Last modified: March 29, 2023

This article is written in: 🇵🇱

Iteratory

Iteratory to fundamentalny koncept w języku Python, szczególnie w kontekście pętli i struktur iterowalnych, takich jak listy, krotki czy zbiory. Python traktuje iteratory jako narzędzie do sukcesywnego uzyskiwania kolejnych elementów z kolekcji danych w sposób zorganizowany, z możliwością zatrzymania i wznowienia procesu iteracji. W tej rozbudowanej wersji omówimy, jak działają iteratory, jak je tworzyć, oraz jak są wykorzystywane przez różne mechanizmy Pythonowe, takie jak pętla for oraz generatory.

Pojęcie iterowalności

W Pythonie obiekt jest iterowalny (ang. iterable), jeśli można po nim iterować, tj. można sukcesywnie uzyskiwać kolejne elementy. Obiekty te muszą implementować metodę __iter__(), która zwraca iterator. Iterator jest obiektem, który realizuje protokół iteratora, to znaczy posiada metodę __next__(), która zwraca kolejny element w sekwencji.

Typowe struktury danych, takie jak listy, krotki, zbiory czy słowniki, są iterowalne, co pozwala na użycie pętli for do iteracji nad ich elementami. W tle działa tutaj mechanizm oparty na iteratorach.

Iteracja przez listę

for elem in [1, 2, 3]:
    print(elem)

Powyższa pętla for w rzeczywistości wywołuje na liście metodę __iter__(), która zwraca iterator. Iterator ten posiada metodę __next__(), która jest wywoływana w każdej iteracji w celu uzyskania kolejnego elementu listy.

Przykład ręcznego użycia iteratora

Możemy bezpośrednio pracować z iteratorem, korzystając z funkcji wbudowanej iter() oraz metody next().

lista = [1, 2, 3]
iterator = iter(lista)  # Tworzy iterator z listy
print(next(iterator))   # 1
print(next(iterator))   # 2
print(next(iterator))   # 3
# Kolejne wywołanie next() wyrzuci wyjątek StopIteration

Kiedy iterator nie ma już kolejnych elementów do zwrócenia, wywołanie next() powoduje wygenerowanie wyjątku StopIteration. Jest to sygnał dla pętli for, aby zakończyć iterację.

Protokół iteratora

Protokół iteratora w Pythonie składa się z dwóch kluczowych metod:

• __iter__(): Zwraca obiekt iteratora, zazwyczaj zwraca self.
• __next__(): Zwraca kolejny element w sekwencji, a gdy elementów brak, generuje wyjątek StopIteration.

Zrozumienie tych metod jest kluczowe, jeśli chcemy definiować własne iteratory.

Tworzenie własnych iteratorów

Aby stworzyć własny iterator, konieczne jest zdefiniowanie klasy z implementacją metod __iter__() i __next__(). Przykład klasy będącej iteratorem:

class MojaKolekcja:
    def __init__(self):
        self.elementy = [1, 2, 3]
        self.indeks = 0

    def __iter__(self):
        return self

    def __next__(self):
        if self.indeks < len(self.elementy):
            wynik = self.elementy[self.indeks]
            self.indeks += 1
            return wynik
        else:
            raise StopIteration

kolekcja = MojaKolekcja()
for elem in kolekcja:
    print(elem)

Działanie powyższego przykładu:

1. Metoda __iter__() zwraca referencję do samego siebie, co oznacza, że instancja klasy jest także swoim własnym iteratorem.
2. Metoda __next__() zwraca kolejny element z listy, a gdy wszystkie elementy zostaną wyczerpane, rzuca wyjątek StopIteration, kończąc iterację.

Teoretyczne uzasadnienie iteratorów

Iteratory w Pythonie opierają się na koncepcji leniwej ewaluacji (ang. lazy evaluation). W przeciwieństwie do standardowych kolekcji, które przechowują wszystkie swoje elementy w pamięci, iterator nie generuje elementów z góry, ale produkuje je na żądanie. Pozwala to na efektywne wykorzystanie pamięci, zwłaszcza w przypadku dużych kolekcji danych lub nieskończonych sekwencji.

Matematycznie iteratory można postrzegać jako funkcje, które na każdym kroku zwracają kolejny element z pewnej sekwencji, bez potrzeby przechowywania jej pełnej reprezentacji w pamięci. Dzięki temu możliwa jest np. praca z nieskończonymi sekwencjami.

Generatory jako iteratory

Generatory są specjalnym rodzajem iteratorów, które są definiowane za pomocą funkcji wykorzystujących słowo kluczowe yield. Generatory upraszczają proces tworzenia iteratorów, automatycznie zarządzając stanem iteracji i rzucaniem wyjątku StopIteration po zakończeniu iteracji.

Przykład prostego generatora:

def generator_liczb():
    for i in range(3):
        yield i

for liczba in generator_liczb():
    print(liczba)

Wyjaśnienie działania generatorów:

1. Każde wywołanie yield zatrzymuje wykonanie funkcji i zwraca wartość. Wznowienie następuje w miejscu, w którym funkcja została przerwana.
2. Generator zachowuje swój stan pomiędzy kolejnymi wywołaniami, co czyni go bardzo efektywnym przy implementacji złożonych iteracji.

Wyjątek StopIteration w praktyce

Każdy iterator po wyczerpaniu swoich elementów rzuca wyjątek StopIteration, który informuje o zakończeniu iteracji. Jest to mechanizm kontrolny, który pozwala pętlom for automatycznie wykrywać, kiedy przestać iterować.

Pętla for automatycznie obsługuje wyjątek StopIteration i przerywa iterację, co czyni ten mechanizm intuicyjnym i łatwym w użyciu. Jeśli jednak korzystamy z iteracji ręcznie za pomocą next(), musimy sami zadbać o odpowiednią obsługę wyjątku.

iterator = iter([1, 2, 3])
while True:
    try:
        element = next(iterator)
        print(element)
    except StopIteration:
        break

Korzyści z używania iteratorów

• Iteratory są efektywne pamięciowo, ponieważ generują elementy na żądanie, a nie przechowują całej kolekcji w pamięci.
• Iteratory umożliwiają pracę z nieskończonymi strumieniami danych, generując elementy tylko wtedy, gdy są potrzebne.
• Generatory pozwalają tworzyć zwięzłe i czytelne iteratory bez konieczności pisania pełnych klas z metodami __iter__() i __next__().

Złożone generatory i przepływ danych

Generatory można również łączyć, tworząc bardziej złożone strumienie danych. Na przykład, można stworzyć generator, który pobiera dane z innego generatora, przetwarza je i zwraca przetworzony wynik.

def podwoj_wartosci(generator):
    for

 wartosc in generator:
        yield wartosc * 2

generator_liczb = (i for i in range(5))
podwojony_generator = podwoj_wartosci(generator_liczb)

for wartosc in podwojony_generator:
    print(wartosc)

Powyższy przykład pokazuje, jak można tworzyć złożone przepływy danych, gdzie generatory są używane do transformacji danych w sposób płynny i leniwy.