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Python 生成器


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Python 中的生成器是一种方便地创建迭代器的方法。它们允许我们遍历一系列值,这意味着值是在需要时生成而不是存储在内存中,这对于大数据集或无限序列尤其有用。

Python 中的生成器是一种特殊类型的函数,返回一个迭代器对象。它的定义看起来类似于普通的 Python 函数,同样以 def 关键字开头。然而,与在末尾使用 return 语句不同,生成器使用 yield 关键字。

语法

以下是生成器函数的语法:

def generator():
    ...
    ...
    yield obj
it = generator()
next(it)
...

创建生成器

在 Python 中创建生成器主要有两种方式:

  • 使用生成器函数
  • 使用生成器表达式

使用生成器函数

生成器函数使用 yield 语句一次性返回值。每当调用生成器的 __next__() 方法时,生成器就会从上次 yield 语句之后的位置恢复执行。下面是一个创建生成器函数的例子。

def count_up_to(max_value):
    current = 1
    while current <= max_value:
        yield current
        current += 1

# 使用生成器
counter = count_up_to(5)
for number in counter:
    print(number)

输出:

1
2
3
4
5

使用生成器表达式

生成器表达式提供了一种紧凑的方式创建生成器。它们使用与列表推导类似的语法,但是使用圆括号 () 而不是方括号 []。

gen_expr = (x * x for x in range(1, 6))

for value in gen_expr:
    print(value)

输出:

1
4
9
16
25

生成器中的异常处理

我们可以创建一个生成器,并使用带有 StopIteration 异常处理的 while 循环来迭代它。下面代码中的函数是一个生成器,它依次生成从 1 到 5 的整数。

当这个函数被调用时,它返回一个迭代器。对 next() 方法的每次调用都会将控制权传递回生成器并获取下一个整数。

def generator(num):
   for x in range(1, num+1):
      yield x
   return
   
it = generator(5)
while True:
   try:
      print(next(it))
   except StopIteration:
      break

输出:

1
2
3
4
5

普通函数 vs 生成器函数

Python 中的普通函数和生成器函数具有不同的用途并且表现出不同的行为。理解它们之间的差异对于有效地利用它们非常重要。

普通函数计算并返回一个单一值或一组值(无论是在列表还是元组中),而一旦返回后,函数的执行就完成,并且所有局部变量都被丢弃;而生成器函数通过在每次 yield 之间暂停和恢复状态来逐个生成值。它使用 yield 语句而不是 return。

示例

在这个例子中,我们创建了一个普通函数来生成斐波那契数列,然后使用循环遍历这个列表。

def fibonacci(n):
   fibo = []
   a, b = 0, 1
   while True:
      c = a + b
      if c >= n:
         break
      fibo.append(c)
      a, b = b, c
   return fibo
f = fibonacci(10)
for i in f:
   print(i)

输出:

1
2
3
5
8

示例

在上面的例子中,我们使用普通函数创建了斐波那契数列。当我们想要在一个列表中收集所有的斐波那契数,然后使用循环遍历这个列表时,想象一下我们想要生成到一个大数为止的斐波那契数列。

在这种情况下,所有数字都必须收集在列表中,这需要大量的内存。这时生成器就很有用了,因为它一次只生成列表中的一个数字,并提供给使用者消费。下面的代码是基于生成器的斐波那契数列解决方案。

def fibonacci(n):
   a, b = 0, 1
   while True:
      c = a + b
      if c >= n:
         break
      yield c
      a, b = b, c
   return
   
f = fibonacci(10)
while True:
   try:
      print(next(f))
   except StopIteration:
      break 

输出:

1
2
3
5
8

异步生成器

异步生成器是一个协程,它返回一个异步迭代器。协程是一个使用 async 关键字定义的 Python 函数,并可以调度和等待其他协程和任务。

就像普通的生成器一样,异步生成器在每次调用 anext() 函数而不是 next() 函数时,在迭代器中生成增量项。

语法

以下是异步生成器的语法:

async def generator():
    ...
    ...
    yield obj
it = generator()
anext(it)
...

示例

下面的代码演示了一个在每次 async for 循环迭代时生成递增整数的协程生成器。

import asyncio

async def async_generator(x):
   for i in range(1, x+1):
      await asyncio.sleep(1)
      yield i
      
async def main():
   async for item in async_generator(5):
      print(item)
      
asyncio.run(main())

输出:

1
2
3
4
5

示例

现在让我们编写一个用于斐波那契数的异步生成器。为了模拟协程内的某个异步任务,程序在生成下一个数字之前调用 sleep() 方法 1 秒钟。结果是,我们将每隔一秒看到屏幕上打印出的数字。

import asyncio

async def fibonacci(n):
   a, b = 0, 1
   while True:
      c = a + b
      if c >= n:
         break
      await asyncio.sleep(1)
      yield c
      a, b = b, c
   return
   
async def main():
   f = fibonacci(10)
   async for num in f:
      print(num)
      
asyncio.run(main())

输出:

1
2
3
5
8
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