Python 进阶——如何正确使用 yield？

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在 Python 开发中， yield 关键字的使用其实较为频繁，例如大集合的生成，简化代码结构、协程与并发都会用到它。

但是，你是否真正了解 yield 的运行过程呢？

这篇文章，我们就来看一下 yield 的运行流程，以及在开发中哪些场景适合使用 yield 。

 

生成器

 

如果在一个方法内，包含了 yield 关键字，那么这个函数就是一个「生成器」。

 

生成器其实就是一个特殊的迭代器，它可以像迭代器那样，迭代输出方法内的每个元素。

 

我们来看一个包含 yield 关键字的方法：

 

# coding: utf8

# 生成器
defgen(n):
foriinrange(n):
yieldi

g = gen(5)# 创建一个生成器
print(g)# print(type(g))# # 迭代生成器中的数据
foriing:
print(i)

# Output:
# 0 1 2 3 4

 

注意，在这个例子中，当我们执行 g = gen(5) 时， gen 中的代码其实并没有执行，此时我们只是创建了一个「生成器对象」，它的类型是 generator 。

 

然后，当我们执行 for i in g ，每执行一次循环，就会执行到 yield 处，返回一次 yield 后面的值。

 

这个迭代过程是和迭代器最大的区别。

 

换句话说，如果我们想输出 5 个元素，在创建生成器时，这个 5 个元素其实还并没有产生，什么时候产生呢？只有在执行 for 循环遇到 yield 时，才会依次生成每个元素。

 

此外，生成器除了和迭代器一样实现迭代数据之外，还包含了其他方法：

 

• generator.__next__() ：执行 for 时调用此方法，每次执行到 yield 就会停止，然后返回 yield 后面的值，如果没有数据可迭代，抛出 StopIterator 异常， for 循环结束

• generator.send(value) ：外部传入一个值到生成器内部，改变 yield 前面的值

• generator.throw(type[, value[, traceback]]) ：外部向生成器抛出一个异常

• generator.close() ：关闭生成器

 

通过使用生成器的这些方法，我们可以完成很多有意思的功能。

__ next __

 

先来看生成器的 __next__ 方法，我们看下面这个例子。

 

# coding: utf8

defgen(n):
foriinrange(n):
print(‘yield before‘)
yieldi
print(‘yield after‘)

g = gen(3)# 创建一个生成器
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 # print(g.__next__()) # StopIteration
# StopIteration

 

在这个例子中，我们定义了 gen 方法，这个方法包含了 yield 关键字。然后我们执行 g = gen(3) 创建一个生成器，但是这次没有执行 for 去迭代它，而是多次调用 g.next() 去输出生成器中的元素。

 

我们看到，当执行 g.__next__() 时，代码就会执行到 yield 处，然后返回 yield 后面的值，如果继续调用 g.__next__() ，注意，你会发现，这次执行的开始位置，是上次 yield 结束的地方，并且它还保留了上一次执行的上下文，继续向后迭代。

 

这就是使用 yield 的作用，在迭代生成器时，每一次执行都可以保留上一次的状态，而不是像普通方法那样，遇到 return 就返回结果，下一次执行只能再次重复上一次的流程。

 

生成器除了能保存状态之外，我们还可以通过其他方式，改变其内部的状态，这就是下面要讲的 send 和 throw 方法。

 

send

 

上面的例子中，我们只展示了在 yield 后有值的情况，其实还可以使用 j = yield i 这种语法，我们看下面的代码：

 

# coding: utf8

defgen():
i =1
whileTrue:
j =yieldi
i *=2
ifj ==-1:
break

 

此时如果我们执行下面的代码：

 

foriingen():
print(i)
time.sleep(1)

 

输出结果会是 1 2 4 8 16 32 64 ... 一直循环下去， 直到我们杀死这个进程才能停止。

 

这段代码一直循环的原因在于，它无法执行到 j == -1 这个分支里 break 出来，如果我们想让代码执行到这个地方，如何做呢？

 

这里就要用到生成器的 send 方法了， send 方法可以把外部的值传入生成器内部，从而改变生成器的状态。

 

代码可以像下面这样写：

 

g = gen()# 创建一个生成器
print(g.__next__())# 1
print(g.__next__())# 2
print(g.__next__())# 4
# send 把 -1 传入生成器内部 走到了 j = -1 这个分支
print(g.send(-1))# StopIteration 迭代停止

 

当我们执行 g.send(-1) 时，相当于把 -1 传入到了生成器内部，然后赋值给了 yield 前面的 j ，此时 j = -1 ，然后这个方法就会 break 出来，不会继续迭代下去。

 

throw

 

外部除了可以向生成器内部传入一个值外，还可以传入一个异常，也就是调用 throw 方法：

 

# coding: utf8

defgen():
try:
yield1
exceptValueError:
yield‘ValueError‘
finally:
print(‘finally‘)

g = gen()# 创建一个生成器
print(g.__next__())# 1
# 向生成器内部传入异常 返回ValueError
print(g.throw(ValueError))

# Output：
# 1
# ValueError
# finally

 

这个例子创建好生成器后，使用 g.throw(ValueError) 的方式，向生成器内部传入了一个异常，走到了生成器异常处理的分支逻辑。

 

close

 

生成器的 close 方法也比较简单，就是手动关闭这个生成器，关闭后的生成器无法再进行操作。

 

>>>g = gen()
>>>g.close()# 关闭生成器
>>>g.__next__()# 无法迭代数据
Traceback (most recent call last):
File"", line1,inmodule>
StopIteration

 

close 方法我们在开发中使用得比较少，了解一下就好。

 

使用场景

 

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业务场景中呢？

 

下面我介绍几个例子，分别是大集合的生成、简化代码结构、协程与并发，你可以参考这些使用场景来使用 yield 。

 

大集合的生成

 

如果你想生成一个非常大的集合，如果使用 list 创建一个集合，这会导致在内存中申请一个很大的存储空间，例如想下面这样：

 

# coding: utf8

defbig_list():
result = []
foriinrange(10000000000):
result.append(i)
returnresult

# 一次性在内存中生成大集合 内存占用非常大
foriinbig_list():
print(i)

 

这种场景，我们使用生成器就能很好地解决这个问题。

 

因为生成器只有在执行到 yield 时才会迭代数据，这时只会申请需要返回元素的内存空间，代码可以这样写：

 

# coding: utf8

defbig_list():
foriinrange(10000000000):
yieldi

# 只有在迭代时 才依次生成元素 减少内存占用
foriinbig_list():
print(i)

 

简化代码结构

 

我们在开发时还经常遇到这样一种场景，如果一个方法要返回一个 list ，但这个 list 是多个逻辑块组合后才能产生的，这就会导致我们的代码结构变得很复杂：

 

# coding: utf8

defgen_list():
# 多个逻辑块 组成生成一个列表
result = []
foriinrange(10):
result.append(i)
forjinrange(5):
result.append(j * j)
forkin[100,200,300]:
result.append(k)
returnresult

foritemingen_list():
print(item)

 

这种情况下，我们只能在每个逻辑块内使用 append 向 list 中追加元素，代码写起来比较啰嗦。

 

此时如果使用 yield 来生成这个 list ，代码就简洁很多：

 

# coding: utf8

defgen_list():
# 多个逻辑块 使用yield 生成一个列表
foriinrange(10):
yieldi
forjinrange(5):
yieldj * j
forkin[100,200,300]:
yieldk

foritemingen_list():
print(i)

 

使用 yield 后，就不再需要定义 list 类型的变量，只需在每个逻辑块直接 yield 返回元素即可，可以达到和前面例子一样的功能。

 

我们看到，使用 yield 的代码更加简洁，结构也更清晰，另外的好处是只有在迭代元素时才申请内存空间，降低了内存资源的消耗。

 

协程与并发

 

还有一种场景是 yield 使用非常多的，那就是「协程与并发」。

 

如果我们想提高程序的执行效率，通常会使用多进程、多线程的方式编写程序代码，最常用的编程模型就是「生产者-消费者」模型，即一个进程 / 线程生产数据，其他进程 / 线程消费数据。

 

在开发多进程、多线程程序时，为了防止共享资源被篡改，我们通常还需要加锁进行保护，这样就增加了编程的复杂度。

 

在 Python 中，除了使用进程和线程之外，我们还可以使用「协程」来提高代码的运行效率。

 

什么是协程？

 

简单来说， 由多个程序块组合协作执行的程序，称之为「协程」。

 

而在 Python 中使用「协程」，就需要用到 yield 关键字来配合。

 

可能这么说还是太好理解，我们用 yield 实现一个协程生产者、消费者的例子：

 

# coding: utf8

defconsumer():
i =None
whileTrue:
# 拿到 producer 发来的数据
j =yieldi
print(‘consume %s‘% j)

defproducer(c):
c.__next__()
foriinrange(5):
print(‘produce %s‘% i)
# 发数据给 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
...

 

这个程序的执行流程如下：

 

1. c = consumer() 创建一个生成器对象

2. producer(c) 开始执行， c.__next()__ 会启动生成器 consumer 直到代码运行到 j = yield i 处，此时 consumer 第一次执行完毕，返回

3. producer 函数继续向下执行，直到 c.send(i) 处，这里利用生成器的 send 方法，向 consumer 发送数据

4. consumer 函数被唤醒，从 j = yield i 处继续开始执行，并且接收到 producer 传来的数据赋值给 j ，然后打印输出，直到再次执行到 yield 处，返回

5. producer 继续循环执行上面的过程，依次发送数据给 cosnumer ，直到循环结束

6. 最终 c.close() 关闭 consumer 生成器，程序退出

 

在这个例子中我们发现，程序在 producer 和 consumer 这 2 个函数之间 来回切换 执行，相互协作，完成了生产任务、消费任务的业务场景，最重要的是，整个程序是在 单进程单线程 下完成的。

 

这个例子用到了上面讲到的 yield 、生成器的 __next__ 、 send 、 close 方法。如果不好理解，你可以多看几遍这个例子，最好自己测试一下。

 

我们使用协程编写生产者、消费者的程序时，它的好处是：

 

• 整个程序运行过程中无锁，不用考虑共享变量的保护问题，降低了编程复杂度

• 程序在函数之间来回切换，这个过程是用户态下进行的，不像进程 / 线程那样，会陷入到内核态，这就减少了内核态上下文切换的消耗，执行效率更高

 

所以， Python 的 yield 和生成器实现了协程的编程方式，为程序的并发执行提供了编程基础。

 

Python 中的很多第三方库，都是基于这一特性进行封装的，例如 gevent 、 tornado ，它们都大大提高了程序的运行效率。

 

总结

 

总结一下，这篇文章我们主要讲了 yield 的使用方式，以及生成器的各种特性。

生成器是一种特殊的迭代器，它除了可以迭代数据之外，在执行时还可以保存方法中的状态，除此之外，它还提供了外部改变内部状态的方式，把外部的值传入到生成器内部。

利用 yield 和生成器的特性，我们在开发中可以用在大集成的生成、简化代码结构、协程与并发的业务场景中。

Python 的 yield 也是实现协程和并发的基础，它提供了协程这种用户态的编程模式，提高了程序运行的效率。

 

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