Python進(jìn)階——如何正確使用yield？
在 Python 開發(fā)中，yield 關(guān)鍵字的使用其實(shí)較為頻繁，例如大集合的生成，簡(jiǎn)化代碼結(jié)構(gòu)、協(xié)程與并發(fā)都會(huì)用到它。
但是，你是否真正了解 yield 的運(yùn)行過(guò)程呢？
這篇文章，我們就來(lái)看一下 yield 的運(yùn)行流程，以及在開發(fā)中哪些場(chǎng)景適合使用 yield。
生成器
如果在一個(gè)方法內(nèi)，包含了 yield 關(guān)鍵字，那么這個(gè)函數(shù)就是一個(gè)「生成器」。
生成器其實(shí)就是一個(gè)特殊的迭代器，它可以像迭代器那樣，迭代輸出方法內(nèi)的每個(gè)元素。
如果你還不清楚「迭代器」是什么，可以參考我寫的這篇文章：Python進(jìn)階——迭代器和可迭代對(duì)象有什么區(qū)別？
我們來(lái)看一個(gè)包含 yield 關(guān)鍵字的方法：
- # coding: utf8
- # 生成器
- def gen(n):
- for i in range(n):
- yield i
- g = gen(5) # 創(chuàng)建一個(gè)生成器
- print(g) # <generator object gen at 0x10bb46f50>
- print(type(g)) # <type 'generator'>
- # 迭代生成器中的數(shù)據(jù)
- for i in g:
- print(i)
- # Output:
- # 0 1 2 3 4
注意，在這個(gè)例子中，當(dāng)我們執(zhí)行 g = gen(5) 時(shí)，gen 中的代碼其實(shí)并沒有執(zhí)行，此時(shí)我們只是創(chuàng)建了一個(gè)「生成器對(duì)象」，它的類型是 generator。
然后，當(dāng)我們執(zhí)行 for i in g，每執(zhí)行一次循環(huán)，就會(huì)執(zhí)行到 yield 處，返回一次 yield 后面的值。
這個(gè)迭代過(guò)程是和迭代器最大的區(qū)別。
換句話說(shuō)，如果我們想輸出 5 個(gè)元素，在創(chuàng)建生成器時(shí)，這個(gè) 5 個(gè)元素其實(shí)還并沒有產(chǎn)生，什么時(shí)候產(chǎn)生呢？只有在執(zhí)行 for 循環(huán)遇到 yield 時(shí)，才會(huì)依次生成每個(gè)元素。
此外，生成器除了和迭代器一樣實(shí)現(xiàn)迭代數(shù)據(jù)之外，還包含了其他方法：
- generator.__next__()：執(zhí)行 for 時(shí)調(diào)用此方法，每次執(zhí)行到 yield 就會(huì)停止，然后返回 yield 后面的值，如果沒有數(shù)據(jù)可迭代，拋出 StopIterator 異常，for 循環(huán)結(jié)束
- generator.send(value)：外部傳入一個(gè)值到生成器內(nèi)部，改變 yield 前面的值
- generator.throw(type[, value[, traceback]])：外部向生成器拋出一個(gè)異常
- generator.close()：關(guān)閉生成器
通過(guò)使用生成器的這些方法，我們可以完成很多有意思的功能。
__next__
先來(lái)看生成器的 __next__ 方法，我們看下面這個(gè)例子。
- # coding: utf8
- def gen(n):
- for i in range(n):
- print('yield before')
- yield i
- print('yield after')
- g = gen(3) # 創(chuàng)建一個(gè)生成器
- print(g.__next__()) # 0
- print('----')
- print(g.__next__()) # 1
- print('----')
- print(g.__next__()) # 2
- print('----')
- print(g.__next__()) # StopIteration
- # Output:
- # yield before
- # 0
- # ----
- # yield after
- # yield before
- # 1
- # ----
- # yield after
- # yield before
- # 2
- # ----
- # yield after
- # Traceback (most recent call last):
- # File "gen.py", line 16, in <module>
- # print(g.__next__()) # StopIteration
- # StopIteration
在這個(gè)例子中，我們定義了 gen 方法，這個(gè)方法包含了 yield 關(guān)鍵字。然后我們執(zhí)行 g = gen(3) 創(chuàng)建一個(gè)生成器，但是這次沒有執(zhí)行 for 去迭代它，而是多次調(diào)用 g.__next__() 去輸出生成器中的元素。
