迭代器与生成器：Python 中的高效数据遍历机制

一、迭代器和生成器的基本概念

1. 迭代器的定义和工作原理

（1）迭代器的概念

迭代器（Iterator） 是 Python 中一种支持逐个访问元素的对象，它遵循 迭代器协议（Iterator Protocol），即实现了两个特殊方法：

__iter__()：返回迭代器对象本身。
__next__()：返回容器中的下一个元素；当没有更多元素时，抛出 StopIteration 异常。

迭代器提供了一种统一的方式来遍历各种可迭代对象（如列表、元组、字典、集合、文件等），而无需关心其内部结构。它实现了“用同一种方式遍历不同数据结构”的设计思想。

注意：range() 并不是一个迭代器，而是一个 可迭代对象（iterable）。调用 iter(range(5)) 才会得到一个迭代器。

（2）迭代器的特点

单向遍历：只能向前移动，不能回退或重置（除非重新创建）。
状态保持：迭代器自身维护当前遍历位置的状态。
惰性求值：许多迭代器采用惰性计算策略，按需生成数据，节省内存。
一次性使用：一旦遍历完成（触发 StopIteration），该迭代器通常无法再次使用（除非是特殊设计的可重置迭代器）。

（3）迭代器的使用方式

使用 for 循环自动调用 __iter__() 和 __next__()
手动使用 next(iterator) 获取下一个元素

my_list = [1, 2, 3]
it = iter(my_list)
print(next(it))  # 1
print(next(it))  # 2
print(next(it))  # 3
# print(next(it))  # StopIteration

（4）迭代器的优势

内存效率高：不一次性加载所有数据到内存。
适用于大数据流：如读取大文件、网络流、传感器数据等。
统一接口：为不同数据结构提供一致的遍历方式。

2. 生成器的定义和特点

生成器（Generator） 是一种特殊的迭代器，由生成器函数或生成器表达式创建。它自动实现了 __iter__() 和 __next__() 方法，并能“记住”函数执行的状态。

（1）生成器的核心机制：`yield`

yield 关键字使函数暂停并返回一个值，下次调用 next() 时从暂停处继续执行。
与 return 不同，yield 不终止函数，而是“挂起”函数状态。

def count_up_to(n):i = 1while i <= n:yield ii += 1gen = count_up_to(3)
print(list(gen))  # [1, 2, 3]

（2）生成器的特点

自动实现迭代器协议：无需手动编写 __iter__ 和 __next__。
惰性计算：按需生成值，极大节省内存。
状态保存：函数局部变量在 yield 后仍保留。
简洁语法：代码更清晰，易于编写复杂迭代逻辑。

3. 迭代器与生成器的区别与联系

特性	迭代器	生成器
创建方式	实现 `__iter__` 和 `__next__` 类	使用 `yield` 函数或 `(expr)` 表达式
编写复杂度	较高，需手动管理状态	简单，函数式风格
内存占用	通常较低	极低（函数栈 + 局部变量）
可重用性	一般不可重用	一般不可重用
是否为迭代器	是	是（生成器是迭代器的子集）
惰性计算	支持	支持
调试难度	相对容易	状态隐式，调试略难

联系：
所有生成器都是迭代器，但并非所有迭代器都是生成器。
生成器是对迭代器的高级封装，简化了迭代器的创建过程。

二、迭代器的实现和使用

1. 使用 `iter()` 和 `next()` 手动操作

data = [10, 20, 30]
it = iter(data)
while True:try:value = next(it)print(value)except StopIteration:break

2. 自定义迭代器类

class CountDown:def __init__(self, start):self.start = startdef __iter__(self):return selfdef __next__(self):if self.start <= 0:raise StopIterationself.start -= 1return self.start + 1for n in CountDown(3):print(n)  # 3, 2, 1

3. 内置迭代工具的使用

Python 提供了丰富的内置迭代工具，位于 itertools 模块中：

enumerate(iterable)：返回索引和值
zip(*iterables)：并行遍历多个序列
itertools.count()：无限计数器
itertools.cycle()：循环遍历
itertools.chain()：连接多个迭代器

from itertools import countcounter = count(1, 2)  # 1, 3, 5, ...
print(next(counter))  # 1
print(next(counter))  # 3

