python3使用迭代生成器yield减少内存占用

Posted 2021-06-02 不想秃头的晨晨

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0²,1²,2²…。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：

# test_yield.py

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：

[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：

# test_yield.py

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])

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：

[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

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：

# square_sum.py

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)

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：

# yield_square_sum.py

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)

这两个示例的执行结果如下，可以放在一起进行对比：

[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

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。

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：

def get_primes(number):
    while True:
        if is_prime(number):
            yield number
        number += 1

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：

# yield_iter.py

def yield_range2(i):
    while True:
        yield i
        i += 2

iter = yield_range2(0)
for i in range(10):
    print (next(iter))

因为这里我们限制了长度是10,所以最终会返回10个偶数：

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

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。