Python 工匠:编写地道循环的两个建议

FightingCoder

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2019-07-30 08:15

今天依然推荐 Python 工匠系列文章,介绍编写循环时需要注意的一些地方。

转载来源

公众号:piglei

阅读本文大概需要 9 分钟。


前言

循环是一种常用的程序控制结构。我们常说,机器相比人类的最大优点之一,就是机器可以不眠不休的重复做某件事情,但人却不行。而“循环”,则是实现让机器不断重复工作的关键概念。

在循环语法方面,Python 表现的即传统又不传统。它虽然抛弃了常见的 for(init;condition;incrment) 三段式结构,但还是选择了 forwhile 这两个经典的关键字来表达循环。绝大多数情况下,我们的循环需求都可以用 forin 来满足, while 相比之下用的则更少些。

虽然循环的语法很简单,但是要写好它确并不容易。在这篇文章里,我们将探讨什么是“地道”的循环代码,以及如何编写它们。

什么是“地道”的循环?

“地道”这个词,通常被用来形容某人做某件事情时,非常符合当地传统,做的非常好。打个比方,你去参加一个朋友聚会,同桌的有一位广东人,对方一开口,句句都是标准京腔、完美儿化音。那你可以对她说:“您的北京话说的真地道”。

既然“地道”这个词形容的经常是口音、做菜的口味这类实实在在的东西,那“地道”的循环代码又是什么意思呢?让我拿一个经典的例子来解释一下。

如果你去问一位刚学习 Python 一个月的人:“如何在遍历一个列表的同时获取当前下标?”。他可能会交出这样的代码:

  1. index =0

  2. for name in names:

  3. print(index, name)

  4. index +=1

上面的循环虽然没错,但它确一点都不“地道”。一个拥有三年 Python 开发经验的人会说,代码应该这么写:

  1. for i, name in enumerate(names):

  2. print(i, name)

enumerate() 是 Python 的一个内置函数,它接收一个“可迭代”对象作为参数,然后返回一个不断生成 (当前下标,当前元素) 的新可迭代对象。这个场景使用它最适合不过。

所以,在上面的例子里,我们会认为第二段循环代码比第一段更“地道”。因为它用更直观的代码,更聪明的完成了工作。

enumerate() 所代表的编程思路

不过,判断某段循环代码是否地道,并不仅仅是以知道或不知道某个内置方法作为标准。我们可以从上面的例子挖掘出更深层的东西。

如你所见,Python 的 for 循环只有 forin 这一种结构,而结构里的前半部分 - 赋值给 item- 没有太多花样可玩。所以后半部分的 可迭代对象 是我们唯一能够大做文章的东西。而以 enumerate() 函数为代表的“修饰函数”,刚好提供了一种思路:通过修饰可迭代对象来优化循环本身。

这就引出了我的第一个建议。

建议1:使用函数修饰被迭代对象来优化循环

使用修饰函数处理可迭代对象,可以在各种方面影响循环代码。而要找到合适的例子来演示这个方法,并不用去太远,内置模块 itertools 就是一个绝佳的例子。

简单来说,itertools 是一个包含很多面向可迭代对象的工具函数集。我在之前的系列文章《容器的门道》里提到过它。

如果要学习 itertools,那么 Python 官方文档 是你的首选,里面有非常详细的模块相关资料。但在这篇文章里,侧重点将和官方文档稍有不同。我会通过一些常见的代码场景,来详细解释它是如何改善循环代码的。

1. 使用 product 扁平化多层嵌套循环

虽然我们都知道“扁平的代码比嵌套的好”。但有时针对某类需求,似乎一定得写多层嵌套循环才行。比如下面这段:

  1. def find_twelve(num_list1, num_list2, num_list3):

  2. """从 3 个数字列表中,寻找是否存在和为 12 的 3 个数

  3. """

  4. for num1 in num_list1:

  5. for num2 in num_list2:

  6. for num3 in num_list3:

  7. if num1 + num2 + num3 ==12:

  8. return num1, num2, num3

对于这种需要嵌套遍历多个对象的多层循环代码,我们可以使用 product() 函数来优化它。product() 可以接收多个可迭代对象,然后根据它们的笛卡尔积不断生成结果。

  1. from itertools import product



  2. def find_twelve_v2(num_list1, num_list2, num_list3):

  3. for num1, num2, num3 in product(num_list1, num_list2, num_list3):

  4. if num1 + num2 + num3 ==12:

  5. return num1, num2, num3

相比之前的代码,使用 product() 的函数只用了一层 for 循环就完成了任务,代码变得更精炼了。

2. 使用 islice 实现循环内隔行处理

有一份包含 Reddit 帖子标题的外部数据文件,里面的内容格式是这样的:

  1. python-guide:Python best practices guidebook, written for humans.

