Генераторные выражения в питоне

Обновлено: 04.11.2024

Эта статья глубже и детальней предыдущих и поэтому может быть интересна не только новичкам, но и достаточно опытным Python-разработчикам.

Будут рассмотрены: выражения-генераторы, генераторы списка, словаря и множества, вложенные генераторы (5 вариантов), работа с enumerate(), range().
А также: классификация и терминология, синтаксис, аналоги в виде циклов и примеры применения.

Я постарался рассмотреть тонкости и нюансы, которые освещаются далеко не во всех книгах и курсах, и, в том числе, отсутствуют в уже опубликованных на Habrahabr статьях на эту тему.

1. Определения и классификация.
2. Синтаксис.
3. Аналоги в виде цикла for и в виде функций.
4. Выражения-генераторы.
5. Генерация стандартных коллекций.
6. Периодичность и частичный перебор.
7. Вложенные циклы и генераторы.
8. Использование range().
9. Приложение 1. Дополнительные примеры.
10. Приложение 2. Ссылки по теме.

1. Определения и классификация

1.1 Что и зачем

Генераторы выражений предназначены для компактного и удобного способа генерации коллекций элементов, а также преобразования одного типа коллекций в другой.
В процессе генерации или преобразования возможно применение условий и модификация элементов.
Генераторы выражений являются синтаксическим сахаром и не решают задач, которые нельзя было бы решить без их использования.

1.2 Преимущества использования генераторов выражений

Более короткий и удобный синтаксис, чем генерация в обычном цикле.
Более понятный и читаемый синтаксис чем функциональный аналог сочетающий одновременное применение функций map(), filter() и lambda.
В целом: быстрее набирать, легче читать, особенно когда подобных операций много в коде.

1.3 Классификация и особенности

Сразу скажу, что существует некоторая терминологическая путаница в русских названиях того, о чем мы будем говорить.

В данной статье используются следующие обозначения:

выражение-генератор (generator expression) — выражение в круглых скобках которое выдает создает на каждой итерации новый элемент по правилам.
генератор коллекции — обобщенное название для генератора списка (list comprehension), генератора словаря (dictionary comprehension) и генератора множества (set comprehension).

В отдельных местах, чтобы избежать нагромождения терминов, будет использоваться термин «генератор» без дополнительных уточнений.

2. Синтаксис

Для начала приведем иллюстрацию общего синтаксиса выражения-генератора.
Важно: этот синтаксис одинаков и для выражения-генератора и для всех трех типов генераторов коллекций, разница заключается, в каких скобках он будет заключен (смотрите предыдущую иллюстрацию).

Общие принципы важные для понимания:

Ввод — это итератор — это может быть функция-генератор, выражение-генератор, коллекция — любой объект поддерживающий итерацию по нему.
Условие — это фильтр при выполнении которого элемент пойдет в финальное выражение, если элемент ему не удовлетворяет, он будет пропущен.
Финальное выражение — преобразование каждого выбранного элемента перед его выводом или просто вывод без изменений.

2.1 Базовый синтаксис

По сути, ничего интересного тут не произошло, мы просто получили копию списка. Делать такие копии или просто перегонять коллекции из типа в тип с помощью генераторов особого смысла нет — это можно сделать значительно проще применив соответствующие методы или функции создания коллекций (рассматривались в первой статье цикла).

Мощь генераторов выражений заключается в том, что мы можем задавать условия для включения элемента в новую коллекцию и можем делать преобразование текущего элемента с помощью выражения или функции перед его выводом (включением в новую коллекцию).

2.2 Добавляем условие для фильтрации

Важно: Условие проверяется на каждой итерации, и только элементы ему удовлетворяющие идут в обработку в выражении.

Добавим в предыдущий пример условие — брать только четные элементы.

Мы можем использовать несколько условий, комбинируя их логическими операторами:

2.3 Добавляем обработку элемента в выражении

Мы можем вставлять не сам текущий элемент, прошедший фильтр, а результат вычисления выражения с ним или результат его обработки функцией.

Важно: Выражение выполняется независимо на каждой итерации, обрабатывая каждый элемент индивидуально.

Например, можем посчитать квадраты значений каждого элемента:

Или посчитать длины строк c помощью функции len()

2.4 Ветвление выражения

Обратите внимание: Мы можем использовать (начиная с Python 2.5) в выражении конструкцию if-else для ветвления финального выражения.

Условия ветвления пишутся не после, а перед итератором.
В данном случае if-else это не фильтр перед выполнением выражения, а ветвление самого выражения, то есть переменная уже прошла фильтр, но в зависимости от условия может быть обработана по-разному!