我們看到，當(dāng)執(zhí)行 g.__next__()時(shí)，代碼就會(huì)執(zhí)行到 yield 處，然后返回 yield 后面的值，如果繼續(xù)調(diào)用 g.__next__()，注意，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，這次執(zhí)行的開始位置，是上次 yield 結(jié)束的地方，并且它還保留了上一次執(zhí)行的上下文，繼續(xù)向后迭代。
這就是使用 yield 的作用，在迭代生成器時(shí)，每一次執(zhí)行都可以保留上一次的狀態(tài)，而不是像普通方法那樣，遇到 return 就返回結(jié)果，下一次執(zhí)行只能再次重復(fù)上一次的流程。
生成器除了能保存狀態(tài)之外，我們還可以通過(guò)其他方式，改變其內(nèi)部的狀態(tài)，這就是下面要講的 send 和 throw 方法。
send
上面的例子中，我們只展示了在 yield 后有值的情況，其實(shí)還可以使用 j = yield i 這種語(yǔ)法，我們看下面的代碼：
- # coding: utf8
- def gen():
- i = 1
- while True:
- j = yield i
- i *= 2
- if j == -1:
- break
此時(shí)如果我們執(zhí)行下面的代碼：
- for i in gen():
- print(i)
- time.sleep(1)
輸出結(jié)果會(huì)是 1 2 4 8 16 32 64 ... 一直循環(huán)下去， 直到我們殺死這個(gè)進(jìn)程才能停止。
這段代碼一直循環(huán)的原因在于，它無(wú)法執(zhí)行到 j == -1 這個(gè)分支里 break 出來(lái)，如果我們想讓代碼執(zhí)行到這個(gè)地方，如何做呢？
這里就要用到生成器的 send 方法了，send 方法可以把外部的值傳入生成器內(nèi)部，從而改變生成器的狀態(tài)。
代碼可以像下面這樣寫：
- g = gen() # 創(chuàng)建一個(gè)生成器
- print(g.__next__()) # 1
- print(g.__next__()) # 2
- print(g.__next__()) # 4
- # send 把 -1 傳入生成器內(nèi)部 走到了 j = -1 這個(gè)分支
- print(g.send(-1)) # StopIteration 迭代停止
當(dāng)我們執(zhí)行 g.send(-1) 時(shí)，相當(dāng)于把 -1 傳入到了生成器內(nèi)部，然后賦值給了 yield 前面的 j，此時(shí) j = -1，然后這個(gè)方法就會(huì) break 出來(lái)，不會(huì)繼續(xù)迭代下去。
throw
外部除了可以向生成器內(nèi)部傳入一個(gè)值外，還可以傳入一個(gè)異常，也就是調(diào)用 throw 方法：
- # coding: utf8
- def gen():
- try:
- yield 1
- except ValueError:
- yield 'ValueError'
- finally:
- print('finally')
- g = gen() # 創(chuàng)建一個(gè)生成器
- print(g.__next__()) # 1
- # 向生成器內(nèi)部傳入異常 返回ValueError
- print(g.throw(ValueError))
- # Output：
- # 1
- # ValueError
- # finally
這個(gè)例子創(chuàng)建好生成器后，使用 g.throw(ValueError) 的方式，向生成器內(nèi)部傳入了一個(gè)異常，走到了生成器異常處理的分支邏輯。
close
生成器的 close 方法也比較簡(jiǎn)單，就是手動(dòng)關(guān)閉這個(gè)生成器，關(guān)閉后的生成器無(wú)法再進(jìn)行操作。
- >>> g = gen()
- >>> g.close() # 關(guān)閉生成器
- >>> g.__next__() # 無(wú)法迭代數(shù)據(jù)
- Traceback (most recent call last):
- File "<stdin>", line 1, in <module>
- StopIteration
close 方法我們?cè)陂_發(fā)中使用得比較少，了解一下就好。
使用場(chǎng)景
了解了 yield 和生成器的使用方式，那么 yield 和生成器一般用在哪些業(yè)務(wù)場(chǎng)景中呢？
下面我介紹幾個(gè)例子，分別是大集合的生成、簡(jiǎn)化代碼結(jié)構(gòu)、協(xié)程與并發(fā)，你可以參考這些使用場(chǎng)景來(lái)使用 yield。
大集合的生成
如果你想生成一個(gè)非常大的集合，如果使用 list 創(chuàng)建一個(gè)集合，這會(huì)導(dǎo)致在內(nèi)存中申請(qǐng)一個(gè)很大的存儲(chǔ)空間，例如想下面這樣：
- # coding: utf8
- def big_list():
- result = []
- for i in range(10000000000):
- result.append(i)
