項。在到達終點時以及在隨后的調用中，它必須引發 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

迭代器對象中的項目不必耗盡。可以有無限的迭代器（永遠不會結束）。在處理此類迭代器時，我們必須小心。

這是一個演示無限迭代器的簡單示例。

內置函數 iter()可以使用兩個參數調用，其中第一個參數必須是可調用對象（函數），第二個參數是哨兵。迭代器調用這個函數，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()函數總是返回 0。因此將它作為 iter(int,1)傳遞將返回一個迭代器，該迭代器調用 int()直到返回值等于 1。這永遠不會發生，我們得到一個無限迭代器。

我們還可以構建自己的無限迭代器。

理論上，以下迭代器將返回所有奇數:

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

在對這些類型的無限迭代器進行迭代時，請小心包含終止條件。如上所示，我們可以得到所有奇數，而無需將整個數字系統存儲在內存中。理論上，我們可以在有限的內存中擁有無限的項目。

Python 迭代器的好處

使用迭代器的好處是可以節省資源：

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

總結

Python 的迭代器提供穩定和靈活的代碼。迭代器和可迭代對象的區別：

• Iterable是一個可以迭代的對象。它在傳遞給 iter()方法時生成一個迭代器。
• Iterator是一個對象，用于使用 __next__()方法對可迭代對象進行迭代。迭代器有 __next__() 方法，它返回對象的下一項。

請注意，每個迭代器也是一個可迭代的，但不是每個可迭代的都是一個迭代器。

例如，列表是可迭代的，但列表不是迭代器。可以使用函數 iter() 從可迭代對象創建迭代器。

為了實現這一點，對象的類需要一個方法 __iter__，它返回一個迭代器，或者一個具有從 0 開始的順序索引的 __getitem__方法。但其本質也是實現了 __iter__方法。