Никто не запрещает комбинировать фильтрацию и ветвление:

Этот же пример в виде цикла

2.5 Улучшаем читаемость

Не забываем, что в Python синтаксис позволяет использовать переносы строк внутри скобок. Используя эту возможность, можно сделать синтаксис генераторов выражений более легким для чтения:

3. Аналоги в виде цикла for и в виде функций

Как уже говорилось выше, задачи решаемые с помощью генераторов выражений можно решить и без них. Приведем другие подходы, которые могут быть использованы для решения тех же задач.

Для примера возьмем простую задачу — сделаем из списка чисел список квадратов четных чисел и решим ее с помощью трех разных подходов:

3.1 Решение с помощью генератора списка

3.2. Решение c помощью цикла for

Важно: Каждый генератор выражений можно переписать в виде цикла for, но не каждый цикл for можно представить в виде такого выражения.

В целом, для очень сложных и комплексных задач, решение в виде цикла может быть понятней и проще в поддержке и доработке. Для более простых задач, синтаксис выражения-генератора будет компактней и легче в чтении.

3.3. Решение с помощью функций.

Для начала, замечу, что выражение генераторы и генераторы коллекций — это тоже функциональный стиль, но более новый и предпочтительный.

Можно применять и более старые функциональные подходы для решения тех же задач, комбинируя map(), lambda и filter().

Несмотря на то, что подобный пример вполне рабочий, читается он тяжело и использование синтаксиса генераторов выражений будет более предпочительным и понятным.

4. Выражения-генераторы

Выражения-генераторы (generator expressions) доступны, начиная с Python 2.4. Основное их отличие от генераторов коллекций в том, что они выдают элемент по-одному, не загружая в память сразу всю коллекцию.

UPD: Еще раз обратите внимание на этот момент: если мы создаем большую структуру данных без использования генератора, то она загружается в память целиком, соответственно, это увеличивает расход памяти Вашим приложением, а в крайних случаях памяти может просто не хватить и Ваше приложение «упадет» с MemoryError. В случае использования выражения-генератора, такого не происходит, так как элементы создаются по-одному, в момент обращения.

Особенности выражений-генераторов

5. Генерация стандартных коллекций

5.1 Создание коллекций из выражения-генератора

Создание коллекций из выражения-генератора с помощью функций list(), tuple(), set(), frozenset()

Примечание: Так можно создать и неизменное множество и кортеж, так как неизменными они станет уже после генерации.

Внимание: Для строки такой способ не работает! Синтаксис создания генератора словаря таким образом имеет свои особенности, он рассмотрен в следующем под-разделе.

То же самое для кортежа, множества и неизменного множества

5.2 Специальный синтаксис генераторов коллекций

В отличии от выражения-генератора, которое выдает значение по-одному, не загружая всю коллекцию в память, при использовании генераторов коллекций, коллекция генерируется сразу целиком.

Соответственно, вместо особенности выражений-генераторов перечисленных выше, такая коллекция будет обладать всеми стандартными свойствами характерными для коллекции данного типа.

Обратите внимание, что для генерации множества и словаря используются одинаковые скобки, разница в том, что у словаря указывается двойной элемент ключ: значение.

Не пишите круглые скобки в квадратных!

Словарь из списка:

Важно! Такой синтаксис создания словаря работает только в фигурных скобках, выражение-генератор так создать нельзя, для этого используется немного другой синтаксис (благодарю longclaps за подсказку в комментариях):

5.3 Генерация строк

Для создания строки вместо синтаксиса выражений-генераторов используется метод строки .join(), которому в качестве аргументов можно передать выражение генератор.
Обратите внимание: элементы коллекции для объединения в строку должны быть строками!

6. Периодичность и частичный перебор

6.1 Работа с enumerate()

Иногда в условиях задачи в условии-фильтре нужна не проверка значения текущего элемента, а проверка на определенную периодичность, то есть, например, нужно брать каждый третий элемент.

Для подобных задач можно использовать функцию enumerate(), задающую счетчик при обходе итератора в цикле:

здесь x — текущий элемент i — его порядковый номер, начиная с нуля

Проиллюстрируем работу с индексами:

Теперь попробуем решить реальную задачу — выберем в генераторе списка каждый третий элемент из исходного списка:

Важные особенности работы функции enumerate():

Возможны два варианта вызова функции enumerate():
- enumerate(iterator) без второго параметра считает с 0.
- enumerate(iterator, start) — начинает считать с значения start. Удобно, например, если нам надо считать с 1, а не 0.
enumerate() возвращает кортеж из порядкового номера и значения текущего элемента итератора. Кортеж в выражении-генераторе результате можно получить двумя способами:
- (i, j) for i, j in enumerate(iterator) — скобки в первой паре нужны!
- pair for pair in enumerate(mylist) — мы работаем сразу с парой
Индексы считаются для всех обработанных элементов, без учета прошли они в дальнейшем условие или нет!

