Python3学习笔记06-循环设计、循环对象、函数对象、错误处理、动态类型

摘要: 本节我们学习Python的循环设计、循环对象、函数对象、错误处理、动态类型

##一、循环设计

在上一节，我们已经讨论了Python基本的循环语法。这一节，我们将接触更加灵活的循环方式。

###1、range()
在Python中，for循环后的in跟随一个序列的话，循环每次使用的序列元素，而不是序列的下标。

之前我们已经使用过** range() **来控制for循环。现在，我们继续开发range的功能，以实现下标对循环的控制：

S = 'abcdefghijk'
for i in range(0,len(S),2):
print S[i]

在该例子中，我们利用 len() 函数和 range() 函数，用 i 作为 S 序列的下标来控制循环。在range函数中，分别定义上限，下限和每次循环的步长。这就和C语言中的for循环相类似了。

###2、enumerate()
利用enumerate()[b]函数，可以在每次循环中同时得到下标和元素[/b]：

S = 'abcdefghijk'
for (index,char) in enumerate(S):
print index
print char
...
0
a
1
b
2
c
3
d
...

实际上，enumerate()在每次循环中，返回的是一个包含两个元素的定值表(tuple)，两个元素分别赋予index和char。

###3、zip()
如果你多个等长的序列，然后想要每次循环时从各个序列分别取出一个元素，可以利用**zip()**方便地实现：

ta = [1,2,3]
tb = [9,8,7]
tc = ['a','b','c']
for (a,b,c) in zip(ta,tb,tc):
print(a,b,c)

...
(1, 9, 'a')
(2, 8, 'b')
(3, 7, 'c')

每次循环时，从各个序列分别从左到右取出一个元素，合并成一个tuple，然后tuple的元素赋予给a,b,c 。

zip()[b]函数的功能，就是从多个列表中，依次各取出一个元素[/b]。每次取出的(来自不同列表的)元素合成一个元组，合并成的元组放入zip()返回的列表中。zip()函数起到了聚合列表的功能。

我们可以分解聚合后的列表，如下:

ta = [1,2,3]
tb = [9,8,7]

# cluster
zipped = zip(ta,tb)
print(zipped)

# decompose
na, nb = zip(*zipped)
print(na, nb)

##二、循环对象
这一讲的主要目的是为了大家在读Python程序的时候对循环对象有一个基本概念。

循环对象的并不是随着Python的诞生就存在的，但它的发展迅速，特别是Python 3x的时代，循环对象正在成为循环的标准形式。

###1、什么是循环对象
循环对象是这样一个对象，它包含有一个**next()**方法 ( [b]next()[/b] 方法，在python 3x中 )， 这个方法的目的是进行到下一个结果，而在结束一系列结果之后，举出StopIteration错误。

当一个循环结构（比如for）调用循环对象时，它就会每次循环的时候调用next()方法，直到StopIteration出现，for循环接收到，就知道循环已经结束，停止调用next()。

假设我们有一个test.txt的文件:

1234
abcd
efg

我们运行一下python命令行：

>>>f = open('test.txt')

>>>f.next()

>>>f.next()

...

不断输入f.next()，直到最后出现StopIteration 。

open()返回的实际上是一个循环对象，包含有next()方法。而该next()方法每次返回的就是新的一行的内容，到达文件结尾时举出StopIteration。这样，我们相当于手工进行了循环。

自动进行的话，就是：

for line in open('test.txt'):
print line

在这里，for结构自动调用next()方法，将该方法的返回值赋予给line。循环知道出现StopIteration的时候结束。

相对于序列，用循环对象的好处在于：不用在循环还没有开始的时候，就生成好要使用的元素。所使用的元素可以在循环过程中逐次生成。这样，节省了空间，提高了效率，编程更灵活。

###2、迭代器
从技术上来说，循环对象和for循环调用之间还有一个中间层，就是要将循环对象转换成迭代器(iterator)。这一转换是通过使用iter()函数实现的。但从逻辑层面上，常常可以忽略这一层，所以循环对象和迭代器常常相互指代对方。