- return result
- # 一次性在內(nèi)存中生成大集合 內(nèi)存占用非常大
- for i in big_list():
- print(i)
這種場(chǎng)景，我們使用生成器就能很好地解決這個(gè)問(wèn)題。
因?yàn)樯善髦挥性趫?zhí)行到 yield 時(shí)才會(huì)迭代數(shù)據(jù)，這時(shí)只會(huì)申請(qǐng)需要返回元素的內(nèi)存空間，代碼可以這樣寫：
- # coding: utf8
- def big_list():
- for i in range(10000000000):
- yield i
- # 只有在迭代時(shí) 才依次生成元素 減少內(nèi)存占用
- for i in big_list():
- print(i)
簡(jiǎn)化代碼結(jié)構(gòu)
我們?cè)陂_發(fā)時(shí)還經(jīng)常遇到這樣一種場(chǎng)景，如果一個(gè)方法要返回一個(gè) list，但這個(gè) list 是多個(gè)邏輯塊組合后才能產(chǎn)生的，這就會(huì)導(dǎo)致我們的代碼結(jié)構(gòu)變得很復(fù)雜：
- # coding: utf8
- def gen_list():
- # 多個(gè)邏輯塊 組成生成一個(gè)列表
- result = []
- for i in range(10):
- result.append(i)
- for j in range(5):
- result.append(j * j)
- for k in [100, 200, 300]:
- result.append(k)
- return result
- for item in gen_list():
- print(item)
這種情況下，我們只能在每個(gè)邏輯塊內(nèi)使用 append 向 list 中追加元素，代碼寫起來(lái)比較啰嗦。
此時(shí)如果使用 yield 來(lái)生成這個(gè) list，代碼就簡(jiǎn)潔很多：
- # coding: utf8
- def gen_list():
- # 多個(gè)邏輯塊 使用yield 生成一個(gè)列表
- for i in range(10):
- yield i
- for j in range(5):
- yield j * j
- for k in [100, 200, 300]:
- yield k
- for item in gen_list():
- print(i)
使用 yield 后，就不再需要定義 list 類型的變量，只需在每個(gè)邏輯塊直接 yield 返回元素即可，可以達(dá)到和前面例子一樣的功能。
我們看到，使用 yield 的代碼更加簡(jiǎn)潔，結(jié)構(gòu)也更清晰，另外的好處是只有在迭代元素時(shí)才申請(qǐng)內(nèi)存空間，降低了內(nèi)存資源的消耗。
協(xié)程與并發(fā)
還有一種場(chǎng)景是 yield 使用非常多的，那就是「協(xié)程與并發(fā)」。
如果我們想提高程序的執(zhí)行效率，通常會(huì)使用多進(jìn)程、多線程的方式編寫程序代碼，最常用的編程模型就是「生產(chǎn)者-消費(fèi)者」模型，即一個(gè)進(jìn)程 / 線程生產(chǎn)數(shù)據(jù)，其他進(jìn)程 / 線程消費(fèi)數(shù)據(jù)。
在開發(fā)多進(jìn)程、多線程程序時(shí)，為了防止共享資源被篡改，我們通常還需要加鎖進(jìn)行保護(hù)，這樣就增加了編程的復(fù)雜度。
在 Python 中，除了使用進(jìn)程和線程之外，我們還可以使用「協(xié)程」來(lái)提高代碼的運(yùn)行效率。
什么是協(xié)程？
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，由多個(gè)程序塊組合協(xié)作執(zhí)行的程序，稱之為「協(xié)程」。
而在 Python 中使用「協(xié)程」，就需要用到 yield 關(guān)鍵字來(lái)配合。
可能這么說(shuō)還是太好理解，我們用 yield 實(shí)現(xiàn)一個(gè)協(xié)程生產(chǎn)者、消費(fèi)者的例子：
- # coding: utf8
- def consumer():
- i = None
- while True:
- # 拿到 producer 發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)
- j = yield i
- print('consume %s' % j)
- def producer(c):
- c.__next__()
- for i in range(5):
- print('produce %s' % i)
- # 發(fā)數(shù)據(jù)給 consumer
- c.send(i)
- c.close()
- c = consumer()
- producer(c)
- # Output:
- # produce 0
- # consume 0
- # produce 1
- # consume 1
- # produce 2
- # consume 2
- # produce 3
- # consume 3
- ...
