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Python中yield怎么用

發布時間:2021-08-03 12:22:24 來源:億速云 閱讀:143 作者:小新 欄目:開發技術

這篇文章將為大家詳細講解有關Python中yield怎么用,小編覺得挺實用的,因此分享給大家做個參考,希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲。

yield的功能類似于return,但是不同之處在于它返回的是生成器。

生成器

生成器是通過一個或多個yield表達式構成的函數,每一個生成器都是一個迭代器(但是迭代器不一定是生成器)。

如果一個函數包含yield關鍵字,這個函數就會變為一個生成器。

生成器并不會一次返回所有結果,而是每次遇到yield關鍵字后返回相應結果,并保留函數當前的運行狀態,等待下一次的調用。

由于生成器也是一個迭代器,那么它就應該支持next方法來獲取下一個值。

基本操作

# 通過`yield`來創建生成器
def func():
 for i in xrange(10);
  yield i
# 通過列表來創建生成器
[i for i in xrange(10)]
# 通過`yield`來創建生成器
def func():
 for i in xrange(10);
  yield i
# 通過列表來創建生成器
[i for i in xrange(10)]
Python
# 調用如下
>>> f = func()
>>> f # 此時生成器還沒有運行
<generator object func at 0x7fe01a853820>
>>> f.next() # 當i=0時,遇到yield關鍵字,直接返回
>>> f.next() # 繼續上一次執行的位置,進入下一層循環
...
>>> f.next()
>>> f.next() # 當執行完最后一次循環后,結束yield語句,生成StopIteration異常
Traceback (most recent call last):
 File "<stdin>", line 1, in <module>
StopIteration
>>>
# 調用如下
>>> f = func()
>>> f # 此時生成器還沒有運行
<generator object func at 0x7fe01a853820>
>>> f.next() # 當i=0時,遇到yield關鍵字,直接返回
>>> f.next() # 繼續上一次執行的位置,進入下一層循環
...
>>> f.next()
>>> f.next() # 當執行完最后一次循環后,結束yield語句,生成StopIteration異常
Traceback (most recent call last):
 File "<stdin>", line 1, in <module>
StopIteration
>>>

除了next函數,生成器還支持send函數。該函數可以向生成器傳遞參數。

>>> def func():
...  n = 0
...  while 1:
...   n = yield n #可以通過send函數向n賦值
... 
>>> f = func()
>>> f.next() # 默認情況下n為0
>>> f.send(1) #n賦值1
>>> f.send(2)
>>> 
>>> def func():
...  n = 0
...  while 1:
...   n = yield n #可以通過send函數向n賦值
... 
>>> f = func()
>>> f.next() # 默認情況下n為0
>>> f.send(1) #n賦值1
>>> f.send(2)
>>>

應用

最經典的例子,生成無限序列。

常規的解決方法是,生成一個滿足要求的很大的列表,這個列表需要保存在內存中,很明顯內存限制了這個問題。

def get_primes(start):
 for element in magical_infinite_range(start):
  if is_prime(element):
   return element
def get_primes(start):
 for element in magical_infinite_range(start):
  if is_prime(element):
   return element

如果使用生成器就不需要返回整個列表,每次都只是返回一個數據,避免了內存的限制問題。

def get_primes(number):
 while True:
  if is_prime(number):
   yield number
  number += 1
def get_primes(number):
 while True:
  if is_prime(number):
   yield number
  number += 1

生成器源碼分析

生成器的源碼在Objects/genobject.c。

調用棧

在解釋生成器之前,需要講解一下Python虛擬機的調用原理。

Python虛擬機有一個棧幀的調用棧,其中棧幀的是PyFrameObject,位于Include/frameobject.h。

typedef struct _frame {
 PyObject_VAR_HEAD
 struct _frame *f_back; /* previous frame, or NULL */
 PyCodeObject *f_code; /* code segment */
 PyObject *f_builtins; /* builtin symbol table (PyDictObject) */
 PyObject *f_globals; /* global symbol table (PyDictObject) */
 PyObject *f_locals;  /* local symbol table (any mapping) */
 PyObject **f_valuestack; /* points after the last local */
 /* Next free slot in f_valuestack. Frame creation sets to f_valuestack.
  Frame evaluation usually NULLs it, but a frame that yields sets it
  to the current stack top. */
 PyObject **f_stacktop;
 PyObject *f_trace;  /* Trace function */

