迭代器与生成器：Python中的流式数据处理双雄！

Python中的迭代器和生成器是用于处理数据流的重要工具。它们允许你遍历数据集合，而不需要在内存中一次性加载所有数据。这在处理大量数据或无限数据流时特别有用。

迭代器（Iterator）
迭代器是一个可以记住遍历的位置的对象。它从集合的第一个元素开始访问，直到所有的元素被访问完结束。迭代器只能往前不会后退。

创建迭代器

在Python中，你可以通过实现__iter__()和__next__()方法来创建自定义迭代器。__iter__()方法返回迭代器对象本身，__next__()方法返回容器的下一个值。当容器中没有更多元素时，__next__()方法将引发StopIteration异常。

下面是一个简单的迭代器示例：

class MyIterator:
    def __init__(self, start, end):
        self.current = start
        self.end = end

    def __iter__(self):
        return self

    def __next__(self):
        if self.current < self.end:
            value = self.current
            self.current += 1
            return value
        else:
            raise StopIteration

# 使用自定义迭代器
iterator = MyIterator(0, 5)
for i in iterator:
    print(i)
内置迭代器

Python的内置数据类型（如列表、元组、字典和集合）都支持迭代。你可以使用for循环或iter()函数和next()函数来遍历它们。

例如：

my_list = [1, 2, 3, 4, 5]
iterator = iter(my_list)
print(next(iterator))  # 输出 1
print(next(iterator))  # 输出 2
生成器（Generator）
生成器是一种特殊类型的迭代器，它使用了yield关键字而不是return来返回值。生成器允许你按需生成值，而不是一次性计算并存储所有值。这使得生成器在处理大量数据或无限数据流时非常高效。

创建生成器

你可以通过定义一个包含yield语句的函数来创建生成器。当调用这个函数时，它并不立即执行，而是返回一个生成器对象。然后，你可以使用next()函数或for循环来遍历生成器的值。每次调用next()时，生成器会执行到下一个yield语句，并返回相应的值。当生成器函数执行完毕时，它会引发StopIteration异常。

下面是一个简单的生成器示例：

def my_generator(start, end):
    current = start
    while current < end:
        yield current
        current += 1

# 使用生成器
gen = my_generator(0, 5)
for i in gen:
    print(i)
生成器表达式

除了定义包含yield的函数之外，你还可以使用生成器表达式来创建生成器。生成器表达式类似于列表推导式，但它们是按需生成值的，而不是一次性生成所有值。生成器表达式使用圆括号而不是方括号。

例如：

# 列表推导式（一次性生成所有值）
squares = [x ** 2 for x in range(10)]
print(squares)  # 输出 [0, 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81]

# 生成器表达式（按需生成值）
squares_gen = (x ** 2 for x in range(10))
print(next(squares_gen))  # 输出 0
print(next(squares_gen))  # 输出 1
迭代器的优点
1. 内存效率：迭代器不需要一次性加载所有数据到内存中，而是按需加载。这对于处理大数据集或流式数据非常有用。

2. 顺序访问：迭代器提供了一种顺序访问集合元素的方式，而不需要知道底层数据的具体实现。

3. 可重用性：你可以通过多次调用iter()函数来重新使用迭代器，只要迭代器的状态被重置。

4. 通用性：Python的for循环和许多内置函数（如map(), filter(), reduce()等）都支持迭代器协议，这意味着你可以使用迭代器与这些结构无缝集成。

生成器的优点
生成器除了具有迭代器的所有优点外，还有以下独特的优点：

1. 简洁性：生成器允许你用更少的代码实现相同的功能。与定义类并实现__iter__()和__next__()方法相比，使用yield关键字更加简洁。

2. 状态保持：生成器会自动保存其执行状态，包括局部变量和指令指针。每次调用next()或__next__()时，生成器都会从上次离开的地方继续执行。

3. 懒加载：生成器是惰性计算的，这意味着它们只在需要时才生成值。这可以提高程序的性能，特别是在处理大量数据时。

使用场景示例
迭代器使用场景：

• 遍历文件的每一行，而不需要将整个文件加载到内存中。

• 实现自定义的数据结构，如链表、树等，并提供迭代功能。

• 与数据库交互时，逐行获取查询结果，而不是一次性获取所有结果。

生成器使用场景：

• 创建一个无限的数值序列，如斐波那契数列。

• 实现协程（coroutine），用于编写异步代码。

• 在处理大数据时，按需生成和处理数据块，以减少内存占用。

示例代码
斐波那契数列生成器：

def fibonacci(n):
    a, b = 0, 1
    for _ in range(n):
        yield a
        a, b = b, a + b

