Python學(xué)習(xí)點(diǎn)：為什么 range() 不生成迭代器

迭代器是 23 種設(shè)計(jì)模式中最常用的一種（之一），在 Python 中隨處可見(jiàn)它的身影，我們經(jīng)常用到它，但是卻不一定意識(shí)到它的存在。在關(guān)于迭代器的系列文章中（鏈接見(jiàn)文末），我至少提到了 23 種生成迭代器的方法。有些方法是專門(mén)用于生成迭代器的，還有一些方法則是為了解決別的問(wèn)題而“暗中”使用到迭代器。

在系統(tǒng)學(xué)習(xí)迭代器之前，我一直以為 range() 方法也是用于生成迭代器的，現(xiàn)在卻突然發(fā)現(xiàn)，它生成的只是可迭代對(duì)象，而并不是迭代器！ （PS：Python2 中 range() 生成的是列表，本文基于Python3，生成的是可迭代對(duì)象）

于是，我有了這樣的疑問(wèn)：為什么 range() 不生成迭代器呢？在查找答案的過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)自己對(duì) range 類型的認(rèn)識(shí)存在一些誤區(qū)。因此，本文將和大家全面地認(rèn)識(shí)一下 range ，期待與你共同學(xué)習(xí)進(jìn)步。

1、range() 是什么？

它的語(yǔ)法：range(start, stop [,step]) ；start 指的是計(jì)數(shù)起始值，默認(rèn)是 0；stop 指的是計(jì)數(shù)結(jié)束值，但不包括 stop ；step 是步長(zhǎng)，默認(rèn)為 1，不可以為 0 。range() 方法生成一段左閉右開(kāi)的整數(shù)范圍。

>>> a = range(5)  # 即 range(0,5)
>>> a
range(0, 5)
>>> len(a)
5
>>> for x in a:
>>>     print(x,end=" ")
0 1 2 3 4

對(duì)于 range() 函數(shù)，有幾個(gè)注意點(diǎn)：
（1）它表示的是左閉右開(kāi)區(qū)間；
（2）它接收的參數(shù)必須是整數(shù)，可以是負(fù)數(shù)，但不能是浮點(diǎn)數(shù)等其它類型；
（3）它是不可變的序列類型，可以進(jìn)行判斷元素、查找元素、切片等操作，但不能修改元素；
（4）它是可迭代對(duì)象，卻不是迭代器。

# （1）左閉右開(kāi)
>>> for i in range(3, 6):
>>>     print(i,end=" ")
3 4 5

# （2）參數(shù)類型
>>> for i in range(-8, -2, 2):
>>>     print(i,end=" ")
-8 -6 -4
>>> range(2.2)
----------------------------
TypeError    Traceback (most recent call last)
...
TypeError: 'float' object cannot be interpreted as an integer

# （3）序列操作
>>> b = range(1,10)
>>> b[0]
1
>>> b[:-3]
range(1, 7)
>>> b[0] = 2
TypeError  Traceback (most recent call last)
...
TypeError: 'range' object does not support item assignment

# （4）不是迭代器
>>> hasattr(range(3),'__iter__')
True
>>> hasattr(range(3),'__next__')
False
>>> hasattr(iter(range(3)),'__next__')
True

2、 為什么range()不生產(chǎn)迭代器？

可以獲得迭代器的內(nèi)置方法很多，例如 zip() 、enumerate()、map()、filter() 和 reversed() 等等，但是像 range() 這樣僅僅得到的是可迭代對(duì)象的方法就絕無(wú)僅有了（若有反例，歡迎告知）。這就是我存在知識(shí)誤區(qū)的地方。

在 for-循環(huán) 遍歷時(shí)，可迭代對(duì)象與迭代器的性能是一樣的，即它們都是惰性求值的，在空間復(fù)雜度與時(shí)間復(fù)雜度上并無(wú)差異。我曾概括過(guò)兩者的差別是“一同兩不同”：相同的是都可惰性迭代，不同的是可迭代對(duì)象不支持自遍歷（即next()方法），而迭代器本身不支持切片（即__getitem__() 方法）。

雖然有這些差別，但很難得出結(jié)論說(shuō)它們哪個(gè)更優(yōu)?，F(xiàn)在微妙之處就在于，為什么給 5 種內(nèi)置方法都設(shè)計(jì)了迭代器，偏偏給 range() 方法設(shè)計(jì)的就是可迭代對(duì)象呢？把它們都統(tǒng)一起來(lái)，不是更好么？

事實(shí)上，Pyhton 為了規(guī)范性就干過(guò)不少這種事，例如，Python2 中有 range() 和 xrange() 兩種方法，而 Python3 就干掉了其中一種，還用了“李代桃僵”法。為什么不更規(guī)范點(diǎn)，令 range() 生成的是迭代器呢？

關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，我沒(méi)找到官方解釋，以下純屬個(gè)人觀點(diǎn) 。

zip() 等方法都需要接收確定的可迭代對(duì)象的參數(shù)，是對(duì)它們的一種再加工的過(guò)程，因此也希望馬上產(chǎn)出確定的結(jié)果來(lái)，所以 Python 開(kāi)發(fā)者就設(shè)計(jì)了這個(gè)結(jié)果是迭代器。這樣還有一個(gè)好處，即當(dāng)作為參數(shù)的可迭代對(duì)象發(fā)生變化的時(shí)候，作為結(jié)果的迭代器因?yàn)槭窍男偷?，不?huì)被錯(cuò)誤地使用。

