Python 中的迭代器實(shí)現(xiàn)原理

在數(shù)學(xué)中，集合表示由一個(gè)或多個(gè)確定的元素所構(gòu)成的整體。在 Python 中，列表、元組、集合可以用于表示數(shù)學(xué)中的集合。

例如，分別使用列表、元組、集合表示了一個(gè)包含 3 個(gè)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(duì)象 iterable

1.1 什么是可迭代對(duì)象

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

遍歷列表的代碼

list = ['www', 'imooc', 'com']

for item in list:

print(item)

遍歷元組的代碼

tuple = ('www', 'imooc', 'com')

for item in tuple:

print(item)

遍歷集合的代碼

set = {'www', 'imooc', 'com'}

for item in set:

print(item)

1.2 盡可能使用 for … in 循環(huán)進(jìn)行遍歷

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

strings = ['www', 'imooc', 'com']

i = 0

while i < len(strings):

string = strings[i]

print(string)

i = i + 1

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(shù)量

在第 4 行，通過 strings[i] 訪問第 i 個(gè)元素

以上的遍歷方式中，要求 strings 是一個(gè)列表，如果 strings 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)發(fā)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(jìn)行遍歷的代碼就會(huì)失效。

strings = {'www', 'imooc', 'com'}

i = 0

while i < len(strings):

string = strings[i]

print(string)

i = i + 1

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(shù)量

在第 4 行，通過 strings[i] 訪問第 i 個(gè)元素

因?yàn)?strings 是一個(gè)集合，不支持索引操作，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行錯(cuò)誤：

Traceback (most recent call last):

File "strings.py", line 5, in

string = strings[i]

TypeError: 'set' object does not support indexing

應(yīng)盡可能使用 for … in 循環(huán)遍歷可迭代對(duì)象，如果可迭代對(duì)象的數(shù)據(jù)類型發(fā)生變化，從列表變成集合，使用for … in 循環(huán)遍歷的代碼則無需改變。

2. 迭代器 iterator

1.1 什么是迭代器

迭代器 iterator 是一個(gè)特殊的對(duì)象，用于遍歷訪問可迭代對(duì)象 iterable。Python 通過迭代器 iterator 實(shí)現(xiàn) for … in 循環(huán)語句，用戶編寫的 for … in 循環(huán)代碼如下：

for item in iterable:

print(item)

這段 for … in 循環(huán)代碼會(huì)被翻譯為如下：

iterator = iter(iterable)

while True:

try:

item = next(iterator)

print(item)

except StopIteration:

break

在第 1 行，內(nèi)置函數(shù) iter 獲取可迭代對(duì)象 iterable 的迭代器 iterator

在第 4 行，內(nèi)置函數(shù) next 獲取迭代器 iterator 返回的下一個(gè)元素

在第 6 行，當(dāng)?shù)鞅闅v完全部元素后，拋出一個(gè)特殊的異常 StopIteration，表示迭代結(jié)束

1.2 列表的迭代器

下面通過一個(gè)具體的例子，了解如何通過迭代器實(shí)現(xiàn) for … in 循環(huán)，使用 for … in 循環(huán)遍歷列表的代碼如下：

list = ['www', 'imooc', 'com']

for item in list:

print(item)

Python 把以上 for … in 循環(huán)轉(zhuǎn)換為如下功能等價(jià)的代碼：

list = ['www', 'imooc', 'com']

listIterator = iter(list)

while True:

try:

item = next(listIterator)

print(item)

except StopIteration:

break

以上兩段代碼均輸出相同的結(jié)果，如下所示：

www

imooc

com

3. 迭代協(xié)議

使用迭代器遍歷訪問可迭代對(duì)象，要求迭代器和可迭代對(duì)象遵循迭代協(xié)議，迭代協(xié)議如下：

可迭代對(duì)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):

迭代器 iterator 提供成員方法 __next__，該方法返回下一個(gè)被遍歷的元素

class Iterator:

def __next__(self):

異常 StopIteration，當(dāng)遍歷完全部的元素后，成員方法 __next__ 拋出一個(gè)特殊的異常 Stop Iteration 表示遍歷結(jié)束