# 使用生成器获取斐波那契数列的前10个数
fib_gen = fibonacci(10)
for num in fib_gen:
    print(num)
文件逐行读取迭代器：

class LineIterator:
    def __init__(self, filename):
        self.filename = filename
        self.file = None

    def __iter__(self):
        return self

    def __next__(self):
        if self.file is None:
            self.file = open(self.filename, 'r')
        line = self.file.readline().strip()
        if line:
            return line
        else:
            self.file.close()
            raise StopIteration

# 使用自定义迭代器逐行读取文件
lines = LineIterator('example.txt')
for line in lines:
    print(line)
进阶内容：生成器函数与生成器表达式
生成器函数
之前我们已经介绍了生成器函数，它们使用yield关键字而不是return来产生一系列的值。每次调用生成器函数时，它都会“记住”上次返回的位置，并在下次调用时从那个位置继续执行。这使得生成器函数非常适合表示无限的或者非常大的序列。

示例：无限的偶数生成器

def even_numbers():
    num = 0
    while True:
        yield num
        num += 2

# 创建一个生成器对象
even_gen = even_numbers()

# 打印前5个偶数
for _ in range(5):
    print(next(even_gen))
生成器表达式
生成器表达式是创建生成器的另一种简洁方式。它们看起来很像列表推导式，但是使用圆括号而不是方括号。生成器表达式按需生成值，而不是一次性生成整个列表，从而节省内存。

示例：使用生成器表达式创建平方数生成器

# 列表推导式，一次性生成所有值
squares_list = [x ** 2 for x in range(10)]
print(squares_list)  # 输出 [0, 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81]

# 生成器表达式，按需生成值
squares_gen = (x ** 2 for x in range(10))
for square in squares_gen:
    print(square)  # 逐个输出平方数
协同程序（Coroutines）与yield from
在Python中，生成器还可以作为协同程序（coroutines）使用，这意味着它们可以接收值（通过send()方法）并在生成器之间委派任务（通过yield from语句）。这使得生成器不仅可以产出值，还可以消费值，并与其他生成器协同工作。

示例：使用yield from委派生成器

def countdown(n):
    while n > 0:
        recv = yield n
        if recv is not None:
            print('Countdown interrupted with:', recv)
            n = recv  # Reset countdown value
        else:
            n -= 1

def delegating_generator(n):
    # Yield values from another generator
    yield from countdown(n)
    print("Countdown has finished.")

gen = delegating_generator(5)
print(next(gen))  # 5
print(gen.send(3))  # Interrupts countdown and sets n to 3
print(next(gen))  # 2
print(next(gen))  # 1
try:
    print(next(gen))  # Raises StopIteration, but "Countdown has finished." is printed first
except StopIteration:
    pass
迭代工具与内置函数
Python标准库提供了许多有用的迭代工具和内置函数，可以与迭代器和生成器一起使用，如itertools模块和map(), filter(), reduce()等函数。

示例：使用itertools.count创建一个无限的计数器

import itertools

# 创建一个从10开始的无限计数器
counter = itertools.count(start=10)

# 打印前5个数
for _ in range(5):
    print(next(counter))  # 输出 10, 11, 12, 13, 14
总结

Python的迭代器和生成器是处理流式数据和大型数据集的强大工具。它们允许你以内存高效的方式遍历数据，并提供了一种简洁的语法来定义自定义的迭代逻辑。通过结合使用yield、生成器表达式、协同程序和迭代工具，你可以编写出既高效又富有表现力的代码。

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