Day 021 — 迭代器与可迭代对象原理图解
1. 迭代器协议流程图
完整的协议交互
┌──────────────────────────────────────────────────┐
│ 可迭代对象 │
│ ┌────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ __iter__(self) → 返回迭代器对象 │ │
│ │ 或 __getitem__(self, index) → 按索引取值 │ │
│ └────────────────────────────────────────────┘ │
└──────────────────────┬───────────────────────────┘
│ iter()
▼
┌──────────────────────────────────────────────────┐
│ 迭代器 │
│ ┌────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ __iter__(self) → return self │ │
│ │ __next__(self) → return value │ │
│ │ → raise StopIteration │ │
│ └────────────────────────────────────────────┘ │
└──────────────────────┬───────────────────────────┘
│ next()
▼
┌─────────────────┐
│ 返回值 │
│ 或 StopIteration│
└─────────────────┘
2. for 循环底层实现拆解
Python 代码:
for x in iterable:
print(x)
底层展开:
┌──────────────────┐
│ 开始 for 循环 │
└────────┬─────────┘
│
▼
┌────────────────────────┐
│ _it = iter(iterable) │
│ # 调用 __iter__() │
└────────┬───────────────┘
│
▼
┌────────────────────────┐
│ while True: │
└────────┬───────────────┘
│
▼
┌────────────────────────┐
│ try: │
│ x = next(_it) │
│ # 调用 __next__() │
└────────┬───────────────┘
│
┌─────────┴─────────┐
▼ ▼
┌────────────────┐ ┌──────────────────┐
│ 没有异常 │ │ StopIteration │
│ 执行循环体 │ │ 跳出循环 │
└───────┬────────┘ └────────┬─────────┘
│ │
└──── 继续 ──────────┘
│
▼
┌──────────────────┐
│ del _it │
│ # 清理迭代器 │
└──────────────────┘
3. 可迭代对象 vs 迭代器 关系
┌─────────────────────┐
│ 可迭代对象 │
│ Iterable │
│ │
│ 可以 for 循环 │
│ 有 __iter__() │
│ iter(obj) 返回 │
└──────────┬──────────┘
│
┌─────────────────┼─────────────────┐
│ │ │
▼ ▼ ▼
┌──────────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐
│ 列表 │ │ 字符串 │ │ 字典 │
│ [1, 2, 3] │ │ "hello" │ │ {"a": 1} │
│ list_iterator│ │ str_iterator│ │ dict_keys │
└──────────────┘ └──────────────┘ └──────────────┘
┌─────────────────────┐
│ 迭代器 │
│ Iterator │
│ │
│ 有 __iter__() = self│
│ 有 __next__() │
│ 只能用一次 │
│ 惰性求值 │
└─────────────────────┘
4. 迭代器状态机
┌─────────────────┐
│ 初始状态 │
│ (还未取值) │
└────────┬────────┘
│ __next__()
▼
┌─────────────────┐
│ 激活状态 │◄────┐
│ (有值可取) │ │
└────────┬────────┘ │
│ __next__() │ __next__()
▼ │
┌─────────────────┐ │
│ 激活状态 │─────┘
│ (下一个值) │
└────────┬────────┘
│ __next__() → StopIteration
▼
┌─────────────────┐
│ 耗尽状态 │
│ (无法再取值) │
└─────────────────┘
5. 迭代器 vs 列表 内存对比
列表方式（立即求值）:
range(1000000) → [0, 1, 2, ..., 999999]
┌───────────────────────────────┐
│ ↓ 立即分配 │
│ 约 8MB 内存 │
└───────────────────────────────┘
迭代器方式（惰性求值）:
iter(range(1000000)) → <range_iterator>
┌───────────────────────────────┐
│ ↓ 几乎不占内存 │
│ 56 字节 │
│ ↓ 逐个生成 │
│ 0 → 1 → 2 → ... → 999999 │
│ ↓ 用完即弃 │
└───────────────────────────────┘
6. itertools 工具集关系图
itertools
│
┌───────────────────┼───────────────────┐
│ │ │
无限生成 拼接操作 筛选操作
│ │ │
┌────┴────┐ ┌────┴────┐ ┌────┴────┐
│ count │ │ chain │ │ islice │
│ cycle │ │ zip_long│ │ takewhil│
│ repeat │ │ │ │ dropwhil│
└─────────┘ └─────────┘ └─────────┘
│
┌────┴────┐
│ 排列组合 │
│ product │
│ permu │
│ comb │
└─────────┘
7. 迭代器对象生命周期
sequenceDiagram
participant Python as Python 代码
participant Iterable as 列表 [1,2,3]
participant Iterator as list_iterator
participant Value as 值
Python->>Iterable: iter([1,2,3])
Iterable->>Iterator: 创建 list_iterator
Iterator-->>Python: 返回迭代器
loop 遍历元素
Python->>Iterator: next(it)
Iterator-->>Value: 检查是否耗尽
alt 还有元素
Value-->>Iterator: 返回当前值
Iterator-->>Python: 返回值 (1, 2, 3)
else 已耗尽
Value-->>Iterator: StopIteration
Iterator-->>Python: 抛出 StopIteration
end
end
Python->>Iterator: for 循环结束
Python->>Iterator: del it（自动）
Note over Iterator: 迭代器对象被回收
sequenceDiagram
participant Python as Python 代码
participant Iterable as 列表 [1,2,3]
participant Iterator as list_iterator
participant Value as 值
Python->>Iterable: iter([1,2,3])
Iterable->>Iterator: 创建 list_iterator
Iterator-->>Python: 返回迭代器
loop 遍历元素
Python->>Iterator: next(it)
Iterator-->>Value: 检查是否耗尽
alt 还有元素
Value-->>Iterator: 返回当前值
Iterator-->>Python: 返回值 (1, 2, 3)
else 已耗尽
Value-->>Iterator: StopIteration
Iterator-->>Python: 抛出 StopIteration
end
end
Python->>Iterator: for 循环结束
Python->>Iterator: del it（自动）
Note over Iterator: 迭代器对象被回收
8. 迭代器协议接口图
classDiagram
class Iterable {
+__iter__() Iterator
+__getitem__(index) Any
}
class Iterator {
+__iter__() Iterator
+__next__() Any
}
class Generator {
+__iter__() Iterator
+__next__() Any
+send(value) Any
+throw(exc_type) Any
+close() None
}
Iterable <|-- Iterator : extends
Iterator <|-- Generator : extends
class List {
+__iter__() list_iterator
}
class Str {
+__iter__() str_iterator
}
class Dict {
+__iter__() dict_keyiterator
}
Iterable <|-- List
Iterable <|-- Str
Iterable <|-- Dict
classDiagram
class Iterable {
+__iter__() Iterator
+__getitem__(index) Any
}
class Iterator {
+__iter__() Iterator
+__next__() Any
}
class Generator {
+__iter__() Iterator
+__next__() Any
+send(value) Any
+throw(exc_type) Any
+close() None
}
Iterable <|-- Iterator : extends
Iterator <|-- Generator : extends
class List {
+__iter__() list_iterator
}
class Str {
+__iter__() str_iterator
}
class Dict {
+__iter__() dict_keyiterator
}
Iterable <|-- List
Iterable <|-- Str
Iterable <|-- Dict