###3、生成器
生成器(generator)[b]的主要目的是构成一个用户自定义的循环对象[/b]。

生成器的编写方法和函数定义类似，只是在return的地方改为yield。生成器中可以有多个yield。当生成器遇到一个yield时，会暂停运行生成器，返回yield后面的值。当再次调用生成器的时候，会从刚才暂停的地方继续运行，直到下一个yield。生成器自身又构成一个循环器，每次循环使用一个yield返回的值。

下面是一个生成器:

def gen():
a = 100
yield a
a = a*8
yield a
yield 1000

循环中使用生成器：

for i in gen():
print i

该生成器共有三个yield， 如果用作循环器时，会进行三次循环。

再考虑如下一个生成器:

def gen():
for i in range(4):
yield i

它又可以写成生成器表达式(Generator Expression)：

G = (x for x in range(4))

生成器表达式是生成器的一种简便的编写方式。读者可进一步查阅。

###4、表推导
**表推导(list comprehension)**是快速生成表的方法。它的语法简单，很有实用价值。

假设我们生成表 L ：

L = []
for x in range(10):
L.append(x**2)

以上产生了表L，但实际上有快捷的写法，也就是表推导的方式:

L = [x**2 for x in range(10)]
这与生成器表达式类似，只不过用的是中括号。

（表推导的机制实际上是利用循环对象，有兴趣可以查阅。）

##三、函数对象
秉承着一切皆对象的理念，我们再次回头来看函数(function)。函数也是一个对象，具有属性（可以使用dir()查询）。作为对象，它还可以赋值给其它对象名，或者作为参数传递。

###1、lambda函数
在展开之前，我们先提一下lambda函数。可以利用lambda函数的语法，定义函数。lambda例子如下：

func = lambda x,y: x + y
print func(3,4)
7

lambda生成一个函数对象。该函数参数为x,y，返回值为x+y。函数对象赋给func。func的调用与正常函数无异。

以上定义可以写成以下形式：

def func(x, y):
return x + y

###2、函数作为参数传递
函数可以作为一个对象，进行参数传递。函数名(比如func)即该对象。比如说:

def test(f, a, b):
print 'test'
print f(a, b)

test(func, 3, 5)

test函数的第一个参数f就是一个函数对象。将func传递给f，test中的f()就拥有了func()的功能。

我们因此可以提高程序的灵活性。可以使用上面的test函数，带入不同的函数参数。比如:

test((lambda x,y: x**2 + y), 6, 9)

###3、map()函数
map()[b]是Python的内置函数。它的第一个参数[/b]是一个函数对象。

re = map((lambda x: x+3),[1,3,5,6])

这里，map()有两个参数，一个是lambda所定义的函数对象，一个是包含有多个元素的表。map()[b]的功能是将函数对象依次作用于表的每一个元素，每次作用的结果储存于返回的表re中[/b]。map通过读入的函数(这里是lambda函数)来操作数据（这里“数据”是表中的每一个元素，“操作”是对每个数据加3）。

在Python 3.X中，map()的返回值是一个循环对象。可以利用list()函数，将该循环对象转换成表。
如果作为参数的函数对象有多个参数，可使用下面的方式，向map()传递函数参数的多个参数：

re = map((lambda x,y: x+y),[1,2,3],[6,7,9])

map()将每次从两个表中分别取出一个元素，带入lambda所定义的函数。
###4、filter()函数
filter函数的第一个参数也是一个函数对象。它也是将作为参数的函数对象作用于多个元素。如果函数对象返回的是True，则该次的元素被储存于返回的表中。 filter通过读入的函数来筛选数据。同样，在Python 3.X中，filter返回的不是表，而是循环对象。

filter函数的使用如下例:

def func(a):
if a > 100:
return True
else:
return False

print filter(func,[10,56,101,500])