而 range() 方法就不同了，它接收的參數(shù)不是可迭代對(duì)象，本身是一種初次加工的過(guò)程，所以設(shè)計(jì)它為可迭代對(duì)象，既可以直接使用，也可以用于其它再加工用途。例如，zip() 等方法就完全可以接收 range 類型的參數(shù)。

>>> for i in zip(range(1,6,2), range(2,7,2)):
>>>    print(i, end="")
(1, 2)(3, 4)(5, 6)

也就是說(shuō)，range() 方法作為一種初級(jí)生產(chǎn)者，它生產(chǎn)的原料本身就有很大用途，早早把它變?yōu)榈鞯脑?，無(wú)疑是一種畫(huà)蛇添足的行為。

對(duì)于這種解讀，你是否覺(jué)得有道理呢？歡迎就這個(gè)話題與我探討。

3、range 類型是什么？

以上是我對(duì)“為什么range()不產(chǎn)生迭代器”的一種解答。順著這個(gè)思路，我研究了一下它產(chǎn)生的 range 對(duì)象，一研究就發(fā)現(xiàn)，這個(gè) range 對(duì)象也并不簡(jiǎn)單。

首先奇怪的一點(diǎn)就是，它竟然是不可變序列！我從未注意過(guò)這一點(diǎn)。雖然說(shuō)，我從未想過(guò)修改 range() 的值，但這一不可修改的特性還是令我驚訝。

翻看文檔，官方是這樣明確劃分的——有三種基本的序列類型：列表、元組和范圍（range）對(duì)象。（There are three basic sequence types: lists, tuples, and range objects.）

這我倒一直沒(méi)注意，原來(lái) range 類型居然跟列表和元組是一樣地位的基礎(chǔ)序列！我一直記掛著字符串是不可變的序列類型，不曾想，這里還有一位不可變的序列類型呢。

那 range 序列跟其它序列類型有什么差異呢？

普通序列都支持的操作有 12 種，在《你真的知道Python的字符串是什么嗎？》這篇文章里提到過(guò)。range 序列只支持其中的 10 種，不支持進(jìn)行加法拼接與乘法重復(fù)。

>>> range(2) + range(3)
-----------------------------------------
TypeError  Traceback (most recent call last)
...
TypeError: unsupported operand type(s) for +: 'range' and 'range'

>>> range(2)*2
-----------------------------------------
TypeError  Traceback (most recent call last)
...
TypeError: unsupported operand type(s) for *: 'range' and 'int'

那么問(wèn)題來(lái)了：同樣是不可變序列，為什么字符串和元組就支持上述兩種操作，而偏偏 range 序列不支持呢？雖然不能直接修改不可變序列，但我們可以將它們拷貝到新的序列上進(jìn)行操作啊，為何 range 對(duì)象連這都不支持呢？

且看官方文檔的解釋：

…due to the fact that range objects can only represent sequences that follow a strict pattern and repetition and concatenation will usually violate that pattern.

原因是 range 對(duì)象僅僅表示一個(gè)遵循著嚴(yán)格模式的序列，而重復(fù)與拼接通常會(huì)破壞這種模式…

問(wèn)題的關(guān)鍵就在于 range 序列的 pattern，仔細(xì)想想，其實(shí)它表示的就是一個(gè)等差數(shù)列?。ㄟ?，高中數(shù)學(xué)知識(shí)沒(méi)忘…），拼接兩個(gè)等差數(shù)列，或者重復(fù)拼接一個(gè)等差數(shù)列，想想確實(shí)不妥，這就是為啥 range 類型不支持這兩個(gè)操作的原因了。由此推論，其它修改動(dòng)作也會(huì)破壞等差數(shù)列結(jié)構(gòu)，所以統(tǒng)統(tǒng)不給修改就是了。

4、小結(jié)

回顧全文，我得到了兩個(gè)偏冷門(mén)的結(jié)論：range 是可迭代對(duì)象而不是迭代器；range 對(duì)象是不可變的等差序列。

若單純看結(jié)論的話，你也許沒(méi)有感觸，或許還會(huì)說(shuō)這沒(méi)啥了不得啊。但如果我追問(wèn)，為什么 range 不是迭代器呢，為什么 range 是不可變序列呢？對(duì)這倆問(wèn)題，你是否還能答出個(gè)自圓其說(shuō)的設(shè)計(jì)思想呢？（PS：我決定了，若有機(jī)會(huì)面試別人，我必要問(wèn)這兩個(gè)問(wèn)題的嘿~）

由于 range 對(duì)象這細(xì)微而有意思的特性，我覺(jué)得這篇文章寫(xiě)得值了。本文是作為迭代器系列文章的一篇來(lái)寫(xiě)的，所以對(duì)于迭代器的基礎(chǔ)知識(shí)介紹不多，歡迎查看之前的文章。另外，還有一種特殊的迭代器也值得單獨(dú)成文，那就是生成器了，敬請(qǐng)期待后續(xù)推文哦~

相關(guān)文章：
Python進(jìn)階：迭代器與迭代器切片
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你真的知道Python的字符串是什么嗎？

官方文檔：http://t.cn/EGMzJt8

編輯：hfy