6.2 Перебор части итерируемого.

Иногда бывает задача из очень большой коллекции или даже бесконечного генератора получить выборку первых нескольких элементов, удовлетворяющих условию.

Если мы используем обычное генераторное выражение с условием ограничением по enumerate() индексу или срез полученной результирующей коллекции, то нам в любом случае придется пройти всю огромную коллекцию и потратить на это уйму компьютерных ресурсов.

Выходом может быть использование функции islice() из пакета itertools.

Для сомневающихся: проверяем время выполнения

7. Вложенные циклы и генераторы

Рассмотрим более комплексные варианты, когда у нас циклы или сами выражения-генераторы являются вложенными. Тут возможны несколько вариантов, со своими особенностями и сферой применения, чтобы не возникало путаницы, рассмотрим их по-отдельности, а после приведем общую схему.

7.1 Вложенные циклы

В результате генерации получаем одномерную структуру.

Важно! При работае с вложенными циклами внутри генератора выражений порядок следования инструкций for in будет такой же (слева-направо), как и в аналогичном решении без генератора, только на циклах (сверху-вниз)! Тоже справедливо и при более глубоких уровнях вложенности.

7.1.1 Вложенные циклы for где циклы идут по независимым итераторам

Общий синтаксис: [expression for x in iter1 for y in iter2]
Применение: генерируем одномерную структуру, используя данные из двух итераторов.

Например, создадим словарь, используя кортежи координат как ключи, заполнив для начала его значения нулями.

Дальше можем задавать новые значения или получать их

Тоже можно сделать и с дополнительными условиями-фильтрами в каждом цикле:

Эта же задача решенная с помощью цикла

7.1.2 Вложенные циклы for где внутренний цикл идет по результату внешнего цикла

Общий синтаксис: [expression for x in iterator for y in x].

Применение: Стандартный подход, когда нам надо обходить двумерную структуру данных, превращая ее в «плоскую» одномерную. В данном случае, мы во внешнем цикле проходим по строкам, а во внутреннем по элементам каждой строки нашей двумерной структуры.

Допустим у нас есть двумерная матрица — список списков. И мы желаем преобразовать ее в плоский одномерный список.

Таже задача, решенная с помощью вложенных циклов UPD:Изящные решения из комментариев

7.2 Вложенные генераторы

Вложенными могут быть не только циклы for внутри выражения-генератора, но и сами генераторы.
Такой подход применяется когда нам надо строить двумерную структуру.

Важно!: В отличии от примеров выше с вложенными циклами, для вложенных генераторов, вначале обрабатывается внешний генератор, потом внутренний, то есть порядок идет справа-налево.

Ниже рассмотрим два варианта подобного использования.

7.2.1 — Вложенный генератор внутри генератора — двумерная из двух одномерных

Общий синтаксис: [[expression for y in iter2] for x in iter1]
Применение: генерируем двумерную структуру, используя данные из двух одномерных итераторов.

Для примера создадим матрицу из 5 столбцов и 3 строк и заполним ее нулями:

Создание этой же матрицы двумя вложенными циклами - обратите внимание на порядок вложения Примечание: После создания можем работать с матрицей как с обычным двумерным массивом

7.2.2 — Вложенный генератор внутри генератора — двумерная из двумерной

Общий синтаксис: [[expression for y in x] for x in iterator]
Применение: Обходим двумерную структуру данных, сохраняя результат в другую двумерную структуру.

Возведем каждый элемент матрицы в квадрат:

Эта же операция в виде вложенных циклов

Обобщим все вышеперечисленные варианты в одной схеме (полный размер по клику):

7.3 — Генератор итерирующийся по генератору

Так как любой генератор может использоваться как итератор в цикле for, это так же можно использовать и для создания генератора по генератору.
При этом синтаксически это может записываться в два выражения или объединяться во вложенный генератор.

Проиллюстрирую и такую возможность.
Допустим у нас есть два таких генератора списков:

Тоже самое можно записать и в одно выражение, подставив вместо list_a его генератор списка:

UPD от longclaps: Преимущество от комбинирования генераторов на примере сложной функции f(x) = u(v(x))

8. Использование range()

Говоря о способах генерации коллекций, нельзя обойти вниманием простую и очень удобную функцию range(), которая предназначена для создания арифметических последовательностей.

Особенности функции range():

Читайте также: