for循环在Python中是怎么工作的

By liuzhijun, 2017-06-29, 分类: Python技术

iterator, python

注:本文针对的示例是针对Python3,同时对Python2做了注释,注意区分自己使用的版本。

for...in 是Python程序员使用最多的语句,for 循环用于迭代容器对象中的元素,这些对象可以是列表、元组、字典、集合、文件,甚至可以是自定义类或者函数,例如:

作用于列表

>>> for elem in [1,2,3]:
...     print(elem)
...
1
2
3

作用于元组

>>> for i in ("zhang", "san", 30):
...     print(i)
...
zhang
san
30

作用于字符串

>>> for c in "abc":
...     print(c)
...
a
b
c

作用于集合

>>> for i in {"a","b","c"}:
...     print(i)
...
b
a
c

作用于字典

>>> for k in {"age":10, "name":"wang"}:
...     print(k)
...
age
name

作用于文件

>>> for line in open("requirement.txt"):
...     print(line, end="")
...
Fabric==1.12.0
Markdown==2.6.7

可能有人不经要问,为什么这么多不同类型对象都支持 for 语句,还有哪些类型的对象可以作用在 for 语句中呢?回答这个问题之前,我们先要了解 for 循环背后的执行原理。

for 循环是对容器进行迭代的过程,什么是迭代?迭代就是从某个容器对象中逐个地读取元素,直到容器中没有更多元素为止。那么,哪些对象支持迭代操作?任何对象都可以吗?先随便自定义一个类试试,看行不行:

>>> class MyRange:
...     def __init__(self, num):
...         self.num = num
...
>>> for i in MyRange(10):
...     print(i)
...
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: 'MyRange' object is not iterable

错误堆栈日志非常清楚地告诉我们,MyRange 不是一个可迭代对象,所以它不能用于迭代,那么到底什么样的对象才称得上是可迭代对象(iterable)呢?

可迭代对象需要实现__iter__方法,并返回一个迭代器,什么是迭代器呢?迭代器只需要实现 __next__方法。现在我们就来验证一下列表为什么支持迭代:

>>> x = [1,2,3]
>>> its = x.__iter__() # x有此方法,说明列表是可迭代对象
>>> its
<list_iterator object at 0x100f32198>

>>> its.__next__()  # its有此方法,说明its是迭代器
1
>>> its.__next__()
2
>>> its.__next__()
3
>>> its.__next__()
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
StopIteration

从试验结果来看,列表是一个可迭代对象,因为它实现了 __iter__方法,并且返回了一个迭代器对象(list_iterator),因为它实现了 __next__方法。我们看到它不断地调用__next__方法,其实就是不断地迭代获取容器中的元素,直到容器中没有更多元素抛出 StopIteration 异常为止。(在Python2中,实现迭代器变成了没有下划线的 next 方法)

那么 for 语句又是如何循环的呢?到这里,恐怕你也猜到了,它的步骤是:

  1. 先判断对象是否为可迭代对象,不是的话直接报错,抛出TypeError异常,是的话,调用 __iter__方法,返回一个迭代器
  2. 不断地调用迭代器的__next__方法,每次按序返回迭代器中的一个值
  3. 迭代到最后,没有更多元素了,就抛出异常 StopIteration,这个异常 python 自己会处理,不会暴露给开发者

iterator.png

对于元组,字典,字符串也是同样的道理,弄明白了 for 的执行原理之后,我们就可以实现自己的迭代器用在 for 循环中。

前面的 MyRange 报错是因为它没有实现迭代器协议里面的这两个方法,现在继续改进:

class MyRange:
    def __init__(self, num):
        self.i = 0
        self.num = num

    def __iter__(self):
        return self

    def __next__(self):
        if self.i < self.num:
            i = self.i
            self.i += 1
            return i
        else:
            # 达到某个条件时必须抛出此异常,否则会无止境地迭代下去
            raise StopIteration() 

因为它实现了__next__方法,所以 MyRange 本身已经是一个迭代器了,所以 __iter__返回的就是对象本身 self。现在用在 for 循环中试试:

for i in MyRange(3):
    print(i)
# 输出
 0
 1
 2

有没有发现,自定义的 MyRange 功能和内建函数 range很相似。for 循环本质是不断地调用迭代器的__next__方法,直到有 StopIteration 异常为止,所以任何可迭代对象都可以作用在for循环中。


关注公众号『Python之禅』(id:vttalk)获取最新文章 python之禅

猜你喜欢

2015-11-25
OS X El-Capitan 安装 virtualenvwrapper 遇到 Operation not permitted
2016-01-21
Python中的垃圾回收机制
2014-02-17
Python多线程编程
2016-12-07
好玩的Python彩蛋
2017-07-02
一本书搞定Python入门到实践
2015-12-16
Python列表对象实现原理
2014-03-26
斐波那契数列(Fibonacci)递归与非递归的性能对比
2017-07-12
简述 __init__、__new__、__call__ 方法
2016-05-19
完全理解Python迭代对象、迭代器、生成器
2015-12-10
Python字符串对象实现原理