python基礎（補充）：python三大器之生成器
- 2021 年 4 月 16 日
- 筆記
- python基礎系列
生成器的定義
通過列表生成式，我們可以直接創建一個列表。但是，受到內存限制，列表容量肯定是有限的。而且，創建一個包含100萬個元素的列表，不僅佔用很大的存儲空間，如果我們僅僅需要訪問前面幾個元素，那後面絕大多數元素佔用的空間都白白浪費了。
所以，如果列表元素可以按照某種算法推算出來，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。
生成器的創建
生成器可以用兩種方式創建:
-
生成器表達式 (裏面是推導式,外面用圓括號)
-
生成器函數 (用def定義,裏面含有yield)
生成器表達式
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：
li = [x * x for x in range(10)]
print(li)
# [0, 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81]
g = (x * x for x in range(10))
print(g)
# <generator object <genexpr> at 0x000001A72D5D2E08>
生成器函數（yield）
generator非常強大。如果推算的算法比較複雜，用類似列表生成式的for循環無法實現的時候，還可以用函數來實現。
比如，著名的斐波拉契數列（Fibonacci），除第一個和第二個數外，任意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, a, b = 0, 0, 1
while n < max:
print(b)
a, b = b, a + b
n = n + 1
return 'done'
# 注意，這裡的賦值語句 a, b = b, a + b
# 相當於
# t = (b, a + b) # t是一個tuple
# a = t[0]
# b = t[1]
# 但不必顯式寫出臨時變量t就可以賦值。
上面的函數可以輸出斐波那契數列的前N個數：
print(fib(6))
# 1
# 1
# 2
# 3
# 5
# 8
# done
仔細觀察，可以看出，fib函數實際上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，推算出後續任意的元素，這種邏輯其實非常類似generator。
也就是說，上面的函數和generator僅一步之遙。要把fib函數變成generator，只需要把print(b)改為yield b就可以了：
def fib(max):
n, a, b = 0, 0, 1
while n < max:
yield b
a, b = b, a + b
n = n + 1
return 'done'
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：
f = fib(6)
print(f)
# <generator object fib at 0x000001AB51492E08>
生成器的調用
調用生成器的方式：
next()函數for循環for循環 +next()函數
next()函數
創建li和g的區別僅在於最外層的[]和()，li是一個list，而g是一個generator。
我們可以直接打印出list的每一個元素，但我們怎麼打印出generator的每一個元素呢？
如果要一個一個打印出來，可以通過next()函數獲得generator的下一個返回值：
g = (x * x for x in range(10))
print(next(g)) # 0
print(next(g)) # 1
print(next(g)) # 4
print(next(g)) # 9
print(next(g)) # 16
print(next(g)) # 25
print(next(g)) # 36
print(next(g)) # 49
print(next(g)) # 64
print(next(g)) # 81
print(next(g))
'''
Traceback (most recent call last):
File "D:/python_project/mxxl/test/test.py", line 18, in <module>
print(next(g))
StopIteration
'''
# 每次調用next(g)，就計算出g的下一個元素的值，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。
for循環
當然，上面這種不斷調用next(g)實在是太變態了，我們可以使用for循環來調用generator，因為generator也是可迭代對象：
g = (x * x for x in range(10))
for i in g:
print(i)
# 0
# 1
# 4
# 9
# 16
# 25
# 36
# 49
# 64
# 81
所以，我們創建了一個generator後，基本上永遠不會調用next()，而是通過for循環來迭代它，並且不需要關心StopIteration的錯誤。
但是需要注意的是，當數據量過大時，會形成形成類似於死循環的效果（這裡可以自己試驗一下），所以就提出了下面的調用方法
for + next()
g = (x * x for x in range(10))
# 調用幾次循環幾次
for i in range(3):
print(next(g))
# 0
# 1
# 4
注意點
generator和函數的執行流程不一樣：
-
函數是順序執行，遇到
return語句或者最後一行函數語句就返回。 -
而變成generator的函數，在每次調用
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，依次返回數字1，2，3：
def odd():
print('step 1')
yield 1
print('step 2')
yield(3)
print('step 3')
yield(5)
調用該generator時，首先要生成一個generator對象，然後用next()函數不斷獲得下一個返回值：
o = odd()
next(o)
# step 1
next(o)
# step 2
next(o)
# step 3
next(o)
'''
Traceback (most recent call last):
File "D:/python_project/mxxl/test/test.py", line 23, in <module>
next(o)
StopIteration
'''
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次調用next(o)就報錯。
回到fib的例子，我們在循環過程中不斷調用yield，就會不斷中斷。當然要給循環設置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()來獲取下一個返回值，而是直接使用for循環來迭代：
def fib(max):
n, a, b = 0, 0, 1
while n < max:
yield b
a, b = b, a + b
n = n + 1
return 'done'
for i in fib(6):
print(i)
# 1
# 1
# 2
# 3
# 5
# 8
但是用for循環調用generator時，發現拿不到generator的return語句的返回值。如果想要拿到返回值，必須捕獲StopIteration錯誤，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