 /* If an exception is raised in this frame, the next three are used to
  * record the exception info (if any) originally in the thread state. See
  * comments before set_exc_info() -- it's not obvious.
  * Invariant: if _type is NULL, then so are _value and _traceback.
  * Desired invariant: all three are NULL, or all three are non-NULL. That
  * one isn't currently true, but "should be".
  */
 PyObject *f_exc_type, *f_exc_value, *f_exc_traceback;

 PyThreadState *f_tstate;
 int f_lasti;  /* Last instruction if called */
 /* Call PyFrame_GetLineNumber() instead of reading this field
  directly. As of 2.3 f_lineno is only valid when tracing is
  active (i.e. when f_trace is set). At other times we use
  PyCode_Addr2Line to calculate the line from the current
  bytecode index. */
 int f_lineno;  /* Current line number */
 int f_iblock;  /* index in f_blockstack */
 PyTryBlock f_blockstack[CO_MAXBLOCKS]; /* for try and loop blocks */
 PyObject *f_localsplus[1]; /* locals+stack, dynamically sized */
} PyFrameObject;
typedef struct _frame {
 PyObject_VAR_HEAD
 struct _frame *f_back; /* previous frame, or NULL */
 PyCodeObject *f_code; /* code segment */
 PyObject *f_builtins; /* builtin symbol table (PyDictObject) */
 PyObject *f_globals; /* global symbol table (PyDictObject) */
 PyObject *f_locals;  /* local symbol table (any mapping) */
 PyObject **f_valuestack; /* points after the last local */
 /* Next free slot in f_valuestack. Frame creation sets to f_valuestack.
  Frame evaluation usually NULLs it, but a frame that yields sets it
  to the current stack top. */
 PyObject **f_stacktop;
 PyObject *f_trace;  /* Trace function */
 /* If an exception is raised in this frame, the next three are used to
  * record the exception info (if any) originally in the thread state. See
  * comments before set_exc_info() -- it's not obvious.
  * Invariant: if _type is NULL, then so are _value and _traceback.
  * Desired invariant: all three are NULL, or all three are non-NULL. That
  * one isn't currently true, but "should be".
  */
 PyObject *f_exc_type, *f_exc_value, *f_exc_traceback;
 
 PyThreadState *f_tstate;
 int f_lasti;  /* Last instruction if called */
 /* Call PyFrame_GetLineNumber() instead of reading this field
  directly. As of 2.3 f_lineno is only valid when tracing is
  active (i.e. when f_trace is set). At other times we use
  PyCode_Addr2Line to calculate the line from the current
  bytecode index. */
 int f_lineno;  /* Current line number */
 int f_iblock;  /* index in f_blockstack */
 PyTryBlock f_blockstack[CO_MAXBLOCKS]; /* for try and loop blocks */
 PyObject *f_localsplus[1]; /* locals+stack, dynamically sized */
} PyFrameObject;

棧幀保存了給出代碼的的信息和上下文,其中包含最后執行的指令,全局和局部命名空間,異常狀態等信息。f_valueblock保存了數據,b_blockstack保存了異常和循環控制方法。

舉一個例子來說明,

def foo():
 x = 1
 def bar(y):
  z = y + 2 # 
def foo():
 x = 1
 def bar(y):
  z = y + 2 #

那么,相應的調用棧如下,一個py文件,一個類,一個函數都是一個代碼塊,對應者一個Frame,保存著上下文環境以及字節碼指令。

c ---------------------------
a | bar Frame     | -> block stack: []
l |  (newest)    | -> data stack: [1, 2]
l ---------------------------
 | foo Frame     | -> block stack: []
s |       | -> data stack: [.bar at 0x10d389680>, 1]
t ---------------------------
a | main (module) Frame  | -> block stack: []
c |  (oldest)   | -> data stack: []
k ---------------------------

c ---------------------------
a | bar Frame     | -> block stack: []
l |  (newest)    | -> data stack: [1, 2]
l ---------------------------
 | foo Frame     | -> block stack: []
s |       | -> data stack: [.bar at 0x10d389680>, 1]
t ---------------------------
a | main (module) Frame  | -> block stack: []
c |  (oldest)   | -> data stack: []
k ---------------------------

每一個棧幀都擁有自己的數據棧和block棧,獨立的數據棧和block棧使得解釋器可以中斷和恢復棧幀(生成器正式利用這點)。

Python代碼首先被編譯為字節碼,再由Python虛擬機來執行。一般來說,一條Python語句對應著多條字節碼(由于每條字節碼對應著一條C語句,而不是一個機器指令,所以不能按照字節碼的數量來判斷代碼性能)。

