在python中实现使用迭代生成器yield减少内存占用的方法

谢冬

在python编码中for循环处理任务时，会将所有的待遍历参量加载到内存中。其实这本没有必要，因为这些参量很有可能是一次性使用的，甚至很多场景下这些参量是不需要同时存储在内存中的，这时候就会用到本文所介绍的迭代生成器yield。
1.基本使用

首先我们用一个例子来演示一下迭代生成器yield的基本使用方法，这个例子的作用是构造一个函数用于生成一个平方数组$02,12,2^2...$。
在普通的场景中我们一般会直接构造一个空的列表，然后将每一个计算结果填充到列表中，最后return列表即可，对应的是这里的函数square_number。而另外一个函数square_number_yield则是为了演示yield而构造的函数，其使用语法跟return是一样的，不同的是每次只会返回一个值：

1. def square_number(length):
2.     s = []
3.     for i in range(length):
4.         s.append(i ** 2)
5.     return s
7. def square_number_yield(length):
8.     for i in range(length):
9.         yield i ** 2
11. if __name__ == '__main__':
12.     length = 10
13.     sn1 = square_number(length)
14.     sn2 = square_number_yield(length)
15.     for i in range(length):
16.         print (sn1[i], '\t', end='')
17.         print (next(sn2))

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在main函数中我们对比了两种方法执行的结果，打印在同一行上面，用end=''指令可以替代行末的换行符号，具体执行的结果如下所示：

1. [dechin@dechin-manjaro yield]$ python3 test_yield.py
2. 0       0
3. 1       1
4. 4       4
5. 9       9
6. 16      16
7. 25      25
8. 36      36
9. 49      49
10. 64      64
11. 81      81

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可以看到两种方法打印出来的结果是一样的。也许有些场景下就是需要持久化的存储函数中返回的结果，这一点用yield也是可以实现的，可以参考如下示例：

1. def square_number(length):
2.     s = []
3.     for i in range(length):
4.         s.append(i ** 2)
5.     return s
7. def square_number_yield(length):
8.     for i in range(length):
9.         yield i ** 2
11. if __name__ == '__main__':
12.     length = 10
13.     sn1 = square_number(length)
14.     sn2 = square_number_yield(length)
15.     sn3 = list(square_number_yield(length))
16.     for i in range(length):
17.         print (sn1[i], '\t', end='')
18.         print (next(sn2), '\t', end='')
19.         print (sn3[i])

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这里使用的方法是直接将yield生成的对象转化成list格式，或者用sn3 = [i for i in square_number_yield(length)]这种写法也是可以的，在性能上应该差异不大。
上述代码的执行结果如下：

1. [dechin@dechin-manjaro yield]$ python3 test_yield.py
2. 0       0       0
3. 1       1       1
4. 4       4       4
5. 9       9       9
6. 16      16      16
7. 25      25      25
8. 36      36      36
9. 49      49      49
10. 64      64      64
11. 81      81      81

复制代码

2.进阶测试

在前面的章节中我们提到，使用yield可以节省程序的内存占用，这里我们来测试一个100000大小的随机数组的平方和计算。如果使用正常的逻辑，那么写出来的程序就是如下所示

1. import tracemalloc
2. import time
3. import numpy as np
4. tracemalloc.start()
6. start_time = time.time()
7. ss_list = np.random.randn(100000)
8. s = 0
9. for ss in ss_list:
10.     s += ss ** 2
11. end_time = time.time()
12. print ('Time cost is: {}s'.format(end_time - start_time))
14. snapshot = tracemalloc.take_snapshot()
15. top_stats = snapshot.statistics('lineno')
17. for stat in top_stats[:5]:
18.     print (stat)

复制代码

这个程序一方面通过time来测试执行的时间，另一方面利用tracemalloc追踪程序的内存变化。这里是先用np.random.randn()直接产生了100000个随机数的数组用于计算，那么自然在计算的过程中需要存储这些生成的随机数，就会占用这么多的内存空间。如果使用yield的方法，每次只产生一个用于计算的随机数，并且按照上一个章节中的用法，这个迭代生成的随机数也是可以转化为一个完整的list的：

1. import tracemalloc
2. import time
3. import numpy as np
4. tracemalloc.start()
6. start_time = time.time()
7. def ss_list(length):
8.     for i in range(length):
9.         yield np.random.random()
11. s = 0
12. ss = ss_list(100000)
13. for i in range(100000):
14.     s += next(ss) ** 2
15. end_time = time.time()
16. print ('Time cost is: {}s'.format(end_time - start_time))
18. snapshot = tracemalloc.take_snapshot()
19. top_stats = snapshot.statistics('lineno')
21. for stat in top_stats[:5]:
22.     print (stat)

复制代码

这两个示例的执行结果如下，可以放在一起进行对比：

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

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经过比较我们发现，两种方法的计算时间是几乎差不多的，但是在内存占用上yield有着明显的优势。当然，也许这个例子并不是非常的恰当，但是本文主要还是介绍yield的使用方法及其应用场景。
3.无限长迭代器

在参考链接1中提到了一种用法是无限长的迭代器，比如按顺序返回所有的素数，那么此时我们如果用return来返回所有的元素并存储到一个列表里面，就是一个非常不经济的办法，所以可以使用yield来迭代生成，参考链接1中的源代码如下所示：

1. '''
2. 学习中遇到问题没人解答？小编创建了一个Python学习交流群：711312441
3. 寻找有志同道合的小伙伴，互帮互助,群里还有不错的视频学习教程和PDF电子书！
4. '''
5. def get_primes(number):
6.     while True:
7.         if is_prime(number):
8.             yield number
10.         number += 1

复制代码

那么类似的，这里我们用while True可以展示一个简单的案例——返回所有的偶数：

1. def yield_range2(i):
2.     while True:
3.         yield i
4.         i += 2
6. iter = yield_range2(0)
7. for i in range(10):
8.     print (next(iter))

复制代码

因为这里我们限制了长度是10,所以最终会返回10个偶数：

1. [dechin@dechin-manjaro yield]$ python3 yield_iter.py
2. 0
3. 2
4. 4
5. 6
6. 8
7. 10
8. 12
9. 14
10. 16
11. 18

复制代码

4.总结

本文介绍了python的迭代器yield，其实关于yield，我们可以简单的将其理解为单个元素的return。这样不仅就初步理解了yield的使用语法，也能够大概了解到yield的优势，也就是在计算过程中每次只占用一个元素的内存，而不需要一直存储大量的元素在内存中。

来源:https://www.cnblogs.com/python1111/p/17517043.html
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