一篇文章教你如何使用Python生成器

自从 PEP 255 引入生成器以来，它就是 Python 中重要的一部分.

生成器允许你定义一个有迭代器行为的函数.

它允许程序猿更快，更简单并且以一个干净的方式创建一个迭代器.

那么什么是迭代器呢，你或许会问？

iterator 迭代器是一个可以被迭代的（循环）对象。它可以抽象为一个装着数据同时有着可迭代对象的行为的容器。或许你已经每天在使用一些可迭代的对象：诸如字符串，列表，字典或其它名字的对象.

一个迭代器是一个实现了迭代器接口 Iterator Protocol 的类。这个接口为类提供了两个方法: __iter__ 和 __next__.

嗯～回到上一步。你为什么想要创建一个迭代器呢？

节省内存空间

当实例化后，迭代器并不会计算它每一个项的值，他们只会等你访问这些项的时候采取计算。这也就是众所周知的惰性求值。

当你有一个非常大的数据集需要计算时，惰性求值是很有用处的。它允许你马上就能开始使用数据，尽管整个数据集还在计算中。

假设我们想要获得小于某个最大值的所有素数。

我们先定义一个函数，它可以检查一个数字是否为素数：

def check_prime(number):
    for divisor in range(2, int(number ** 0.5) + 1):
        if number % divisor == 0:
            return False
    return True

然后，我们定义一个迭代器类，包含__iter__ 和 __next__ 方法。

class Primes:
    def __init__(self, max):
        self.max = max
        self.number = 1
    def __iter__(self):
        return self
    def __next__(self):
        self.number += 1
        if self.number >= self.max:
            raise StopIteration
        elif check_prime(self.number):
            return self.number
        else:
            return self.__next__()

Primes 类通过给定一个最大值来实例化。如果下一个素数比最大值 max 还要大，迭代器就会抛出一个 StopIteration 异常来把迭代器停掉。

当我们请求迭代器中的下一个元素时，它会给 number 加 1 并检查这个数字是否为素数。如果不是，它会再次调用__next__直到 number 成为素数。一旦如此，迭代器就将这个数字返回。

通过使用迭代器，我们并不会在内存中创建一个包含很多素数的列表。相反，我们将会在每次请求下一个素数时才去生成它。

让我们来试一试：

primes = Primes(100000000000)
print(primes)
for x in primes:
    print(x)
    ......
<__main__.Primes object at 0x1021834a8>
2
3
5
7
11
...

对 Primes 对象的每一次迭代都调用了 __next__ 来生成下一个素数。

迭代器只可以被迭代一轮。如果你尝试再迭代 primes 一轮，它将不会返回任何值，表现得就像个空列表。

既然我们已经知道了什么是迭代器，以及怎么制作一个迭代器，我们接下来将继续来看看生成器。

生成器

回想下，生成器函数允许我们以一种更简单的方式来创建迭代器。

生成器给 Python 引入了 yield 声明。它用起来有点像 return，因为它会返回一个值。

区别在于 yield 会保存函数的状态。在函数下一次被调用时，将会从其离开的地方继续执行，并且变量值也与它之前执行 yield 操作前相同。

如果把我们的 Primes 迭代器转换为生成器，它看起来会像这样：

def Primes(max):
    number = 1
    while number < max:
        number += 1
        if check_prime(number):
            yield number
primes = Primes(100000000000)
print(primes)
for x in primes:
    print(x)
......
<generator object Primes at 0x10214de08>
2
3
5
7
11

现在真是太 pythonic 了！我们还能再给力点吗？

当然！我们可以使用 PEP 289 中介绍的生成器表达式。

这相当于是生成器的列表推导式。它用起来与列表推导式相同，不过表达式由 () 包裹而不是 []。

下面的表达式可以代替我们上面的生成器函数：

primes = (i for i in range(2, 100000000000) if check_prime(i))
print(primes)
for x in primes:
    print(x)
......
<generator object <genexpr> at 0x101868e08>
2
3
5
7
11
...

这就是 Python 生成器的美妙之处。

总结

生成器允许你以一种非常 pythonic 的方式来创建迭代器。迭代器允许惰性求值，只有在请求下一个元素时迭代器对象才会去生成它。这对于非常大的数据集是很有用的。迭代器和生成器都只能被迭代一轮。生成器函数比迭代器更好。生成器表达式比迭代器更好（只在简单情况下如此）。