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Python_中的迭代器實現原理是什么?

放大字體  縮小字體 發布日期:2023-03-10 11:48:36    作者:葉麓菲    瀏覽次數:57
導讀

本文首發自「慕課網」,想了解更多IT干貨內容,程序員圈內熱聞,歡迎關注!作者| 慕課網精英講師 朱廣蔚在數學中,集合表示由一個或多個確定的元素所構成的整體。在 Python 中,列表、元組、集合可以用于表示數學中

本文首發自「慕課網」,想了解更多IT干貨內容,程序員圈內熱聞,歡迎關注!

作者| 慕課網精英講師 朱廣蔚

在數學中,集合表示由一個或多個確定的元素所構成的整體。在 Python 中,列表、元組、集合可以用于表示數學中的集合。

例如,分別使用列表、元組、集合表示了一個包含 3 個字符串的集合:

  • 列表 [‘www’, ‘imooc’, ‘com’]
  • 元組 (‘www’, ‘imooc’, ‘com’)
  • 集合 {‘www’, ‘imooc’, ‘com’}1. 可迭代對象 iterable1.1 什么是可迭代對象

    Python 提供了 for … in 循環,用于對列表、元組、集合中的元素進行遍歷。能夠被 for … in 循環遍歷的對象被稱為可迭代對象 iterable,列表、元組、集合均屬于可迭代對象。使用 for … in 循環遍歷可迭代對象的例子如下:

  • 遍歷列表的代碼

    list = ['www', 'imooc', 'com']for item in list: print(item)代碼塊123

  • 遍歷元組的代碼

    tuple = ('www', 'imooc', 'com')for item in tuple: print(item)代碼塊123

  • 遍歷集合的代碼

    set = {'www', 'imooc', 'com'}for item in set: print(item)代碼塊1231.2 盡可能使用 for … in 循環進行遍歷

    如果需要遍歷的對象是列表,可以通過訪問索引的方式進行遍歷,代碼如下:

    strings = ['www', 'imooc', 'com']i = 0while i < len(strings): string = strings[i] print(string) i = i + 1代碼塊123456

  • 在第 1 行,使用列表表示 strings
  • 在第 3 行,通過 len(strings) 獲取列表 strings 中字符串的數量
  • 在第 4 行,通過 strings[i] 訪問第 i 個元素

    以上的遍歷方式中,要求 strings 是一個列表,如果 strings 的數據結構發生變化:使用集合而不是列表表示 strings,那么通過訪問索引的方式進行遍歷的代碼就會失效。

    strings = {'www', 'imooc', 'com'}i = 0while i < len(strings): string = strings[i] print(string) i = i + 1代碼塊123456

  • 在第 1 行,使用集合表示 strings
  • 在第 3 行,通過 len(strings) 獲取集合 strings 中字符串的數量
  • 在第 4 行,通過 strings[i] 訪問第 i 個元素

    因為 strings 是一個集合,不支持索引操作,會導致運行錯誤:

    Traceback (most recent call last): File "strings.py", line 5, in <module> string = strings[i]TypeError: 'set' object does not support indexing代碼塊1234

    應盡可能使用 for … in 循環遍歷可迭代對象,如果可迭代對象的數據類型發生變化,從列表變成集合,使用for … in 循環遍歷的代碼則無需改變。

    2. 迭代器 iterator1.1 什么是迭代器

    迭代器 iterator 是一個特殊的對象,用于遍歷訪問可迭代對象 iterable。Python 通過迭代器 iterator 實現 for … in 循環語句,用戶編寫的 for … in 循環代碼如下:

    for item in iterable: print(item)代碼塊12

    這段 for … in 循環代碼會被翻譯為如下:

    iterator = iter(iterable)while True: try: item = next(iterator) print(item) except StopIteration: break代碼塊1234567

  • 在第 1 行,內置函數 iter 獲取可迭代對象 iterable 的迭代器 iterator
  • 在第 4 行,內置函數 next 獲取迭代器 iterator 返回的下一個元素
  • 在第 6 行,當迭代器遍歷完全部元素后,拋出一個特殊的異常 StopIteration,表示迭代結束1.2 列表的迭代器

    下面通過一個具體的例子,了解如何通過迭代器實現 for … in 循環,使用 for … in 循環遍歷列表的代碼如下:

    list = ['www', 'imooc', 'com']for item in list: print(item)代碼塊123

    Python 把以上 for … in 循環轉換為如下功能等價的代碼:

    list = ['www', 'imooc', 'com']listIterator = iter(list)while True: try: item = next(listIterator) print(item) except StopIteration: break代碼塊12345678

    以上兩段代碼均輸出相同的結果,如下所示:

    wwwimooccom代碼塊1233. 迭代協議

    使用迭代器遍歷訪問可迭代對象,要求迭代器和可迭代對象遵循迭代協議,迭代協議如下:

    1. 可迭代對象 iterable 提供成員方法 __iter__,該方法返回用于遍歷的迭代器 iterator

    class Iterable: def __iter__(self):代碼塊12

    1. 迭代器 iterator 提供成員方法 __next__,該方法返回下一個被遍歷的元素

    class Iterator: def __next__(self):代碼塊12

    1. 異常 StopIteration,當遍歷完全部的元素后,成員方法 __next__ 拋出一個特殊的異常 Stop Iteration 表示遍歷結束
    2. 內置函數 iter,用于獲取可迭代對象對應的迭代器

    def iter(iterable): iterator = iterable.__iter__() return iterator代碼塊123

  • 在第 1 行,iter 的輸入參數是可迭代對象 iterable
  • 在第 2 行,調用成員方法 __iter__
  • 在第 3 行,返回迭代器 iterator
    1. 內置函數 next,用于獲取下一個被遍歷的元素

    def next(iterator): item = iterator.__next__() return item代碼塊123

  • 在第 1 行,next 的輸入參數是迭代器 iterator
  • 在第 2 行,調用成員方法 __next__
  • 在第 3 行,返回被遍歷的元素

    根據以上的迭代協議,即可將 for … in 循環翻譯為如下等價代碼:

    iterator = iter(iterable)while True: try: item = next(iterator) print(item) except StopIteration: break代碼塊12345674. 實現一個自定義的迭代器4.1 通過單鏈表實現堆棧

    通過單鏈表實現堆棧,圖示如下:

    通過單鏈表實現堆棧

    在上圖中,每個節點有兩個字段: item 和 next,item 用于存儲數據,next 指向下一個節點,head 指針指向堆棧的頂部。描述堆棧的 Python 代碼如下:

    class Node: def __init__(self, item): self.item = item self.next = Noneclass Stack: def __init__(self): self.head = None def push(self, item): node = Node(item) node.next = self.head self.head = nodestack = Stack()stack.push('a')stack.push('b')stack.push('c')代碼塊123456789101112131415161718

  • 在第 1 行,定義了類 Node 用于描述鏈表中的節點
  • 在第 6 行,定義了類 Stack 描述堆棧在第 8 行,定義了頭指針 head,指向鏈表中的首個節點在第 10 行,定義了成員方法 push,將元素壓如到堆棧中在第 11 行,創建一個新節點 node在第 12 行,新節點 node 的 next 指向頭結點在第 13 行,頭結點指向新節點
  • 在第 15 行,創建一個對象 stack
  • 在第 16 行到第 18 行,依次壓入 3 個元素 ‘a’、‘b’、‘c’4.2 實現迭代協議

    class StackIterator: def __init__(self, stack): self.stack = stack self.cursor = self.stack.head def __next__(self): if self.cursor == None: raise StopIteration else: item = self.cursor.item self.cursor = self.cursor.next return item代碼塊123456789101112

  • 在第 1 行,定義類 StackIterator類 Stack 是可迭代對象類 StackIterator 是迭代器
  • 在第 2 行,定義構造函數,參數 stack 是被遍歷的對象在第 4 行,成員變量 cursor 指向了當前正在遍歷的元素,初始化被設置為鏈表的頭結點
  • 在第 6 行,定義方法 __next__在第 7 行,如果變量 cursor 等于 None,表示已經到達鏈表的尾部,即遍歷完全部的元素了在第 8 行,拋出異常 StopIteration 表示遍歷結束在第 9 行,如果變量 cursor 不等于 None在第 10 行,記錄下當前正在遍歷的元素在第 11 行,將 cursor 指向下一個元素

    在定義了 StackIterator 后,在 Stack 中增加一個新的成員方法 __iter__,返回 Stack 對應的迭代器,代碼如下:

    class Stack: def __iter__(self): return StackIterator(self) 代碼塊1234.3 通過 while 循環遍歷堆棧

    在實現了迭代協議后,使用 while 循環顯示的使用 iter、next、StopIteration 完成對 stack 的遍歷,代碼如下:

    stackIterator = iter(stack)while True: try: item = next(stackIterator) print(item) except StopIteration: break代碼塊1234567

    程序依次壓入 ‘a’、‘b’、‘c’,遍歷時以壓入相反的順序輸出,結果如下:

    cba代碼塊1234.4 通過 for … in 循環遍歷堆棧

    在實現了迭代協議后,可以通過 for … in 循環進行遍歷,代碼如下:

    for item in stack: print(item)代碼塊12

    與上一節的代碼相比,代碼要簡潔很多,程序輸出相同的結果如下:

    cba代碼塊123

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    (文/葉麓菲)
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