###5、reduce()函数
reduce函数的第一个参数也是函数，但有一个要求，就是这个函数自身能接收两个参数。reduce可以累进地将函数作用于各个参数。如下例：

print reduce((lambda x,y: x+y),[1,2,5,7,9])

reduce的第一个参数是lambda函数，它接收两个参数x,y, 返回x+y。

reduce将表中的前两个元素(1和2)传递给lambda函数，得到3。该返回值(3)将作为lambda函数的第一个参数，而表中的下一个元素(5)作为lambda函数的第二个参数，进行下一次的对lambda函数的调用，得到8。依次调用lambda函数，每次lambda函数的第一个参数是上一次运算结果，而第二个参数为表中的下一个元素，直到表中没有剩余元素。

上面例子，相当于(((1+2)+5)+7)+9

提醒： reduce()函数在3.0里面不能直接用的，它被定义在了functools包里面，需要引入包。

##四、错误处理
###1、异常处理
在项目开发中，异常处理是不可或缺的。异常处理帮助人们debug，通过更加丰富的信息，让人们更容易找到bug的所在。异常处理还可以提高程序的容错性。

我们之前在讲循环对象的时候，曾提到一个StopIteration的异常，该异常是在循环对象穷尽所有元素时的报错。

我们以它为例，来说明基本的异常处理。

一个包含异常的程序:

re = iter(range(5))

for i in range(100):
print re.next()

print 'HaHaHaHa'

首先，我们定义了一个循环对象re，该循环对象将进行5次循环，每次使用序列的一个元素。



输出结果可以看出：iter()输出的为地址。

在随后的for循环中，我们手工调用next()函数。当循环进行到第6次的时候，re.next()不会再返回元素，而是抛出(raise)StopIteration的异常。整个程序将会中断。

我们可以修改以上异常程序，直到完美的没有bug。但另一方面，如果我们在写程序的时候，知道这里可能犯错以及可能的犯错类型，我们可以针对该异常类型定义好”应急预案“。

re = iter(range(5))

try:
for i in range(100):
print re.next()
except StopIteration:
print 'here is end ',i

print 'HaHaHaHa'

在try程序段中，我们放入容易犯错的部分。我们可以跟上except，来说明如果在try部分的语句发生StopIteration时，程序该做的事情。如果没有发生异常，则except部分被跳过。

随后，程序将继续运行，而不是彻底中断。

完整的语法结构如下：

try:
...
except exception1:
...
except exception2:
...
except:
...
else:
...
finally:
...

如果try中有异常发生时，将执行异常的归属，执行except。异常层层比较，看是否是exception1, exception2...，直到找到其归属，执行相应的except中的语句。如果except后面没有任何参数，那么表示所有的exception都交给这段程序处理。比如:

try:
print(a*2)
except TypeError:
print("TypeError")
except:
print("Not Type Error & Error noted")

由于a没有定义，所以是NameError。异常最终被except:部分的程序捕捉。

如果无法将异常交给合适的对象，异常将继续向上层抛出，直到被捕捉或者造成主程序报错。比如下面的程序：

def test_func():
try:
m = 1/0
except NameError:
print("Catch NameError in the sub-function")

try:
test_func()
except ZeroDivisionError:
print("Catch error in the main program")

子程序的try...except...结构无法处理相应的除以0的错误，所以错误被抛给上层的主程序。

如果try中没有异常，那么except部分将跳过，执行else中的语句。

finally是无论是否有异常，最后都要做的一些事情。

流程如下:

try->异常->except->finally

try->无异常->else->finally

###2、抛出异常
我们也可以自己写一个抛出异常的例子:

print 'Lalala'
raise StopIteration
print 'Hahaha'

这个例子不具备任何实际意义。只是为了说明raise语句的作用。

StopIteration是一个类。抛出异常时，会自动有一个中间环节，就是生成StopIteration的一个对象。Python实际上抛出的，是这个对象。当然，也可以自行生成对象:

raise StopIteration()