調用dis模塊可以分析字節碼,

from dis import dis
dis(foo)
    0 LOAD_CONST    1 (1) # 加載常量1
    3 STORE_FAST    0 (x) # x賦值為1
   6 LOAD_CONST    2 (<code>) # 加載常量2
    9 MAKE_FUNCTION   0 # 創建函數
    12 STORE_FAST    1 (bar) 
   15 LOAD_FAST    1 (bar) 
    18 LOAD_FAST    0 (x)
    21 CALL_FUNCTION   1 # 調用函數
    24 RETURN_VALUE  </code>

from dis import dis
 dis(foo)
    0 LOAD_CONST    1 (1) # 加載常量1
    3 STORE_FAST    0 (x) # x賦值為1
   6 LOAD_CONST    2 (<code>) # 加載常量2
    9 MAKE_FUNCTION   0 # 創建函數
    12 STORE_FAST    1 (bar) 
   15 LOAD_FAST    1 (bar) 
    18 LOAD_FAST    0 (x)
    21 CALL_FUNCTION   1 # 調用函數
    24 RETURN_VALUE  </code>

其中,

第一行為代碼行號;
第二行為偏移地址;
第三行為字節碼指令;
第四行為指令參數;
第五行為參數解釋。

第一行為代碼行號;
第二行為偏移地址;
第三行為字節碼指令;
第四行為指令參數;
第五行為參數解釋。

生成器源碼分析

由了上面對于調用棧的理解,就可以很容易的明白生成器的具體實現。

生成器的源碼位于object/genobject.c。

生成器的創建

PyObject *
PyGen_New(PyFrameObject *f)
{
 PyGenObject *gen = PyObject_GC_New(PyGenObject, &PyGen_Type); # 創建生成器對象
 if (gen == NULL) {
  Py_DECREF(f);
  return NULL;
 }
 gen->gi_frame = f; # 賦予代碼塊
 Py_INCREF(f->f_code); # 引用計數+1
 gen->gi_code = (PyObject *)(f->f_code);
 gen->gi_running = 0; # 0表示為執行,也就是生成器的初始狀態
 gen->gi_weakreflist = NULL;
 _PyObject_GC_TRACK(gen); # GC跟蹤
 return (PyObject *)gen;
}

PyObject *
PyGen_New(PyFrameObject *f)
{
 PyGenObject *gen = PyObject_GC_New(PyGenObject, &PyGen_Type); # 創建生成器對象
 if (gen == NULL) {
  Py_DECREF(f);
  return NULL;
 }
 gen->gi_frame = f; # 賦予代碼塊
 Py_INCREF(f->f_code); # 引用計數+1
 gen->gi_code = (PyObject *)(f->f_code);
 gen->gi_running = 0; # 0表示為執行,也就是生成器的初始狀態
 gen->gi_weakreflist = NULL;
 _PyObject_GC_TRACK(gen); # GC跟蹤
 return (PyObject *)gen;
}

send與next

next與send函數,如下

static PyObject *
gen_iternext(PyGenObject *gen)
{
 return gen_send_ex(gen, NULL, 0);
}
static PyObject *
gen_send(PyGenObject *gen, PyObject *arg)
{
 return gen_send_ex(gen, arg, 0);
}

static PyObject *
gen_iternext(PyGenObject *gen)
{
 return gen_send_ex(gen, NULL, 0);
}
static PyObject *
gen_send(PyGenObject *gen, PyObject *arg)
{
 return gen_send_ex(gen, arg, 0);
}

