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Python yield與實(shí)現(xiàn)
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(gè)或多個(gè)yield表達(dá)式構(gòu)成的函數(shù)，每一個(gè)生成器都是一個(gè)迭代器（但是迭代器不一定是生成器）。
如果一個(gè)函數(shù)包含yield關(guān)鍵字，這個(gè)函數(shù)就會(huì)變?yōu)橐粋€(gè)生成器。
生成器并不會(huì)一次返回所有結(jié)果，而是每次遇到y(tǒng)ield關(guān)鍵字后返回相應(yīng)結(jié)果，并保留函數(shù)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，等待下一次的調(diào)用。
由于生成器也是一個(gè)迭代器，那么它就應(yīng)該支持next方法來獲取下一個(gè)值。
基本操作
# 通過`yield`來創(chuàng)建生成器 def func(): for i in xrange(10); yield i # 通過列表來創(chuàng)建生成器 [i for i in xrange(10)]
# 調(diào)用如下 >>> f = func() >>> f # 此時(shí)生成器還沒有運(yùn)行 generator object func at 0x7fe01a853820> >>> f.next() # 當(dāng)i=0時(shí)，遇到y(tǒng)ield關(guān)鍵字，直接返回 0 >>> f.next() # 繼續(xù)上一次執(zhí)行的位置，進(jìn)入下一層循環(huán) 1 ... >>> f.next() 9 >>> f.next() # 當(dāng)執(zhí)行完最后一次循環(huán)后，結(jié)束yield語句，生成StopIteration異常 Traceback (most recent call last): File '', line 1, in module> StopIteration >>>
除了next函數(shù)，生成器還支持send函數(shù)。該函數(shù)可以向生成器傳遞參數(shù)。
>>> def func(): ... n = 0 ... while 1: ... n = yield n #可以通過send函數(shù)向n賦值 ... >>> f = func() >>> f.next() # 默認(rèn)情況下n為0 0 >>> f.send(1) #n賦值1 1 >>> f.send(2) 2 >>>
應(yīng)用
最經(jīng)典的例子，生成無限序列。
常規(guī)的解決方法是，生成一個(gè)滿足要求的很大的列表，這個(gè)列表需要保存在內(nèi)存中，很明顯內(nèi)存限制了這個(gè)問題。
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(gè)列表，每次都只是返回一個(gè)數(shù)據(jù)，避免了內(nèi)存的限制問題。
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(diào)用棧
在解釋生成器之前，需要講解一下Python虛擬機(jī)的調(diào)用原理。
Python虛擬機(jī)有一個(gè)棧幀的調(diào)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;
棧幀保存了給出代碼的的信息和上下文，其中包含最后執(zhí)行的指令，全局和局部命名空間，異常狀態(tài)等信息。f_valueblock保存了數(shù)據(jù)，b_blockstack保存了異常和循環(huán)控制方法。
舉一個(gè)例子來說明，
def foo(): x = 1 def bar(y): z = y + 2 #
那么，相應(yīng)的調(diào)用棧如下，一個(gè)py文件，一個(gè)類，一個(gè)函數(shù)都是一個(gè)代碼塊，對(duì)應(yīng)者一個(gè)Frame，保存著上下文環(huán)境以及字節(jié)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 ---------------------------
每一個(gè)棧幀都擁有自己的數(shù)據(jù)棧和block棧，獨(dú)立的數(shù)據(jù)棧和block棧使得解釋器可以中斷和恢復(fù)棧幀（生成器正式利用這點(diǎn)）。
Python代碼首先被編譯為字節(jié)碼，再由Python虛擬機(jī)來執(zhí)行。一般來說，一條Python語句對(duì)應(yīng)著多條字節(jié)碼（由于每條字節(jié)碼對(duì)應(yīng)著一條C語句，而不是一個(gè)機(jī)器指令，所以不能按照字節(jié)碼的數(shù)量來判斷代碼性能）。
調(diào)用dis模塊可以分析字節(jié)碼，
