談?wù)凱ython 中的迭代器模式

在軟件開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中，人們經(jīng)常會(huì)用到這一個(gè)概念——“設(shè)計(jì)模式”（design pattern），它是一種針對(duì)軟件設(shè)計(jì)的共性問(wèn)題而提出的解決方案。在一本圣經(jīng)級(jí)的書(shū)籍《設(shè)計(jì)模式：可復(fù)用面向?qū)ο筌浖幕A(chǔ)》（1991年，Design Patterns - Elements of Reusable Object-Oriented Software）中，它提出了23種設(shè)計(jì)模式。迭代器模式就是其中的一種，在各種編程語(yǔ)言中都得到了廣泛的應(yīng)用。

本文將談?wù)?Python 中的迭代器模式，主要內(nèi)容：什么是迭代器模式、Python 如何實(shí)現(xiàn)迭代器模式、itertools 模塊創(chuàng)建迭代器的方法、其它運(yùn)用迭代器的場(chǎng)景等等，期待與你共同學(xué)習(xí)進(jìn)步。

1、什么是迭代器模式？

維基百科有如下定義：

迭代器是一種最簡(jiǎn)單也最常見(jiàn)的設(shè)計(jì)模式。它可以讓用戶透過(guò)特定的接口巡訪容器中的每一個(gè)元素而不用了解底層的實(shí)現(xiàn)?！S基百科

簡(jiǎn)單地說(shuō)，迭代器模式就是一種通用性的可以遍歷容器類型（如序列類型、集合類型等）的實(shí)現(xiàn)方式。使用迭代器模式，可以不關(guān)心遍歷的對(duì)象具體是什么（如字符串、列表、字典等等），也不需要關(guān)心遍歷的實(shí)現(xiàn)算法是什么，它關(guān)心的是從容器中遍歷/取出元素的結(jié)果。

按遍歷方式劃分，迭代器可分為內(nèi)部迭代器與外部迭代器，它們的區(qū)別在于執(zhí)行迭代動(dòng)作與維持迭代狀態(tài)的不同。

通常而言，迭代器是一次性的，當(dāng)?shù)^(guò)一輪后，再次迭代將獲取不到元素。

2、Python的迭代器模式

由于迭代器模式的使用太常見(jiàn)了，所以大多數(shù)編程語(yǔ)言都給常見(jiàn)的容器類型實(shí)現(xiàn)了它，例如 Java 中的 Collection，List、Set、Map等。在 Java 中使用迭代器遍歷 List 可這么寫(xiě)：

List list = new ArrayList<>();
Iterator iterator = list.iterator();
while(iterator.hasNext()){
    System.out.println(iterator.next());
}

ArrayList 類通過(guò)自身的 iterator() 方法獲得一個(gè)迭代器 iterator，然后由該迭代器實(shí)例來(lái)落實(shí)遍歷過(guò)程。

Python 當(dāng)然也應(yīng)用了迭代器模式，但它的實(shí)現(xiàn)思路跟上例卻不太一樣。

首先，Python 認(rèn)為遍歷容器類型并不一定要用到迭代器，因此設(shè)計(jì)了可迭代對(duì)象。

list = [1,2,3,4]
for i in list:
    print(i,end=" ") # 1 2 3 4
for i in list:
    print(i,end=" ") # 1 2 3 4

上例中的 list 是可迭代對(duì)象（Iterable），但并不是迭代器（雖然在底層實(shí)現(xiàn)時(shí)用了迭代器的部分思想）。Python 抓住了迭代器模式的本質(zhì)，即是“迭代”，賦予了它極高的地位。

如此設(shè)計(jì)的好處顯而易見(jiàn)：（1）寫(xiě)法簡(jiǎn)便，用意直白；（2）可重復(fù)迭代，避免一次性迭代器的缺陷；（3）不需要?jiǎng)?chuàng)建迭代器，減少開(kāi)銷。

可迭代對(duì)象可看作是廣義的迭代器，同時(shí)，Python 也設(shè)計(jì)了普通意義的狹義的迭代器。

list = [1,2,3,4]
it = iter(list)
for i in it:
    print(i,end=" ") # 1 2 3 4
for i in it:
    print(i,end=" ") # 無(wú)輸出

