超简单的Python教程系列——第7篇：循环和迭代器

还记得你上次丢东西是什么时候吗？

你可能会翻遍你的房子。一个一个房间地查找，而你周围的人问一些毫无意义的问题，比如“你最后一次是放在哪里的？” （说真的，如果我知道的话，我就不会找他们了！）如果优化一下你的搜索方式的话就会变得很轻松，但是你的房子房间没有排序……或者特别有条理，如果你和我一样的话，你就是被线性搜索困住了。

在编程中，就像在现实生活中一样，我们通常不会拿到任何有意义的顺序数据。一般都从一团糟开始，我们必须在上面执行任务。搜索无序数据可能是第一个浮现在脑海中的例子，但你可能还想做数百件其他事情：将所有华氏温度记录转换为摄氏温度，找到所有数据点的平均值，等等。

“是的，这就是循环的用途！”

但这是 Python。它的循环在一个完全不同的层次上。他们太好用了。

循环概述

让我们把无聊的东西扔掉，好吗？

在 Python 中，与大多数语言一样，有两个基本的循环：​​while​​​和​​for​​。

while

​​while​​循环是非常基本的。

clue = None
while clue is None:
    clue = searchLocation()

​​clue is None​​在这种情况下，只要循环条件的计算结果为​​True​​，就会执行循环的代码。

在 Python 中，我们还有几个有用的关键字：​​break​​立即停止循环，同时​​continue​​跳到循环的下一次迭代。

​​break​​最有用的方面之一是如果我们想要运行相同的代码，直到用户提供有效的输入。

while True:
    try:
        age = int(input("Enter your age: "))
    except ValueError:
        print(f"Please enter a valid integer!")
    else:
        if age > 0:
            break

一旦我们遇到该​​break​​语句，我们就退出循环。当然，上面是一个较复杂的例子，但它证明了这一点。你还经常看到​​while True:​​在游戏循环中使用。

注意：如果你曾经使用过任何语言的循环，那么你已经熟悉了无限循环（死循环）。这通常是由​​while​​​条件计算结果为​​True​​​ 并且循环中没有​​break​​语句引起的。

for

来自 Java、C++ 或许多类似的 ALGOL 风格的语言，你可能熟悉三方​​for​​循环：​​for i := 1; i < 100; i := i + 1​​。 我不了解你，但当我第一次遇到这种情况时，它吓坏了我。我现在对它很满意，但它不具备 Python 的优雅简洁。

Python 的​​for​​循环看起来大不相同。与上述伪代码等效的 Python 代码是...

for i in range(1,100):
    print(i)

range()是 Python 中一个特殊的“函数”，它返回一个序列。（从技术上讲，它根本不是一个函数。）

这是 Python 令人印象深刻的地方——它迭代了一种特殊类型的序列，称为iterable，我们稍后会谈到。

目前，最容易理解的是我们可以迭代一个顺序数据结构，比如一个数组（在 Python 中称为“列表”）。

因此，我们可以这样做...

places = ['Nashville', 'Norway', 'Bonaire', 'Zimbabwe', 'Chicago', 'Czechoslovakia']
for place in places:
    print(place)

print("...and back!")

我们得到这个...

Nashville
Norway
Bonaire
Zimbabwe
Chicago
Czechoslovakia
...and back!

for...else

Python 在其循环中还有另一个独特的小技巧：​​else​​子句！循环完成后，没有遇到​​break​​语句，就会运行​​else​​。但是，如果手动中断循环，它将​​else​​完全跳过。

places = ['Nashville', 'Norway', 'Bonaire', 'Zimbabwe', 'Chicago', 'Czechoslovakia']
villain_at = 'Mali'

for place in places:
    if place == villain_at:
        print("Villain captured!")
        break
else:
    print("The villain got away again.")

