Python中的迭代器与可迭代对象

描述
在Python中，迭代是访问集合元素的一种方式，而迭代器（Iterator）和可迭代对象（Iterable）是支持迭代的核心概念。可迭代对象是指能够被遍历的对象（如列表、元组），而迭代器是实际执行遍历操作的对象。理解它们的区别和联系对于掌握Python的循环机制和自定义迭代行为至关重要。

1. 可迭代对象（Iterable）的定义与识别

• 定义：可迭代对象是指实现了__iter__()方法的对象，该方法返回一个迭代器。常见的可迭代对象包括列表、元组、字典、字符串等。
• 验证方法：使用isinstance(obj, Iterable)（需从collections.abc导入Iterable）判断对象是否可迭代。例如：

  from collections.abc import Iterable
  print(isinstance([1, 2], Iterable))  # 输出 True
  

• 原理：当使用for循环遍历可迭代对象时，Python会先调用其__iter__()方法获取迭代器，再通过迭代器逐个取值。

2. 迭代器（Iterator）的定义与特性

• 定义：迭代器是实现了__iter__()和__next__()方法的对象。__iter__()返回迭代器自身（便于统一处理），__next__()每次返回下一个元素，若无元素则抛出StopIteration异常。
• 特性：
  • 迭代器是惰性的，只在需要时生成值，节省内存。
  • 迭代器只能向前遍历，不能回退或重置。
• 示例：使用iter()函数将可迭代对象转换为迭代器：

  my_list = [1, 2]
  it = iter(my_list)  # 等价于 my_list.__iter__()
  print(next(it))     # 输出 1（等价于 it.__next__()）
  

3. 可迭代对象与迭代器的关系

• 区别：
  • 可迭代对象不一定是迭代器（如列表可直接遍历，但本身不是迭代器）。
  • 迭代器一定是可迭代对象（因其实现了__iter__()）。
• 联系：可迭代对象通过__iter__()方法生成迭代器，迭代器通过__next__()实现遍历。
• 验证：使用isinstance(obj, Iterator)（需导入Iterator）判断是否为迭代器：

  from collections.abc import Iterator
  my_list = [1, 2]
  print(isinstance(my_list, Iterator))  # False（列表不是迭代器）
  print(isinstance(iter(my_list), Iterator))  # True
  

4. 自定义可迭代对象与迭代器

• 需求：创建一个可迭代对象，生成指定范围内的偶数。
• 步骤：
  a. 定义迭代器类：

  class EvenIterator:
      def __init__(self, start, end):
          self.current = start
          self.end = end
  
      def __iter__(self):
          return self  # 返回自身，因为迭代器本身可迭代
  
      def __next__(self):
          if self.current >= self.end:
              raise StopIteration
          value = self.current
          self.current += 2
          return value
  

  b. 定义可迭代对象类：

  class EvenRange:
      def __init__(self, start, end):
          self.start = start
          self.end = end
  
      def __iter__(self):
          # 返回一个新的迭代器实例
          return EvenIterator(self.start, self.end)
  

  c. 使用：

  even_nums = EvenRange(0, 6)
  for num in even_nums:
      print(num)  # 输出 0, 2, 4
  

5. 简化实现：合并可迭代对象与迭代器
若可迭代对象自身实现__next__()，则可简化为一个类（常见做法）：

class EvenRange:
    def __init__(self, start, end):
        self.current = start
        self.end = end
    
    def __iter__(self):
        return self  # 自身作为迭代器
    
    def __next__(self):
        if self.current >= self.end:
            raise StopIteration
        value = self.current
        self.current += 2
        return value

注意：这种简化方式只能迭代一次，因为迭代后current状态已改变。若需重复迭代，需在__iter__()中重置状态。

6. 实际应用：生成器作为迭代器的便捷实现
Python的生成器（Generator）是更简单的迭代器实现方式，使用yield关键字：

def even_range(start, end):
    current = start
    while current < end:
        yield current
        current += 2

# 生成器函数返回生成器对象（既是可迭代对象也是迭代器）
nums = even_range(0, 6)
print(next(nums))  # 输出 0
for num in nums:   # 继续输出 2, 4
    print(num)

生成器自动实现__iter__()和__next__()，无需显式定义类。

总结

• 可迭代对象：实现__iter__()，用于生成迭代器。
• 迭代器：实现__iter__()和__next__()，负责遍历。
• 关系：可迭代对象是数据的容器，迭代器是遍历工具。
• 工具：iter()和next()函数、生成器简化迭代器实现。