from dis import dis dis(foo) 5 0 LOAD_CONST 1 (1) # 加載常量1 3 STORE_FAST 0 (x) # x賦值為1 6 6 LOAD_CONST 2 (code>) # 加載常量2 9 MAKE_FUNCTION 0 # 創(chuàng)建函數(shù) 12 STORE_FAST 1 (bar) 9 15 LOAD_FAST 1 (bar) 18 LOAD_FAST 0 (x) 21 CALL_FUNCTION 1 # 調(diào)用函數(shù) 24 RETURN_VALUE code>
其中，
第一行為代碼行號(hào)； 第二行為偏移地址； 第三行為字節(jié)碼指令； 第四行為指令參數(shù)； 第五行為參數(shù)解釋。
生成器源碼分析
由了上面對(duì)于調(diào)用棧的理解，就可以很容易的明白生成器的具體實(shí)現(xiàn)。
生成器的源碼位于object/genobject.c。
生成器的創(chuàng)建
PyObject * PyGen_New(PyFrameObject *f) { PyGenObject *gen = PyObject_GC_New(PyGenObject, &PyGen_Type); # 創(chuàng)建生成器對(duì)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(jì)數(shù)+1 gen->gi_code = (PyObject *)(f->f_code); gen->gi_running = 0; # 0表示為執(zhí)行，也就是生成器的初始狀態(tài) gen->gi_weakreflist = NULL; _PyObject_GC_TRACK(gen); # GC跟蹤 return (PyObject *)gen; }
send與next
next與send函數(shù)，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); }
從上面的代碼中可以看到，send和next都是調(diào)用的同一函數(shù)gen_send_ex，區(qū)別在于是否帶有參數(shù)。
字節(jié)碼的執(zhí)行
PyEval_EvalFrameEx函數(shù)的功能為執(zhí)行字節(jié)碼并返回結(jié)果。
# 主要流程如下， for (;;) { switch(opcode) { # opcode為操作碼，對(duì)應(yīng)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(huán) } } fast_yield: ... return vetval; # 返回結(jié)果
舉一個(gè)例子，f_back上一個(gè)Frame，f_lasti上一次執(zhí)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()
結(jié)果如下，其中第三行的英文為操作碼，對(duì)應(yīng)著上面的opcode，每次switch都是在不同的opcode之間進(jìn)行選擇。
6 0 LOAD_GLOBAL 0 (sys) 3 LOAD_ATTR 1 (_getframe) 6 LOAD_CONST 1 (0) 9 CALL_FUNCTION 1 12 STORE_FAST 0 (f) 7 15 LOAD_FAST 0 (f) 18 LOAD_ATTR 2 (f_lasti) 21 PRINT_ITEM 22 PRINT_NEWLINE 8 23 LOAD_FAST 0 (f) 26 LOAD_ATTR 3 (f_back) 29 PRINT_ITEM 30 PRINT_NEWLINE 9 31 LOAD_CONST 2 (1) 34 YIELD_VALUE # 此時(shí)操作碼為YIELD_VALUE，直接跳轉(zhuǎn)上述goto語句，此時(shí)f_lasti為當(dāng)前指令，f_back為當(dāng)前frame 35 POP_TOP 11 36 LOAD_FAST 0 (f) 39 LOAD_ATTR 2 (f_lasti) 42 PRINT_ITEM 43 PRINT_NEWLINE 12 44 LOAD_FAST 0 (f) 47 LOAD_ATTR 3 (f_back) 50 PRINT_ITEM 51 PRINT_NEWLINE 13 52 LOAD_CONST 3 (2) 55 YIELD_VALUE 56 POP_TOP 57 LOAD_CONST 0 (None) 60 RETURN_VALUE 18 frame object at 0x7fa75fcebc20> #和下面的frame相同，屬于同一個(gè)frame，也就是說在同一個(gè)函數(shù)（命名空間）內(nèi)，frame是同一個(gè)。 39 frame object at 0x7fa75fcebc20>
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