【Python】高级语法：推导式、迭代器、生成器、装饰器

原文作者：我辈李想
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一、推导式

语法格式为：

new_set = {expression for item in iterable if condition}

其中，
new_set 是新生成的集合；
expression 是一个表达式，用于计算集合中元素的值；
item 是集合的元素；
iterable 是一个可迭代对象，如列表、元组、字符串等；
if 语句是可选的，用于筛选元素。

1.列表推导式

列表推导式是 Python 中常用的一种快速创建列表的方式。它可以通过一行代码来生成一个新的列表，而不需要繁琐的循环和条件语句。
下面是一个简单的示例，演示了如何使用列表推导式生成一个1到10的平方数列表：

squares = [x**2 for x in range(1, 11)]
print(type(squares))
print(squares)

输出结果

[1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81, 100]

列表推导式也可以使用条件语句来过滤元素。下面是一个示例，演示了如何使用列表推导式生成1到10的平方数列表，但只包括偶数：

squares = [x**2 for x in range(1, 11) if x % 2 == 0]
print(type(squares))
print(squares)

输出结果

[4, 16, 36, 64, 100]

在上面的示例中，列表推导式使用for循环语句遍历1到10的整数，但只包括偶数，并使用x**2计算每个偶数的平方，然后将结果添加到新的列表中。

列表推导式的优点是可读性高，能够快速创建列表。但是，当可读性受到影响或数据处理较复杂时，建议使用传统的循环和条件语句

2.集合推导式

Python 集合推导式是用来生成集合的一种快捷方式，它类似于列表推导式。

new_set = {x**2 for x in range(1,6)}
print(type(new_set))
print(new_set)

输出结果

{1, 4, 9, 16, 25}

上面的例子是生成由 1 到 5 的平方组成的集合。

3.字典推导式

字典推导式的语法与列表推导式和集合推导式类似，但是需要使用花括号 {}，可以加入条件表达式等来筛选元素，实现更加复杂的生成。

my_dict = {i: i ** 2 for i in range(1, 6)}
print(type(my_dict))
print(my_dict)

输出结果

{1: 1, 2: 4, 3: 9, 4: 16, 5: 25}

在上面的例子中，我们使用了一个字典生成器，将 1 到 5 的整数作为字典的键，并将其平方作为值。

二、迭代器

在Python中，迭代器（Iterator）和可迭代对象（Iterable）是两个重要的概念。

可迭代对象是指实现了 iter 或者 getitem 方法的对象，例如列表、元组、集合、字典、字符串等。这些对象可以通过 for 循环进行迭代，或者使用 iter() 函数将其转换为迭代器。

迭代器是指实现了 iter 和 next 方法的对象。__iter__方法返回迭代器对象本身，__next__方法返回数据集合中的下一个元素,如果没有下一个值，就抛出 StopIteration 异常。迭代器只能向前遍历一次，无法回到前面的位置。

示例：迭代对象转迭代器

my_list = [1, 2, 3]
iterator = iter(my_list)
print('my_list',type(my_list))
print('iterator',type(iterator))

输出结果

my_list 
iterator 

需要注意的是，虽然可迭代对象可以使用 iter() 函数转换为迭代器，但是迭代器本身也是可迭代对象。也就是说，迭代器可以在 for 循环中直接使用。

my_list = [1, 2, 3]
iterator = iter(my_list)
for item in iterator:
    print(item)

迭代器是一个可以遍历数据集合的对象，它的作用是提供一种统一的访问数据集合的方法，而不必关注数据的底层实现方式。

示例：创建一个迭代器

class MyIterator:
    def __iter__(self):
        self.a = 1
        return self

    def __next__(self):
        x = self.a
        self.a += 1
        return x

my_iter = MyIterator()
my_iter_iter = iter(my_iter)
print(type(my_iter_iter))

print(next(my_iter_iter))
print(next(my_iter_iter))
print(next(my_iter_iter))

输出

1
2
3

三、生成器

生成器是一种特殊的迭代器，它可以动态地生成数据而不是从一个固定的数据集合中返回数据。Python中的生成器是通过yield关键字来实现的。当函数中包含yield时，该函数就成为生成器函数，并返回一个生成器对象。

1.yield 生成器

示例1：

def num_generator(n):
    for i in range(1, n+1):
        yield i

# 使用生成器函数生成1到10的数字序列
print(type(num_generator(10)))
for num in num_generator(10):
    print(num)

输出

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

其中，生成器函数num_generator()使用yield语句生成数字序列，并在每次调用时返回一个值。使用for循环迭代生成器对象，每次迭代从生成器函数中获取一个值并打印。

2.元组生成器

示例2:

tuple_generator = (i for i in range(10))
result_tuple = tuple(tuple_generator)
print(type(tuple_generator))
print(type(result_tuple))
print(result_tuple)

输出结果

(0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9)

在这个例子中，我们使用了生成器表达式 (i for i in range(10)) 来生成一个可迭代对象，然后使用 tuple() 函数将其转换为元组。

3.生成器中重要方法

next、send、throw是生成器中的3个重要方法，其中next和send可用于遍历生成器，throw用于抛出异常。

其中next函数使用时，当已经遍历到生成器的结尾，会抛一个异常StopIteration
其中send函数使用时，生成器的第一个值必须使用send(None)
其中throw效果等同于raise

生成器的优点是节省内存，因为它不会一次性生成所有值，而是逐个生成并在使用后释放内存。另外，生成器可以通过迭代器协议与其他Python对象进行交互，包括列表、字典等等。

四、装饰器

1.函数装饰器

Python装饰器是一种高级语法，它可以在不修改原函数代码的情况下，增加或改变原函数的功能。装饰器本质上是一个函数，它可以接收一个函数作为参数，并返回一个新的函数。

@decorator
def function():
    pass

其中 decorator 是一个装饰器函数，用于增强 function 函数的功能。装饰器函数的定义如下：

def decorator(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        # 在这里增加或改变 func 函数的功能
        print(f'calling {func.__name__}()')
        return func(*args, **kwargs)
    return wrapper

装饰器函数 decorator 接收一个函数 func，并返回一个新的函数 wrapper。wrapper 函数可以在调用原函数之前或之后执行一些操作，然后调用原函数并返回其结果。

计时器示例：

import datetime

def timer(func):
    def wrapper(*args, **kwargs):
        start_time = datetime.datetime.now()
        result = func(*args, **kwargs)
        end_time = datetime.datetime.now()
        print('{0} run time is {1}'.format(func.__name__, (end_time - start_time).total_seconds()))
        return result
    return wrapper

@timer
def my_function():
    time.sleep(2)
    print("Function complete.")

my_function()

其中 timer函数是装饰器函数，它接受一个函数作为参数，返回一个新函数wrapper。wrapper函数用于记录被装饰函数执行的时间，并在执行完毕后输出时间。最后，将my_function函数使用@timer装饰器修饰，从而实现函数计时的功能。

2.可传参函数装饰器

装饰器函数也是函数，既然是函数，那么就可以进行参数传递，咱们怎么写一个带参数的装饰器呢

import datetime

def time_msg(msg=None):
    def timer(func):
        def wrapper(*args, **kwargs):
            start_time = datetime.datetime.now()
            result = func(*args, **kwargs)
            end_time = datetime.datetime.now()
            print('{0}:{1} run time is {2}'.format(msg,func.__name__, (end_time - start_time).total_seconds()))
            return result
        return wrapper
    return timer

@time_msg(msg="baiyu")
def my_function():
    time.sleep(2)
    print("Function complete.")

my_function()

3.类装饰器

在python中，可以用类来实现装饰器的功能，称之为类装饰器。类装饰器的实现是调用了类里面的__call__函数。类装饰器的写法比我们装饰器函数的写法更加简单。

import datetime

class MyDecorator:
    def __init__(self, func):
        self.func = func
        print("执行类的__init__方法")
 
    def __call__(self, *args, **kwargs):
        print('进入__call__函数')
        start_time = datetime.datetime.now()
        result = self.func(*args, **kwargs)
        end_time = datetime.datetime.now()
        print('{0}:{1} run time is {2}'.format('',self.func.__name__, (end_time - start_time).total_seconds()))
        result.atrr = '自定义附加参数'  # 类调用时可
        return result 

@MyDecorator
def my_function():
    time.sleep(2)
    print("Function complete.")

@MyDecorator
class MyClass:
    print("MyClass.")

# my_function()

obj = MyClass()
print(obj.attr) # '附加参数'

4.可传参的类装饰器

import datetime

class MyDecorator(object):
    def __init__(self, arg1, arg2):
        self.arg1 = arg1
        self.arg2 = arg2
 
    def __call__(self,func):
        print('进入__call__函数')
        def wrapped(*args, **kwargs):
            print("Decorator arguments:", self.arg1, self.arg2)
            start_time = datetime.datetime.now()
            result = func(*args, **kwargs)
            end_time = datetime.datetime.now()
            print('{0}:{1} run time is {2}'.format('',func.__name__, (end_time - start_time).total_seconds()))
            result.attr = '自定义附加参数'  # 类调用时可用
            return result 
        return wrapped

@MyDecorator('参1','参2')
class MyClass:
    print("MyClass.")

obj = MyClass()
print(obj.attr) # '附加参数'