在python中實現使用迭代生成器yield減少記憶體占用的方法

在python編碼中for迴圈處理任務時，會將所有的待遍歷參量載入到記憶體中。其實這本沒有必要，因為這些參量很有可能是一次性使用的，甚至很多場景下這些參量是不需要同時存儲在記憶體中的，這時候就會用到本文所介紹的迭代生成器yield。

1.基本使用

首先我們用一個例子來演示一下迭代生成器yield的基本使用方法，這個例子的作用是構造一個函數用於生成一個平方數組$0^2,12,2^2...$。

在普通的場景中我們一般會直接構造一個空的列表，然後將每一個計算結果填充到列表中，最後return列表即可，對應的是這裡的函數square_number。而另外一個函數square_number_yield則是為了演示yield而構造的函數，其使用語法跟return是一樣的，不同的是每次只會返回一個值：

def square_number(length):
    s = []
    for i in range(length):
        s.append(i ** 2)
    return s
 
def square_number_yield(length):
    for i in range(length):
        yield i ** 2
 
if __name__ == '__main__':
    length = 10
    sn1 = square_number(length)
    sn2 = square_number_yield(length)
    for i in range(length):
        print (sn1[i], '\t', end='')
        print (next(sn2))

在main函數中我們對比了兩種方法執行的結果，列印在同一行上面，用end=''指令可以替代行末的換行符號，具體執行的結果如下所示：

[dechin@dechin-manjaro yield]$ python3 test_yield.py 
0       0
1       1
4       4
9       9
16      16
25      25
36      36
49      49
64      64
81      81

可以看到兩種方法列印出來的結果是一樣的。也許有些場景下就是需要持久化的存儲函數中返回的結果，這一點用yield也是可以實現的，可以參考如下示例：

def square_number(length):
    s = []
    for i in range(length):
        s.append(i ** 2)
    return s
 
def square_number_yield(length):
    for i in range(length):
        yield i ** 2
 
if __name__ == '__main__':
    length = 10
    sn1 = square_number(length)
    sn2 = square_number_yield(length)
    sn3 = list(square_number_yield(length))
    for i in range(length):
        print (sn1[i], '\t', end='')
        print (next(sn2), '\t', end='')
        print (sn3[i])

這裡使用的方法是直接將yield生成的對象轉化成list格式，或者用sn3 = [i for i in square_number_yield(length)]這種寫法也是可以的，在性能上應該差異不大。

上述代碼的執行結果如下：

[dechin@dechin-manjaro yield]$ python3 test_yield.py 
0       0       0
1       1       1
4       4       4
9       9       9
16      16      16
25      25      25
36      36      36
49      49      49
64      64      64
81      81      81

2.進階測試

在前面的章節中我們提到，使用yield可以節省程式的記憶體占用，這裡我們來測試一個100000大小的隨機數組的平方和計算。如果使用正常的邏輯，那麼寫出來的程式就是如下所示

import tracemalloc
import time
import numpy as np
tracemalloc.start()
 
start_time = time.time()
ss_list = np.random.randn(100000)
s = 0
for ss in ss_list:
    s += ss ** 2
end_time = time.time()
print ('Time cost is: {}s'.format(end_time - start_time))
 
snapshot = tracemalloc.take_snapshot()
top_stats = snapshot.statistics('lineno')
 
for stat in top_stats[:5]:
    print (stat)

這個程式一方面通過time來測試執行的時間，另一方面利用tracemalloc追蹤程式的記憶體變化。這裡是先用np.random.randn()直接產生了100000個隨機數的數組用於計算，那麼自然在計算的過程中需要存儲這些生成的隨機數，就會占用這麼多的記憶體空間。如果使用yield的方法，每次只產生一個用於計算的隨機數，並且按照上一個章節中的用法，這個迭代生成的隨機數也是可以轉化為一個完整的list的：

import tracemalloc
import time
import numpy as np
tracemalloc.start()
 
start_time = time.time()
def ss_list(length):
    for i in range(length):
        yield np.random.random()
 
s = 0
ss = ss_list(100000)
for i in range(100000):
    s += next(ss) ** 2
end_time = time.time()
print ('Time cost is: {}s'.format(end_time - start_time))
 
snapshot = tracemalloc.take_snapshot()
top_stats = snapshot.statistics('lineno')
 
for stat in top_stats[:5]:
    print (stat)

這兩個示例的執行結果如下，可以放在一起進行對比：

[dechin@dechin-manjaro yield]$ python3 square_sum.py 
Time cost is: 0.24723434448242188s
square_sum.py:9: size=781 KiB, count=2, average=391 KiB
square_sum.py:12: size=24 B, count=1, average=24 B
square_sum.py:11: size=24 B, count=1, average=24 B
[dechin@dechin-manjaro yield]$ python3 yield_square_sum.py 
Time cost is: 0.23023390769958496s
yield_square_sum.py:9: size=136 B, count=1, average=136 B
yield_square_sum.py:14: size=112 B, count=1, average=112 B
yield_square_sum.py:11: size=79 B, count=2, average=40 B
yield_square_sum.py:10: size=76 B, count=2, average=38 B
yield_square_sum.py:15: size=28 B, count=1, average=28 B

經過比較我們發現，兩種方法的計算時間是幾乎差不多的，但是在記憶體占用上yield有著明顯的優勢。當然，也許這個例子並不是非常的恰當，但是本文主要還是介紹yield的使用方法及其應用場景。

3.無限長迭代器

在參考鏈接1中提到了一種用法是無限長的迭代器，比如按順序返回所有的素數，那麼此時我們如果用return來返回所有的元素並存儲到一個列表裡面，就是一個非常不經濟的辦法，所以可以使用yield來迭代生成，參考鏈接1中的源代碼如下所示：

'''
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'''
def get_primes(number):
    while True:
        if is_prime(number):
            yield number

        number += 1

那麼類似的，這裡我們用while True可以展示一個簡單的案例——返回所有的偶數：

def yield_range2(i):
    while True:
        yield i
        i += 2
 
iter = yield_range2(0)
for i in range(10):
    print (next(iter))

因為這裡我們限制了長度是10,所以最終會返回10個偶數：

[dechin@dechin-manjaro yield]$ python3 yield_iter.py 
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18

4.總結

本文介紹了python的迭代器yield，其實關於yield，我們可以簡單的將其理解為單個元素的return。這樣不僅就初步理解了yield的使用語法，也能夠大概瞭解到yield的優勢，也就是在計算過程中每次只占用一個元素的記憶體，而不需要一直存儲大量的元素在記憶體中。