從上面的代碼中可以看到,send和next都是調用的同一函數gen_send_ex,區別在于是否帶有參數。

static PyObject *
gen_send_ex(PyGenObject *gen, PyObject *arg, int exc)
{
 PyThreadState *tstate = PyThreadState_GET();
 PyFrameObject *f = gen->gi_frame;
 PyObject *result;
 if (gen->gi_running) { # 判斷生成器是否已經運行
  PyErr_SetString(PyExc_ValueError,
      "generator already executing");
  return NULL;
 }
 if (f==NULL || f->f_stacktop == NULL) { # 如果代碼塊為空或調用棧為空,則拋出StopIteration異常
  /* Only set exception if called from send() */
  if (arg && !exc)
   PyErr_SetNone(PyExc_StopIteration);
  return NULL;
 }
 if (f->f_lasti == -1) { # f_lasti=1 代表首次執行
  if (arg && arg != Py_None) { # 首次執行不允許帶有參數
   PyErr_SetString(PyExc_TypeError,
       "can't send non-None value to a "
       "just-started generator");
   return NULL;
  }
 } else {
  /* Push arg onto the frame's value stack */
  result = arg ? arg : Py_None;
  Py_INCREF(result); # 該參數引用計數+1
  *(f->f_stacktop++) = result; # 參數壓棧
 }
 /* Generators always return to their most recent caller, not
  * necessarily their creator. */
 f->f_tstate = tstate;
 Py_XINCREF(tstate->frame);
 assert(f->f_back == NULL);
 f->f_back = tstate->frame;
 gen->gi_running = 1; # 修改生成器執行狀態
 result = PyEval_EvalFrameEx(f, exc); # 執行字節碼
 gen->gi_running = 0; # 恢復為未執行狀態
 /* Don't keep the reference to f_back any longer than necessary. It
  * may keep a chain of frames alive or it could create a reference
  * cycle. */
 assert(f->f_back == tstate->frame);
 Py_CLEAR(f->f_back);
 /* Clear the borrowed reference to the thread state */
 f->f_tstate = NULL;
 /* If the generator just returned (as opposed to yielding), signal
  * that the generator is exhausted. */
 if (result == Py_None && f->f_stacktop == NULL) {
  Py_DECREF(result);
  result = NULL;
  /* Set exception if not called by gen_iternext() */
  if (arg)
   PyErr_SetNone(PyExc_StopIteration);
 }
 if (!result || f->f_stacktop == NULL) {
  /* generator can't be rerun, so release the frame */
  Py_DECREF(f);
  gen->gi_frame = NULL;
 }
 return result;
}

static PyObject *
gen_send_ex(PyGenObject *gen, PyObject *arg, int exc)
{
 PyThreadState *tstate = PyThreadState_GET();
 PyFrameObject *f = gen->gi_frame;
 PyObject *result;
 if (gen->gi_running) { # 判斷生成器是否已經運行
  PyErr_SetString(PyExc_ValueError,
      "generator already executing");
  return NULL;
 }
 if (f==NULL || f->f_stacktop == NULL) { # 如果代碼塊為空或調用棧為空,則拋出StopIteration異常
  /* Only set exception if called from send() */
  if (arg && !exc)
   PyErr_SetNone(PyExc_StopIteration);
  return NULL;
 }
 if (f->f_lasti == -1) { # f_lasti=1 代表首次執行
  if (arg && arg != Py_None) { # 首次執行不允許帶有參數
   PyErr_SetString(PyExc_TypeError,
       "can't send non-None value to a "
       "just-started generator");
   return NULL;
  }
 } else {
  /* Push arg onto the frame's value stack */
  result = arg ? arg : Py_None;
  Py_INCREF(result); # 該參數引用計數+1
  *(f->f_stacktop++) = result; # 參數壓棧
 }
 /* Generators always return to their most recent caller, not
  * necessarily their creator. */
 f->f_tstate = tstate;
 Py_XINCREF(tstate->frame);
 assert(f->f_back == NULL);
 f->f_back = tstate->frame;
 gen->gi_running = 1; # 修改生成器執行狀態
 result = PyEval_EvalFrameEx(f, exc); # 執行字節碼
 gen->gi_running = 0; # 恢復為未執行狀態
 /* Don't keep the reference to f_back any longer than necessary. It
  * may keep a chain of frames alive or it could create a reference
  * cycle. */
 assert(f->f_back == tstate->frame);
 Py_CLEAR(f->f_back);
 /* Clear the borrowed reference to the thread state */
 f->f_tstate = NULL;
 /* If the generator just returned (as opposed to yielding), signal
  * that the generator is exhausted. */
 if (result == Py_None && f->f_stacktop == NULL) {
  Py_DECREF(result);
  result = NULL;
  /* Set exception if not called by gen_iternext() */
  if (arg)
   PyErr_SetNone(PyExc_StopIteration);
 }
 if (!result || f->f_stacktop == NULL) {
  /* generator can't be rerun, so release the frame */
  Py_DECREF(f);
  gen->gi_frame = NULL;
 }
 return result;
}