由于“Mali”不在列表中，因此我们看到了“The villain got away again.”的消息。但是，如果我们将值更改​​villain_at​​​为​​Norway​​，我们将看到“Villain captured!” ，而看不到了“The villain got away again.”。

存在do...whiel吗？

Python 没有​​do...while​​​循环。如果你正在寻找这样的循环方式，典型的 Python 是使用​​while True:​​​带内部​​break​​条件的 ，就像我们之前演示的那样。

数据结构（容器）

Python 有许多保存数据的容器或数据结构。我们不会深入讨论其中的任何一个，但我想快速浏览一下最重要的部分：

list

list是一个可变序列（其实就是一个数组）。

它是用方括号定义的​​[ ]​​，你可以通过索引访问它的元素。

foo = [2, 4, 2, 3]

print(foo[1])
>>> 4

foo[1] = 42
print(foo)
>>> [2, 42, 2, 3]

尽管对它没有严格的技术要求，但典型的约定是列表只包含相同类型的元素（“同质”）。

tuple

tuple是一个不可变的序列。一旦你定义了它，你在技术上就不能改变它（回想一下之前不变性的含义）。这意味着在定义tuple后，你不能在tuple中添加或删除元素。

一个tuple是在括号中定义的​​( )​​，你可以通过索引访问它的元素。

foo = (2, 4, 2, 3)

print(foo[1])
>>> 4

foo[1] = 42
>>> TypeError: 'tuple' object does not support item assignment

与列表不同，标准约定允许tuple包含不同类型的元素（“异构”）。

set

set是一个无序的可变集合，保证没有重复。记住“无序”很重要：不能保证单个元素的顺序！

一个集合在花括号中定义​​{ }​​，但如果你想要一个空集合，你可以使用​​foo = set()​​， 或者​​foo = {}​​创建一个空的​​dict​​. 你不能通过索引访问它的元素，因为它是无序的。

foo = {2, 4, 2, 3}

print(foo)
>>> {2, 3, 4}

print(foo[1])
>>> TypeError: 'set' object does not support indexing

对于要添加到集合中的对象，它也必须是可散列的（hash）。一个对象是可散列的，如果：

1. 它定义了方法__hash__()，该方法将哈希值（hash）作为整数返回。（见下文）
2. 它定义了__eq__()比较两个对象的方法。

对于同一个对象（值），一个有效的散列值（hash）应该总是相同的，并且它应该是合理的唯一的，因此另一个对象返回相同的散列是不常见的。（两个或多个具有相同哈希值的对象称为哈希冲突，它们仍然会发生。）

dict

dict（字典）是键值数据结构。

它在花括号中定义​​{ }​​​，​​:​​​用于分隔键和值。它是无序的，所以你不能通过索引访问它的元素；但是你可以通过​​[ ]​​加键值访问元素。

foo = {'a' : 1, 'b' : 2, 'c' : 3, 'd' : 4}

print(foo['b'])
>>> 2

foo['b'] = 42
print(foo)
>>> {'a': 1, 'b': 42, 'c': 3, 'd': 4}

只有可散列的对象可以用作字典键。（有关​​set​​哈希性的更多信息，请参阅官网的部分。）

其他

除了基础之外，Python 还提供了额外的容器/数据结构。可以在内置模块collections中找到它们。

拆包

有一个重要的 Python 语法我们还没有讨论过，但很快就会派上用场。我们可以将容器中的每个元素分配给一个变量！这称为拆包。

当然，我们需要确切地知道我们要拆包多少才能结束，否则我们会得到一个​​ValueError​​的异常。

让我们看一个使用tuple元组的基本示例。

fullname = ('Carmen', 'Sandiego')
first, last = fullname
print(first)
>>> Carmen
print(last)
>>> Sandiego

看第二行代码，我们可以列出多个要分配的变量，用逗号分隔。Python 将拆分等号右侧的容器，将每个值按从左到右的顺序分配给一个变量。

注意：记住，​​set​​是无序的！虽然你可以在技术上使用集合来执行此操作，但你无法确定将什么值分配给什么变量。不保证按顺序进行分配，集合的值的分配顺序通常是偶然的！

in

Python 提供了一个关键字​​in​​ ，用于检查是否在容器中找到了特定元素。

places = ['Nashville', 'Norway', 'Bonaire', 'Zimbabwe', 'Chicago', 'Czechoslovakia']

if 'Nashville' in places:
    print("Music city!")