上例中的 iter() 方法會(huì)將可迭代對(duì)象變成一個(gè)迭代器。從輸出結(jié)果可以看出，該迭代器的迭代過(guò)程是一次性的。

由此看來(lái)，Python 其實(shí)是將“迭代器模式”一拆為二來(lái)實(shí)現(xiàn)：一是可迭代思想，廣泛播種于容器類型的對(duì)象中，使它們都可迭代；一是迭代器，一種特殊的可迭代對(duì)象，承擔(dān)普通意義上的迭代器所特有的迭代任務(wù)。

同時(shí)，它還提供了將可迭代對(duì)象轉(zhuǎn)化為迭代器的簡(jiǎn)易方法，如此安排，真是將迭代器模式的效力發(fā)揮到了極致。

（關(guān)于可迭代對(duì)象與迭代器的更多區(qū)別、以及它們的實(shí)現(xiàn)原理，請(qǐng)參見(jiàn)《Python進(jìn)階：迭代器與迭代器切片》）

3、創(chuàng)建迭代器

創(chuàng)建迭代器有如下方式：
（1）iter() 方法，將可迭代對(duì)象轉(zhuǎn)化成迭代器；
（2）__iter__() 與 __next__() 魔術(shù)方法，定義類實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)魔術(shù)方法；
（3）itertools 模塊，使用內(nèi)置模塊生成迭代器；
（4）其它創(chuàng)建方法，如 zip() 、map() 、enumerate() 等等。

四類方法各有適用場(chǎng)所，本節(jié)重點(diǎn)介紹 itertools 模塊。它可以創(chuàng)建三類迭代器：無(wú)限迭代器、有限迭代器與組合迭代器。

3.1 無(wú)限迭代器

count(start=0, step=1) ：創(chuàng)建一個(gè)從 start (默認(rèn)值為 0) 開(kāi)始，以 step (默認(rèn)值為 1) 為步長(zhǎng)的的無(wú)限整數(shù)迭代器。

cycle(iterable) ：對(duì)可迭代對(duì)象的元素反復(fù)執(zhí)行循環(huán)。

repeat(object [,times]) ：反復(fù)生成 object 至無(wú)限，或者到給定的 times 次。

import itertools
co = itertools.count()
cy = itertools.cycle('ABC')
re = itertools.repeat('A', 30)

# 注意：請(qǐng)分別執(zhí)行；以下寫(xiě)法未加終止判斷，只能按 Ctrl+C 退出
for n in co:
    print(n,end=" ")  # 0 1 2 3 4......
for n in cy:
    print(n,end=" ")  # A B C A B C A B......
for n in re:
    print(n,end=" ")  # A A A A A A A A....(30個(gè))

3.2 有限迭代器

以上方法，比較常用的有：chain() 將多個(gè)可迭代對(duì)象（可以是不同類型）連接成一個(gè)大迭代器；compress() 方法根據(jù)真假過(guò)濾器篩選元素；groupby() 把迭代器中相鄰的重復(fù)元素挑出來(lái)放在一起；islice() 方法返回迭代器切片（用法參見(jiàn)《Python進(jìn)階：迭代器與迭代器切片》）；tee() 方法根據(jù)可迭代對(duì)象創(chuàng)建 n 個(gè)（默認(rèn)2個(gè)）迭代器副本。

for c in itertools.chain('ABC', [1,2,3]):
    print(c,end=" ")
# 輸出結(jié)果：A B C 1 2 3

for c in itertools.compress('ABCDEF', [1, 1, 0, 1, 0, 1]):
    print(c,end=" ")
# 輸出結(jié)果：A B D F

for key, group in itertools.groupby('aaabbbaaccd'):
    print(key, ':', list(group))
# 輸出結(jié)果：
a : ['a', 'a', 'a']
b : ['b', 'b', 'b']
a : ['a', 'a']
c : ['c', 'c']
d : ['d']

itertools.tee('abc', 3)
# 輸出結(jié)果：(,
 ,
 )

3.3 組合迭代器

product() ：求解多個(gè)可迭代對(duì)象的笛卡爾積。

permutations() ：求解可迭代對(duì)象的元素的排列。

combinations()：求解可迭代對(duì)象的元素的組合。

for i in itertools.product('ABC', [1,2]):
    print(i, end=" ")
# 輸出結(jié)果：('A', 1) ('A', 2) ('B', 1) ('B', 2) ('C', 1) ('C', 2)

for i in itertools.permutations('ABC', 2):
    print(i, end=" ")
# 輸出結(jié)果：('A', 'B') ('A', 'C') ('B', 'A') ('B', 'C') ('C', 'A') ('C', 'B')

for i in itertools.combinations('ABC', 2):
    print(i, end=" ")
# 輸出結(jié)果：('A', 'B') ('A', 'C') ('B', 'C')

for i in itertools.combinations('ABCD', 3):
    print(i, end=" ")
# 輸出結(jié)果：('A', 'B', 'C') ('A', 'B', 'D') ('A', 'C', 'D') ('B', 'C', 'D')