##五、动态类型
动态类型(dynamic typing)[b]是Python另一个重要的核心概念[/b]。我们之前说过，Python的变量(variable)不需要声明，而在赋值时，变量可以重新赋值为任意值。这些都与动态类型的概念相关。

###1、动态类型
在我们接触的对象中，有一类特殊的对象，是用于存储数据的。常见的该类对象包括各种数字，字符串，表，词典。在C语言中，我们称这样一些数据结构为变量。而在Python中，这些是对象。

对象是储存在内存中的实体。但我们并不能直接接触到该对象。我们在程序中写的对象名，只是指向这一对象的引用(reference)。

引用和对象分离，是动态类型的核心。引用可以随时指向一个新的对象：

a = 3
a = 'at'

第一个语句中，3是储存在内存中的一个整数对象。通过赋值，引用a指向对象3。

第二个语句中，内存中建立对象‘at’，是一个字符串(string)。引用a指向了'at'。此时，对象3不再有引用指向它。Python会自动将没有引用指向的对象销毁(destruct)，释放相应内存。

(对于小的整数和短字符串，Python会缓存这些对象，而不是频繁的建立和销毁。)

a = 5
b = a
a = a + 2

再看这个例子。通过前两个句子，我们让a,b指向同一个整数对象5( b = a的含义是让引用b指向引用a所指的那一个对象)。但第三个句子实际上对引用a重新赋值，让a指向一个新的对象7。此时a,b分别指向不同的对象。我们看到，即使是多个引用指向同一个对象，如果一个引用值发生变化，那么实际上是让这个引用指向一个新的引用，并不影响其他的引用的指向。从效果上看，就是各个引用各自独立，互不影响。

其它数据对象也是如此:

L1 = [1,2,3]
L2 = L1
L1 = 1
但注意以下情况:

L1 = [1,2,3]
L2 = L1
L1[0] = 10
print L2
在该情况下，我们不再对L1这一引用赋值，而是对L1所指向的表的元素赋值。结果是，L2也同时发生变化。

原因何在呢？因为L1，L2的指向没有发生变化，依然指向那个表。表实际上是包含了多个引用的对象（每个引用是一个元素，比如L1[0]，L1[1]..., 每个引用指向一个对象，比如1,2,3), 。而L1[0] = 10这一赋值操作，并不是改变L1的指向，而是对L1[0], 也就是表对象的一部份(一个元素)，进行操作，所以所有指向该对象的引用都受到影响。

（与之形成对比的是，我们之前的赋值操作都没有对对象自身发生作用，只是改变引用指向。）
列表可以通过引用其元素，改变对象自身(in-place change)。这种对象类型，称为可变数据对象(mutable object)，词典也是这样的数据类型。

而像之前的数字和字符串，不能改变对象本身，只能改变引用的指向，称为不可变数据对象(immutable object)。

我们之前学的元组(tuple)，尽管可以调用引用元素，但不可以赋值，因此不能改变对象自身，所以也算是immutable object。

###2、从动态类型看函数的参数传递
函数的参数传递，本质上传递的是引用。比如说：

def f(x):
x = 100
print x

a = 1
f(a)
print a

参数x是一个新的引用，指向a所指的对象。如果参数是不可变(immutable)的对象，a和x引用之间相互独立。对参数x的操作不会影响引用a。这样的传递类似于C语言中的值传递。

如果传递的是可变(mutable)的对象，那么改变函数参数，有可能改变原对象。所有指向原对象的引用都会受影响，编程的时候要对此问题留心。比如说：

def f(x):
x[0] = 100
print x

a = [1,2,3]
f(a)
print a

动态类型是Python的核心机制之一。可以在应用中慢慢熟悉。

动态类型注意两点即可：

不可变对象 数字,字符串,元组为值传递

可变对象：字典，表，为引用传递，即为C中的指针变量。

注：本Python学习笔记是按照Vamei的博客教程来学习的，如有兴趣可以参考Vamei Python快速开发博文