这适用于许多容器，包括列表、元组、集合，甚至是字典键（但不是字典值）。

如果你希望你的自定义类之一支持​​in​​​运算符，你只需要定义​​__contains__(self, item)​​​方法，它应该返回​​True​​​or ​​False​​。

迭代器

Python 的循环是配合我之前提到的迭代器一起使用。前面提到的数据结构都是是可以使用迭代器迭代的对象。

好的，让我们从头开始。Python 容器对象，例如 ​​list​​，也是一个可迭代对象，因为它的​​__iter__()​​方法，返回一个迭代器对象。

方法​​__next__()​​也是一个迭代器​，在容器迭代器的情况下，返回下一项。即使是无序的容器，例如​​set()​​，也可以使用迭代器进行遍历。

当​​__next__()​​不能返回任何其他内容时，它会抛出一个名为StopIteration的特殊异常​。这可以使用​​try...except​​捕获异常。

让我们再看一下​​for​​​遍历 ​​list​​ 的循环，例如...

dossiers = ['The Contessa', 'Double Trouble', 'Eartha Brute', 'Kneemoi', 'Patty Larceny', 'RoboCrook', 'Sarah Nade', 'Top Grunge', 'Vic the Slick', 'Wonder Rat']

for crook in dossiers:
    print(crook)

​​dossiers​​是一个​​list​​对象，它是一个可迭代的对象。当 Python 到达​​for​​循环时，它会做三件事：

1. 调用iter(dossiers)，依次执行dossiers.__iter__()。这将返回一个我们将调用的迭代器对象list_iter。这个迭代器对象将被循环使用。
2. 对于循环的每次迭代，它都会调用next(list_iter)，执行list_iter.__next__()并将返回的值分配给crook。
3. 如果迭代器抛出了特殊异常StopIteration，则循环结束，退出。

​​while True:​​如果我在循环中重写该逻辑可能会更容易理解......

list_iter = iter(dossiers)
while True:
    try:
        crook = next(list_iter)
        print(crook)
    except StopIteration:
        break

如果你尝试这两个循环，你会发现它们做的事情完全相同！

了解​​__iter__()​​,​​__next__()​​和​​StopIteration​​异常的工作原理后，你现在可以使自己的类可迭代！

注意：虽然将迭代器类与可迭代类分开定义都可以，但你不一定必须这样做！只要这两种方法都在你的类中定义，并且​​__next__()​​行为适当，你就可以定义​​__iter__()​​为​​return self​​.

值得注意的是迭代器本身是可迭代的：它们有一个​​__iter__()​​​方法返回​​self​​。

字典案例

假设我们有一本想要使用的字典......

locations = {
    'Parade Ground': None,
    'Ste.-Catherine Street': None,
    'Pont Victoria': None,
    'Underground City': None,
    'Mont Royal Park': None,
    'Fine Arts Museum': None,
    'Humor Hall of Fame': 'The Warrant',
    'Lachine Canal': 'The Loot',
    'Montreal Jazz Festival': None,
    'Olympic Stadium': None,
    'St. Lawrence River': 'The Crook',
    'Old Montréal': None,
    'McGill University': None,
    'Chalet Lookout': None,
    'Île Notre-Dame': None
    }

如果我们只想查看其中的每个项目，我们只需使用​​for​​循环。所以，这应该有效，对吧？

for location in locations:
    print(location)

哎呀！这只向我们展示了键，而不是值。这并不是我们想要的，不是吗？

​​dict.__iter__()​​返回一个​​dict_keyiterator​​对象，该对象执行其类名的操作：它遍历键，但不遍历值。

要同时获取键和值，我们需要调用​​locations.items()​​返回​​dict_items​​对象。​​dict_items.iter()​​返回 ​​dict_itemiterator​​，它将字典中的每个键值对作为元组返回。