字節碼的執行

PyEval_EvalFrameEx函數的功能為執行字節碼并返回結果。

# 主要流程如下,
for (;;) {
 switch(opcode) { # opcode為操作碼,對應著各種操作
  case NOP:
   goto fast_next_opcode;
  ...
  ...
  case YIELD_VALUE: # 如果操作碼是yield
   retval = POP(); 
   f->f_stacktop = stack_pointer;
   why = WHY_YIELD;
   goto fast_yield; # 利用goto跳出循環
 }
}
fast_yield:
 ... 
return vetval; # 返回結果
# 主要流程如下,
for (;;) {
 switch(opcode) { # opcode為操作碼,對應著各種操作
  case NOP:
   goto fast_next_opcode;
  ...
  ...
  case YIELD_VALUE: # 如果操作碼是yield
   retval = POP(); 
   f->f_stacktop = stack_pointer;
   why = WHY_YIELD;
   goto fast_yield; # 利用goto跳出循環
 }
}
fast_yield:
 ... 
return vetval; # 返回結果

舉一個例子,f_back上一個Frame,f_lasti上一次執行的指令的偏移量,

import sys
from dis import dis
def func():
 f = sys._getframe(0)
 print f.f_lasti
 print f.f_back
 yield 1
 print f.f_lasti
 print f.f_back
 yield 2
a = func()
dis(func)
a.next()
a.next()
import sys
from dis import dis
def func():
 f = sys._getframe(0)
 print f.f_lasti
 print f.f_back
 yield 1
 print f.f_lasti
 print f.f_back
 yield 2
a = func()
dis(func)
a.next()
a.next()

結果如下,其中第三行的英文為操作碼,對應著上面的opcode,每次switch都是在不同的opcode之間進行選擇。

Python
   0 LOAD_GLOBAL    0 (sys)
    3 LOAD_ATTR    1 (_getframe)
    6 LOAD_CONST    1 (0)
    9 CALL_FUNCTION   1
    12 STORE_FAST    0 (f)
   15 LOAD_FAST    0 (f)
    18 LOAD_ATTR    2 (f_lasti) 
    21 PRINT_ITEM   
    22 PRINT_NEWLINE  
   23 LOAD_FAST    0 (f)
    26 LOAD_ATTR    3 (f_back)
    29 PRINT_ITEM   
    30 PRINT_NEWLINE  
  31 LOAD_CONST    2 (1)
    34 YIELD_VALUE  # 此時操作碼為YIELD_VALUE,直接跳轉上述goto語句,此時f_lasti為當前指令,f_back為當前frame
    35 POP_TOP    
  36 LOAD_FAST    0 (f)
    39 LOAD_ATTR    2 (f_lasti)
    42 PRINT_ITEM   
    43 PRINT_NEWLINE  
   44 LOAD_FAST    0 (f)
    47 LOAD_ATTR    3 (f_back)
    50 PRINT_ITEM   
    51 PRINT_NEWLINE  
   52 LOAD_CONST    3 (2)
    55 YIELD_VALUE   
    56 POP_TOP    
    57 LOAD_CONST    0 (None)
    60 RETURN_VALUE  
<frame object at 0x7fa75fcebc20> #和下面的frame相同,屬于同一個frame,也就是說在同一個函數(命名空間)內,frame是同一個。
<frame object at 0x7fa75fcebc20>
   0 LOAD_GLOBAL    0 (sys)
    3 LOAD_ATTR    1 (_getframe)
    6 LOAD_CONST    1 (0)
    9 CALL_FUNCTION   1
    12 STORE_FAST    0 (f)
   15 LOAD_FAST    0 (f)
    18 LOAD_ATTR    2 (f_lasti) 
    21 PRINT_ITEM   
    22 PRINT_NEWLINE  
   23 LOAD_FAST    0 (f)
    26 LOAD_ATTR    3 (f_back)
    29 PRINT_ITEM   
    30 PRINT_NEWLINE  
   31 LOAD_CONST    2 (1)
    34 YIELD_VALUE  # 此時操作碼為YIELD_VALUE,直接跳轉上述goto語句,此時f_lasti為當前指令,f_back為當前frame
    35 POP_TOP    
   36 LOAD_FAST    0 (f)
    39 LOAD_ATTR    2 (f_lasti)
    42 PRINT_ITEM   
    43 PRINT_NEWLINE  
   44 LOAD_FAST    0 (f)
    47 LOAD_ATTR    3 (f_back)
    50 PRINT_ITEM   
    51 PRINT_NEWLINE  
   52 LOAD_CONST    3 (2)
    55 YIELD_VALUE   
    56 POP_TOP    
    57 LOAD_CONST    0 (None)
    60 RETURN_VALUE  
<frame object at 0x7fa75fcebc20> #和下面的frame相同,屬于同一個frame,也就是說在同一個函數(命名空間)內,frame是同一個。
<frame object at 0x7fa75fcebc20>

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