這個(gè)程序的執(zhí)行流程如下：
- c = consumer() 創(chuàng)建一個(gè)生成器對(duì)象
- producer(c) 開始執(zhí)行，c.__next()__ 會(huì)啟動(dòng)生成器 consumer 直到代碼運(yùn)行到 j = yield i 處，此時(shí) consumer 第一次執(zhí)行完畢，返回
- producer 函數(shù)繼續(xù)向下執(zhí)行，直到 c.send(i) 處，這里利用生成器的 send 方法，向 consumer 發(fā)送數(shù)據(jù)
- consumer 函數(shù)被喚醒，從 j = yield i 處繼續(xù)開始執(zhí)行，并且接收到 producer 傳來(lái)的數(shù)據(jù)賦值給 j，然后打印輸出，直到再次執(zhí)行到 yield 處，返回
- producer 繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行上面的過(guò)程，依次發(fā)送數(shù)據(jù)給 cosnumer，直到循環(huán)結(jié)束
- 最終 c.close() 關(guān)閉 consumer 生成器，程序退出
在這個(gè)例子中我們發(fā)現(xiàn)，程序在 producer 和 consumer 這 2 個(gè)函數(shù)之間來(lái)回切換執(zhí)行，相互協(xié)作，完成了生產(chǎn)任務(wù)、消費(fèi)任務(wù)的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，最重要的是，整個(gè)程序是在單進(jìn)程單線程下完成的。
這個(gè)例子用到了上面講到的 yield、生成器的 __next__、send、close 方法。如果不好理解，你可以多看幾遍這個(gè)例子，最好自己測(cè)試一下。
我們使用協(xié)程編寫生產(chǎn)者、消費(fèi)者的程序時(shí)，它的好處是：
- 整個(gè)程序運(yùn)行過(guò)程中無(wú)鎖，不用考慮共享變量的保護(hù)問(wèn)題，降低了編程復(fù)雜度
- 程序在函數(shù)之間來(lái)回切換，這個(gè)過(guò)程是用戶態(tài)下進(jìn)行的，不像進(jìn)程 / 線程那樣，會(huì)陷入到內(nèi)核態(tài)，這就減少了內(nèi)核態(tài)上下文切換的消耗，執(zhí)行效率更高
所以，Python 的 yield 和生成器實(shí)現(xiàn)了協(xié)程的編程方式，為程序的并發(fā)執(zhí)行提供了編程基礎(chǔ)。
Python 中的很多第三方庫(kù)，都是基于這一特性進(jìn)行封裝的，例如 gevent、tornado，它們都大大提高了程序的運(yùn)行效率。
總結(jié)
總結(jié)一下，這篇文章我們主要講了 yield 的使用方式，以及生成器的各種特性。
生成器是一種特殊的迭代器，它除了可以迭代數(shù)據(jù)之外，在執(zhí)行時(shí)還可以保存方法中的狀態(tài)，除此之外，它還提供了外部改變內(nèi)部狀態(tài)的方式，把外部的值傳入到生成器內(nèi)部。
利用 yield 和生成器的特性，我們?cè)陂_發(fā)中可以用在大集成的生成、簡(jiǎn)化代碼結(jié)構(gòu)、協(xié)程與并發(fā)的業(yè)務(wù)場(chǎng)景中。
Python 的 yield 也是實(shí)現(xiàn)協(xié)程和并發(fā)的基礎(chǔ)，它提供了協(xié)程這種用戶態(tài)的編程模式，提高了程序運(yùn)行的效率。