旧版说明：如果你使用的是 Python 2，则应改为调用​​locations.iteritems()​​。

还记得刚才，当我们谈到拆包的时候吗？我们将每一对键值作为一个元组并拆分成成两个变量。

for key, value in locations.items():
    print(f'{key} => {value}')

打印出以下内容：

Parade Ground => None
Ste.-Catherine Street => None
Pont Victoria => None
Underground City => None
Mont Royal Park => None
Fine Arts Museum => None
Humor Hall of Fame => The Warrant
Lachine Canal => The Loot
Montreal Jazz Festival => None
Olympic Stadium => None
St. Lawrence River => The Crook
Old Montréal => None
McGill University => None
Chalet Lookout => None
Île Notre-Dame => None

现在我们可以处理数据了。例如，我想在另一个字典中记录重要信息。

information = {}

for location, result in locations.items():
    if result is not None:
        information[result] = location

# Win the game!
print(information['The Loot'])
print(information['The Warrant'])
print(information['The Crook'])

print("Vic the Slick....in jaaaaaaaaail!")

这将找到 Loot、Warrant 和 Crook，并按正确顺序列出它们：

Lachine Canal
Humor Hall of Fame
St. Lawrence River
Vic the Slick....in jaaaaaaaaail!

自定义迭代器

我之前已经提到你可以制作自己的迭代器和迭代器，但现在来实现它！

想象一下，我们想方便保留一个代理列表，以便我们始终可以通过代理编号来识别它们。但是，有些代理是我们不能谈论的。我们可以通过将代理 ID 和名称存储在字典中，然后维护分类代理列表来轻松完成此操作。

注意：请记住，在我们对类的讨论中，Python 中实际上没有私有变量这样的东西。如果你真的打算保密，请使用行业标准的加密和安全实践，或者至少不要将你的 API 暴露给任何 VILE 操作员。;)

对于初学者，这是该类的基本结构：

class AgentRoster:
    def __init__(self):
        self._agents = {}
        self._classified = []

    def add_agent(self, name, number, classified=False):
        self._agents[number] = name
        if classified:
            self._classified.append(name)

    def validate_number(self, number):
        try:
            name = self._agents[number]
        except KeyError:
            return False
        else:
            return True

    def lookup_agent(self, number):
        try:
            name = self._agents[number]
        except KeyError:
            name = "<NO KNOWN AGENT>"
        else:
            if name in self._classified:
                name = "<CLASSIFIED>"
        return name

我们可以继续测试一下，只是为了后续：

roster = AgentRoster()

roster.add_agent("Ann Tickwitee", 2539634)
roster.add_agent("Ivan Idea", 1324595)
roster.add_agent("Rock Solid", 1385723)
roster.add_agent("Chase Devineaux", 1495263, True)

print(roster.validate_number(2539634))
>>> True
print(roster.validate_number(9583253))
>>> False

print(roster.lookup_agent(1324595))
>>> Ivan Idea
print(roster.lookup_agent(9583253))
>>> <NO KNOWN AGENT>
print(roster.lookup_agent(1495263))
>>> <CLASSIFIED>

太好了，这完全符合预期！现在，如果我们希望能够遍历整个字典怎么办。

但是，我们不想直接访问​​roster._agents​​字典，因为这将忽略这个类的整个“分类”方面。我们如何处理？

正如我之前提到的，我们可以让这个类也作为它自己的迭代器，这意味着它有一个​​__next__()​​方法。在这种情况下，我们只会 return ​​self​​。但是，这里是超简单Python教程，所以让我们跳过烦人步骤，简化内容，实际创建一个单独的迭代器类。

