精通 Python 迭代器：工作原理与自定义构建

Python 迭代器

了解 Python 迭代器如何工作，如何用 for 循环或 next() 遍历，以及如何用迭代器协议创建自定义或无限迭代器。

视频：Python 迭代器

Python 中的迭代器

迭代器在 Python 中无处不在。它们支撑 for 循环、列表推导式、生成器和许多内置数据结构，常在幕后工作。

迭代器就是逐个产出数据的对象。在 Python 中，实现 __iter__() 和 __next__() 方法的对象即为迭代器。

能提供迭代器的对象称为可迭代对象。大多数内置容器——列表、元组、字符串、字典——均可迭代。内置 iter() 函数调用对象的 __iter__() 方法获取迭代器。

遍历迭代器

可用 next() 函数手动推进迭代器。迭代器耗尽后引发 StopIteration。

# 定义列表
my_list = [4, 7, 0, 3]
# 用 iter() 获取迭代器
my_iter = iter(my_list)
# 用 next() 遍历
# 输出: 4
print(next(my_iter))
# 输出: 7
print(next(my_iter))
# next(obj) 等同于 obj.__next__()
# 输出: 0
print(my_iter.__next__())
# 输出: 3
print(my_iter.__next__())
# 此处报错，无剩余项
next(my_iter)

输出

4 7 0 3 Traceback (most recent call last): File "<string>", line 24, in <module> next(my_iter) StopIteration

更自然的遍历方式是 for 循环，自动处理迭代器生命周期。

>>> for element in my_list:
... print(element)
... 4 7 0 3

for 循环如何与迭代器配合

for 循环内部转换为：

for element in iterable:
    # do something with element

等价于以下逻辑：

# 从可迭代对象创建迭代器对象
iter_obj = iter(iterable)
# 无限循环
while True:
    try:
        # 获取下一项
        element = next(iter_obj)
        # 处理 element
    except StopIteration:
        # 引发 StopIteration 时跳出循环
        break

这表明 for 循环本质是依赖迭代器协议和 StopIteration 异常终止的无限循环。

构建自定义迭代器

从零创建迭代器很简单：实现 __iter__() 返回迭代器实例（常为 self），实现 __next__() 产出下一值或耗尽时引发 StopIteration。

下例产出不超过用户指定最大指数的 2 的幂。

class PowTwo:
    """产出 2 的幂的迭代器。"""
    def __init__(self, max=0):
        self.max = max
    def __iter__(self):
        self.n = 0
        return self
    def __next__(self):
        if self.n <= self.max:
            result = 2 ** self.n
            self.n += 1
            return result
        else:
            raise StopIteration
# 创建对象
numbers = PowTwo(3)
# 从对象创建可迭代对象
i = iter(numbers)
# 用 next 获取下一迭代器元素
print(next(i))
print(next(i))
print(next(i))
print(next(i))
print(next(i))

输出

1 2 4 8 Traceback (most recent call last): File "/home/bsoyuj/Desktop/Untitled-1.py", line 32, in <module> print(next(i)) File "<string>", line 18, in __next__ raise StopIteration StopIteration

用 for 循环配合自定义迭代器同样简单：

>>> for i in PowTwo(5):
... print(i)
... 1 2 4 8 16 32

Python 无限迭代器

迭代器可无界。内置 iter() 接受可调用对象和哨兵值：反复调用函数直到返回值等于哨兵。例如：

>>> int()
0
>>> inf = iter(int,1)
>>> next(inf)
0
>>> next(inf)
0

因 int() 总返回 0，iter(int, 1) 永不见哨兵，产生无限迭代器。

也可自建无限迭代器，如产出所有奇数：

class InfIter:
    """返回连续奇数的无限迭代器。"""
    def __iter__(self):
        self.num = 1
        return self
    def __next__(self):
        num = self.num
        self.num += 2
        return num

示例运行：

>>> a = iter(InfIter())
>>> next(a)
1
>>> next(a)
3
>>> next(a)
5
>>> next(a)
7

使用无限迭代器时，始终提供终止条件以避免无限循环。

迭代器内存高效，因按需产出项。理论上可生成无限序列——如所有奇数——而不存储整个集合。

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