谈谈Python的生成器

第一次看到Python代码中出现yield关键字时,一脸懵逼,完全理解不了这个。网上查下解释,函数中出现了yield关键字,则调用该函数时会返回一个生成器。那到底什么是生成器呢?我们经常看到类似下面的代码

这段代码执行后打印序列0到4,所以我一开始以为这个生成器就是生成一个序列呀。那这跟迭代器有什么区别呢?我们来看下迭代器的例子:

CountIter类就是一个迭代器,它的__iter__()方法返回可迭代对象,next()方法则执行下一轮迭代(注:在Python 3.x里是__next__()方法)。上面的代码执行后也会打印序列0到4,看上去跟之前的生成器效果一样,就是代码长一点。不仅如此,生成器自带next()方法,而且在越界时也会抛出StopIteration异常。

那区别到底是什么,在何种情况下,我们应该使用生成器呢?

每次执行迭代器的next()方法并返回后,该方法的上下文环境即消失了,也就是所有在next()方法中定义的局部变量就无法被访问了。而对于生成器,每次执行next()方法后,代码会执行到yield关键字处,并将yield后的参数值返回,同时当前生成器函数的上下文会被保留下来。也就是函数内所有变量的状态会被保留,同时函数代码执行到的位置会被保留,感觉就像函数被暂停了一样。当再一次调用next()方法时,代码会从yield关键字的下一行开始执行。很神奇吧!如果执行next()时没有遇到yield关键字即退出(或返回),则抛出StopIteration异常。

本文的第一个例子是使用生成器函数来构造生成器,Python也提供了生成器表达式,下面的例子也可以打印序列0到4。

到目前为止,我们了解了生成器同迭代器在实现机制上的不同,但似乎功能是一样的,那生成器的存在有什么价值呢?我们先来看看除了next()方法外,生成器还提供了哪些方法。

    1. close()方法

顾名思义,close()方法就是关闭生成器。生成器被关闭后,再次调用next()方法,不管能否遇到yield关键字,都会立即抛出StopIteration异常。

    1. send()方法

这是我认为生成器最重要的功能,我们可以通过send()方法,向生成器内部传递参数。我们来看个例子:

还是之前的count函数,唯一的区别是我们将”yield x”的值赋给了变量value,并将其打印出来。如何给value传值呢?

我们先调用next()方法,让代码执行到yield关键字(这步必须要),当前打印出0。然后当我们调用”gen.send(‘Hello’)”时,字符串’Hello’就被传入生成器中,并作为yield关键字的执行结果赋给变量”value”,所以控制台会打印出”Received value: Hello”。然后代码继续执行,直到下一次遇到yield关键字后暂定,此时生成器返回的是1。

简单的说,send()就是next()的功能,加上传值给yield。如果你有兴趣看下Python的源码,你会发现,其实next()的实现,就是send(None)。

    1. throw()方法

除了向生成器函数内部传递参数,我们还可以传递异常。还是先看例子:

如果像往常一样调用next()方法,会返回’Normal’。再次调用next(),会进入finally语句,打印’Finally’,同时由于函数退出,生成器会抛出StopIteration异常。我们换个方式,在第一次调用next()方法后,调用throw()方法,情况会怎样?

我们会看到,throw()方法向生成器函数内部传递了”ValueError”异常,代码进入”except ValueError”语句,当遇到下一个yield时才暂停并退出,此时生成器返回的是’Error’字符串。简单的说,throw()就是next()的功能,加上传异常给yield。

聊到这里,相信大家对生成器的功能已经有了一个很好的理解。生成器不但可以逐步生成序列,不用像列表一样初始化时就要开辟所有的空间。它更大的价值,我个人认为,就是模拟并发。很多朋友可能已经知道,Python虽然可以支持多线程,但由于GIL(全局解释锁,Global Interpreter Lock)的存在,同一个时间,只能有一个线程在运行,所以无法实现真正的并发。我们暂且不讨论GIL存在的意义,这里我们提出了一个新的概念,就是协程(Coroutine)。

Python实现协程最简单的方法,就是使用yield。当一个函数在执行过程中被阻塞时,就用yield挂起,然后执行另一个函数。当阻塞结束后,可以用next()或者send()唤醒。相比多线程,协程的好处是它在一个线程内执行,避免线程之间切换带来的额外开销,而且多线程中使用共享资源,往往需要加锁,而协程不需要,因为代码的执行顺序是你完全可以预见的,不存在多个线程同时写某个共享变量而导致出错的情况。

我们来使用协程写一个生产者消费者的例子:

执行下例子,你会看到控制台交替打印出生产和消费的结果。消费者consumer()函数是一个生成器函数,每次执行到yield时即挂起,并返回上一次的结果给生产者。生产者producer()接收到生成器的返回,并生成一个新的值,通过send()方法发送给消费者。至此,我们成功实现了一个(伪)并发。

本文中的示例代码可以在这里下载

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