在这个例子中，我实际上将字典变成了一个元组列表，这将允许我使用索引。（请记住，字典是无序的。）我还将计算出有多少代理未分类。当然，所有这些逻辑都属于该​​__init__()​​方法：

class AgentRoster_Iterator:

    def __init__(self, container):
        self._roster = list(container._agents.items())
        self._classified = container._classified
        self._max = len(self._roster) - len(self._classified)
        self._index = 0

要成为迭代器，类必须有​​__next__()​​方法；这是唯一的要求！​请记住，一旦我们没有更多数据要返回，该方法就需要抛出​​StopException​​异常。

我将定义​​AgentRoster_Iterator​​的​​__next__()​​方法如下：

class AgentRoster_Iterator:

    # ...snip...

    def __next__(self):
        if self._index == self._max:
            raise StopIteration
        else:
            r = self._roster[self._index]
            self._index += 1
            return r

现在我们返回到​​AgentRoster​​类，我们需要在其中添加一个​​__iter__()​​返回迭代器对象的方法。

class AgentRoster:

    # ...snip...

    def __iter__(self):
        return AgentRoster_Iterator(self)

只需要一点点操作，现在我们的​​AgentRoster​​类的行为与循环的预期完全一样！这段代码如下...

roster = AgentRoster()

roster.add_agent("Ann Tickwitee", 2539634)
roster.add_agent("Ivan Idea", 1324595)
roster.add_agent("Rock Solid", 1385723)
roster.add_agent("Chase Devineaux", 1495263, True)

for number, name in roster:
    print(f'{name}, id #{number}')

产生的结果如下...

Ann Tickwitee, id #2539634
Ivan Idea, id #1324595
Rock Solid, id #1385723

保持期待

我听到后面的 Pythonista：“等等，等等，我们还不能完成！你甚至还没有接触到列表推导！”

Python 确实在循环和迭代器之上增加了一个额外的级别，它使用了一个名为generator的特殊工具。这种类型的类提供了另一种令人难以置信的工具，称为comprehension，它就像一个用于创建数据结构的完美闭环。

我还故意跳过了​​zip()​​和​​enumerate()​​的优点，这使得循环和迭代更加强大。我会把它们归纳在这里，但我不想让文章太长。我在后面也会谈到这些。

我大概猜到你们中的一些人已经开始期待了，但是很遗憾，你将不得不等到下一篇文章才能了解更多信息。

总结

• 只要​​while​​其条件评估为 ，循环就会运行​​True​​。
• 你可以使用关键字跳出循环​​break​​，或使用关键字跳到下一个迭代​​continue​​。
• ​​for​​循环迭代一个可迭代对象（可以迭代的对象），例如一个列表。
• 该​​range()​​函数返回一个可迭代的数字序列，可以在​​for​​循环中使用，例如​​for i in range(1, 100)​​.
• Python 没有​​do...while​​循环。使用​​while True:​​带有显式 break 语句的循环。
• Python 有四种基本的数据结构或容器：

• 列表是可变的、有序的、顺序的结构……基本上是数组。
• 元组是不可变的、有序的、顺序的结构。思考列表，但不能修改内容。
• 集合是可变的、无序的结构，保证不会有任何重复的元素。它们只能存储可散列的对象。
• 字典是存储键值对的可变的、无序的结构。你通过键而不是索引查找项目。只有可散列的对象可以用作键。

• 你可以使用约定将容器的值拆分为多个变量​​a, b, c = someContainer​​。左边的变量个数和右边容器中的元素个数必须相同！
• ​​in​​你可以使用关键字快速检查元素是否在容器中。如果你希望你的类支持这一点，请定义该​​contains()​​方法。
• Python 的容器是可迭代对象的示例：它们返回可以遍历其内容的迭代器。可迭代对象总是通过其​​iter()​​方法返回一个迭代器对象。
• 迭代器对象总是有一个方法​​next()​​，该方法返回一个值。容器迭代器的​​next()​​方法将返回容器中的下一个元素。当没有更多可以返回时，迭代器会引发​​StopIteration​​异常。

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