三、生成器的实现和使用

1. 生成器函数与 `yield`

def fibonacci():a, b = 0, 1while True:yield aa, b = b, a + bfib = fibonacci()
print([next(fib) for _ in range(10)])  # [0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34]

2. 生成器表达式

语法类似于列表推导式，但使用 () 而非 []，返回生成器对象。

gen = (x**2 for x in range(5))
print(list(gen))  # [0, 1, 4, 9, 16]

优点：内存占用极小，适合大数据集处理。

3. 惰性计算特性

生成器只在需要时才计算下一个值，非常适合处理以下场景：

大文件逐行读取
数据流处理
无限序列生成

def read_large_file(file_path):with open(file_path, 'r') as f:for line in f:yield line.strip()

四、实际应用场景

1. 处理大数据集时的内存优化

使用生成器避免将整个数据集加载到内存中：

#  危险：可能耗尽内存
lines = [line.strip() for line in open('huge_file.txt')]#  安全：逐行处理
def process_lines(filename):with open(filename) as f:for line in f:yield clean(line)for line in process_lines('huge_file.txt'):print(line)

2. 实现无限序列

def natural_numbers():n = 1while True:yield nn += 1nums = natural_numbers()
print([next(nums) for _ in range(5)])  # [1, 2, 3, 4, 5]

3. 协程与异步编程中的应用

生成器曾是 Python 协程的基础（@asyncio.coroutine + yield from），虽然后来被 async/await 取代，但理解生成器对掌握异步编程仍有帮助。

def echo():while True:received = yieldprint(f"Received: {received}")e = echo()
next(e)  # 启动生成器
e.send("Hello")  # Received: Hello

五、性能对比与注意事项

1. 性能对比

场景	推荐方式	原因
小数据、需多次遍历	列表	支持索引、可重复使用
大数据、单次遍历	生成器	内存友好
复杂状态控制	自定义迭代器	更灵活的状态管理
快速构建简单迭代	生成器表达式	语法简洁

2. 何时选择迭代器或生成器？

选择生成器：逻辑清晰、函数式风格、一次性遍历、内存敏感。
选择自定义迭代器：需要复杂状态管理、支持重置、多次遍历、面向对象设计。

3. 常见错误与调试技巧

错误1：重复使用已耗尽的生成器

gen = (x for x in range(3))
print(list(gen))  # [0, 1, 2]
print(list(gen))  # [] —— 已耗尽！

解决方案：重新创建生成器或转为列表（牺牲内存）。

错误2：忘记启动协程（使用 send 前未调用 next）

gen = echo()
# gen.send("Hi")  # TypeError: can't send non-None value to a just-started generator
next(gen)  # 或 gen.send(None)
gen.send("Hi")

调试建议：
使用 itertools.tee() 复制迭代器用于调试（注意内存开销）
将生成器转为列表进行测试（仅限小数据）

六、进阶话题

1. 生成器的 `send`、`throw` 和 `close` 方法

send(value)：向生成器发送值，作为 yield 表达式的返回值
throw(exc)：在生成器内引发异常
close()：关闭生成器，触发 GeneratorExit

def accumulator():total = 0while True:value = yield totalif value is not None:total += valueacc = accumulator()
print(next(acc))      # 0
print(acc.send(10))   # 10
print(acc.send(5))    # 15
acc.close()

2. 使用 `yield from` 简化嵌套生成器

yield from 可以将子生成器的值直接“委托”给外层生成器。

def sub_generator():yield "a"yield "b"def main_generator():yield 1yield from sub_generator()yield 2list(main_generator())  # [1, 'a', 'b', 2]

3. 结合 `asyncio` 实现异步生成器

Python 3.6+ 支持异步生成器，可用于异步数据流处理。

import asyncioasync def async_counter():for i in range(3):await asyncio.sleep(1)yield iasync def main():async for num in async_counter():print(num)# asyncio.run(main())