4、強(qiáng)大的內(nèi)置迭代器方法

迭代器模式的使用場(chǎng)景實(shí)在太普遍了，而 Python 也為迭代器的順利使用而提供了很多便利的條件，本節(jié)將介紹相關(guān)的幾個(gè)內(nèi)置方法。這些方法非常常用而且強(qiáng)大，是 Python 進(jìn)階的必會(huì)內(nèi)容。

4.1 zip() 方法

zip() 方法可以同時(shí)迭代多個(gè)序列，并各取一個(gè)元素，生成一個(gè)可返回元組的迭代器。此迭代器的長(zhǎng)度以較短序列的長(zhǎng)度保持一致，若想生成較長(zhǎng)序列的長(zhǎng)度，需要使用 itertools 模塊的 zip_longest() 方法。

import itertools

a = [1, 2, 3]
b = ['w', 'x', 'y', 'z']

for i in zip(a,b):
    print(i,end=" ")  # (1, 'w') (2, 'x') (3, 'y')

# 空缺值以 None 填補(bǔ)
for i in itertools.zip_longest(a,b):
    print(i,end=" ")  # (1, 'w') (2, 'x') (3, 'y') (None, 'z')

4.2 enumerate() 方法

enumerate() 方法接收一個(gè)序列類型參數(shù)，生成一個(gè)可返回元組的迭代器，元組內(nèi)容是下標(biāo)及其對(duì)應(yīng)的元素值。它還可接收一個(gè)可選參數(shù)，指定下標(biāo)的起始值，默認(rèn)是0 。

注意：眾所周知，Python 中序列的索引值從 0 開(kāi)始，但是，enumerate() 可以達(dá)到改變起始索引數(shù)值的效果。

seasons = ['Spring', 'Summer', 'Fall', 'Winter']

for i in enumerate(seasons):
    print(i,end=" ")  
#輸出結(jié)果：(0, 'Spring') (1, 'Summer') (2, 'Fall') (3, 'Winter')

for i in enumerate(seasons, start=7):
    print(i,end=" ")  
#輸出結(jié)果：(7, 'Spring') (8, 'Summer') (9, 'Fall') (10, 'Winter')

4.3 map() 方法

map() 方法的參數(shù)是一個(gè)函數(shù)及一個(gè)或多個(gè)可迭代對(duì)象，它會(huì)將可迭代對(duì)象的元素映射到該函數(shù)中，然后迭代地運(yùn)行該函數(shù)，返回結(jié)果也是一個(gè)迭代器。當(dāng)存在多個(gè)可迭代對(duì)象參數(shù)時(shí)，迭代長(zhǎng)度等于較短對(duì)象的長(zhǎng)度。

def square(x):
    return x ** 2

l = map(square, [1, 2, 3, 4, 5])
print(list(l))
# 輸出結(jié)果：[1, 4, 9, 16, 25]

m = map(lambda x, y: x + y, [1, 3, 5, 7, 9], [2, 4, 6, 8, 10, 2])
print(list(m))
# 輸出結(jié)果：[3, 7, 11, 15, 19]

4.4 filter() 方法

filter() 方法的參數(shù)是一個(gè)判斷函數(shù)及一個(gè)可迭代對(duì)象，遍歷可迭代對(duì)象執(zhí)行判斷函數(shù)，過(guò)濾下判斷為T(mén)rue 的元素，與它相對(duì)，若想保留判斷為 False 的元素，可使用 itertoole 模塊的 filterfalse() 方法。

import itertools

fi = filter(lambda x: x%2, range(10))
ff = itertools.filterfalse(lambda x: x%2, range(10))

for i in fi:
    print(i,end=" ")
# 輸出結(jié)果：1 3 5 7 9

for i in ff:
    print(i,end=" ")
# 輸出結(jié)果：0 2 4 6 8

5. 小結(jié)

迭代器模式幾乎是 23 種設(shè)計(jì)模式中最常用的設(shè)計(jì)模式，本文主要介紹了 Python 是如何運(yùn)用迭代器模式，并介紹了 itertools 模塊生成迭代器的 18 種方法，以及 5 種生成迭代器的內(nèi)置方法。

編輯：hfy