內(nèi)置函數(shù) iter，用于獲取可迭代對(duì)象對(duì)應(yīng)的迭代器

def iter(iterable):

iterator = iterable.__iter__()

return iterator

在第 1 行，iter 的輸入?yún)?shù)是可迭代對(duì)象 iterable

在第 2 行，調(diào)用成員方法 __iter__

在第 3 行，返回迭代器 iterator

內(nèi)置函數(shù) next，用于獲取下一個(gè)被遍歷的元素

def next(iterator):

item = iterator.__next__()

return item

在第 1 行，next 的輸入?yún)?shù)是迭代器 iterator

在第 2 行，調(diào)用成員方法 __next__

在第 3 行，返回被遍歷的元素

根據(jù)以上的迭代協(xié)議，即可將 for … in 循環(huán)翻譯為如下等價(jià)代碼：

iterator = iter(iterable)

while True:

try:

item = next(iterator)

print(item)

except StopIteration:

break

4. 實(shí)現(xiàn)一個(gè)自定義的迭代器

4.1 通過單鏈表實(shí)現(xiàn)堆棧

通過單鏈表實(shí)現(xiàn)堆棧，圖示如下：

通過單鏈表實(shí)現(xiàn)堆棧

在上圖中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)字段: item 和 next，item 用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，next 指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，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 = None

class Stack:

def __init__(self):

self.head = None

def push(self, item):

node = Node(item)

node.next = self.head

self.head = node

stack = Stack()

stack.push('a')

stack.push('b')

stack.push('c')

在第 1 行，定義了類 Node 用于描述鏈表中的節(jié)點(diǎn)

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(gè)節(jié)點(diǎn)

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(chuàng)建一個(gè)新節(jié)點(diǎn) node

在第 12 行，新節(jié)點(diǎn) node 的 next 指向頭結(jié)點(diǎn)

在第 13 行，頭結(jié)點(diǎn)指向新節(jié)點(diǎn)

在第 15 行，創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象 stack

在第 16 行到第 18 行，依次壓入 3 個(gè)元素 ‘a(chǎn)’、‘b’、‘c’

4.2 實(shí)現(xiàn)迭代協(xié)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

在第 1 行，定義類 StackIterator

類 Stack 是可迭代對(duì)象

類 StackIterator 是迭代器

在第 2 行，定義構(gòu)造函數(shù)，參數(shù) stack 是被遍歷的對(duì)象

在第 4 行，成員變量 cursor 指向了當(dāng)前正在遍歷的元素，初始化被設(shè)置為鏈表的頭結(jié)點(diǎn)

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(jīng)到達(dá)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(jié)束

在第 9 行，如果變量 cursor 不等于 None

在第 10 行，記錄下當(dāng)前正在遍歷的元素

在第 11 行，將 cursor 指向下一個(gè)元素

在定義了 StackIterator 后，在 Stack 中增加一個(gè)新的成員方法 __iter__，返回 Stack 對(duì)應(yīng)的迭代器，代碼如下：

class Stack:

def __iter__(self):

return StackIterator(self)

4.3 通過 while 循環(huán)遍歷堆棧

在實(shí)現(xiàn)了迭代協(xié)議后，使用 while 循環(huán)顯示的使用 iter、next、StopIteration 完成對(duì) stack 的遍歷，代碼如下：

stackIterator = iter(stack)

while True:

try:

item = next(stackIterator)

print(item)

except StopIteration:

break

程序依次壓入 ‘a(chǎn)’、‘b’、‘c’，遍歷時(shí)以壓入相反的順序輸出，結(jié)果如下：

c

b

a

4.4 通過 for … in 循環(huán)遍歷堆棧

在實(shí)現(xiàn)了迭代協(xié)議后，可以通過 for … in 循環(huán)進(jìn)行遍歷，代碼如下：

for item in stack:

print(item)

與上一節(jié)的代碼相比，代碼要簡潔很多，程序輸出相同的結(jié)果如下：

c

b

a

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的python中迭代器的实现原理_Python 进阶应用教程的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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