  2. ---

  3. Python2DeathClock

  4. ---

  5. Run any PythonScriptwith an AlexaVoiceCommand

  6. ---

  7. <......>

可能是为了美观,在这份文件里的每两个标题之间,都有一个 "---" 分隔符。现在,我们需要获取文件里所有的标题列表,所以在遍历文件内容的过程中,必须跳过这些无意义的分隔符。

参考之前对 enumerate() 函数的了解,我们可以通过在循环内加一段基于当前循环序号的 if 判断来做到这一点:

  1. def parse_titles(filename):

  2. """从隔行数据文件中读取 reddit 主题名称

  3. """

  4. with open(filename,'r')as fp:

  5. for i, line in enumerate(fp):

  6. # 跳过无意义的 '---' 分隔符

  7. if i %2==0:

  8. yield line.strip()

但对于这类在循环内进行隔行处理的需求来说,如果使用 itertools 里的 islice() 函数修饰被循环对象,可以让循环体代码变得更简单直接。

islice(seq,start,end,step) 函数和数组切片操作( list[start:stop:step] )有着几乎一模一样的参数。如果需要在循环内部进行隔行处理的话,只要设置第三个递进步长参数 step 值为 2 即可(默认为 1)

  1. from itertools import islice


  2. def parse_titles_v2(filename):

  3. with open(filename,'r')as fp:

  4. # 设置 step=2,跳过无意义的 '---' 分隔符

  5. for line in islice(fp,0,None,2):

  6. yield line.strip()

3. 使用 takewhile 替代 break 语句

有时,我们需要在每次循环开始时,判断循环是否需要提前结束。比如下面这样:

  1. for user in users:

  2. # 当第一个不合格的用户出现后,不再进行后面的处理

  3. ifnot is_qualified(user):

  4. break


  5. # 进行处理 ... ...

对于这类需要提前中断的循环,我们可以使用 takewhile() 函数来简化它。takewhile(predicate,iterable)会在迭代 iterable 的过程中不断使用当前对象作为参数调用 predicate 函数并测试返回结果,如果函数返回值为真,则生成当前对象,循环继续。否则立即中断当前循环。

使用 takewhile 的代码样例:

  1. from itertools import takewhile


  2. for user in takewhile(is_qualified, users):

  3. # 进行处理 ... ...

itertools 里面还有一些其他有意思的工具函数,他们都可以用来和循环搭配使用,比如使用 chain 函数扁平化双层嵌套循环、使用 zip_longest 函数一次同时循环多个对象等等。

篇幅有限,我在这里不再一一介绍。如果有兴趣,可以自行去官方文档详细了解。

4. 使用生成器编写自己的修饰函数

除了 itertools 提供的那些函数外,我们还可以非常方便的使用生成器来定义自己的循环修饰函数。

让我们拿一个简单的函数举例:

  1. def sum_even_only(numbers):

  2. """对 numbers 里面所有的偶数求和"""

  3. result =0

  4. for num in numbers:

  5. if num %2==0:

  6. result += num

  7. return result

在上面的函数里,循环体内为了过滤掉所有奇数,引入了一条额外的 if 判断语句。如果要简化循环体内容,我们可以定义一个生成器函数来专门进行偶数过滤:

  1. def even_only(numbers):

  2. for num in numbers:

  3. if num %2==0:

  4. yield num



  5. def sum_even_only_v2(numbers):

  6. """对 numbers 里面所有的偶数求和"""

  7. result =0

  8. for num in even_only(numbers):

  9. result += num

  10. return result

numbers 变量使用 even_only 函数装饰后, sum_even_only_v2 函数内部便不用继续关注“偶数过滤”逻辑了,只需要简单完成求和即可。

Hint:当然,上面的这个函数其实并不实用。在现实世界里,这种简单需求最适合直接用生成器/列表表达式搞定:sum(numfornuminnumbersifnum%2==0)

建议2:按职责拆解循环体内复杂代码块

我一直觉得循环是一个比较神奇的东西,每当你写下一个新的循环代码块,就好像开辟了一片黑魔法阵,阵内的所有内容都会开始无休止的重复执行。

但我同时发现,这片黑魔法阵除了能带来好处,它还会引诱你不断往阵内塞入越来越多的代码,包括过滤掉无效元素、预处理数据、打印日志等等。甚至一些原本不属于同一抽象的内容,也会被塞入到同一片黑魔法阵内。

你可能会觉得这一切理所当然,我们就是迫切需要阵内的魔法效果。如果不把这一大堆逻辑塞满到循环体内,还能把它们放哪去呢?

让我们来看看下面这个业务场景。在网站中,有一个每 30 天执行一次的周期脚本,它的任务是是查询过去 30 天内,在每周末特定时间段登录过的用户,然后为其发送奖励积分。

代码如下:

  1. import time

  2. import datetime



  3. def award_active_users_in_last_30days():

  4. """获取所有在过去 30 天周末晚上 8 点到 10 点登录过的用户,为其发送奖励积分

  5. """

  6. days =30

  7. for days_delta in range(days):

  8. dt = datetime.date.today()- datetime.timedelta(days=days_delta)

  9. # 5: Saturday, 6: Sunday

  10. if dt.weekday()notin(5,6):

  11. continue


  12. time_start = datetime.datetime(dt.year, dt.month, dt.day,20,0)

  13. time_end = datetime.datetime(dt.year, dt.month, dt.day,23,0)


  14. # 转换为 unix 时间戳,之后的 ORM 查询需要

  15. ts_start = time.mktime(time_start.timetuple())

  16. ts_end = time.mktime(time_end.timetuple())


  17. # 查询用户并挨个发送 1000 奖励积分

  18. for record inLoginRecord.filter_by_range(ts_start, ts_end):

  19. # 这里可以添加复杂逻辑

  20. send_awarding_points(record.user_id,1000)

上面这个函数主要由两层循环构成。外层循环的职责,主要是获取过去 30 天内符合要求的时间,并将其转换为 UNIX 时间戳。之后由内层循环使用这两个时间戳进行积分发送。

如之前所说,外层循环所开辟的黑魔法阵内被塞的满满当当。但通过观察后,我们可以发现 整个循环体其实是由两个完全无关的任务构成的:“挑选日期与准备时间戳” 以及 “发送奖励积分”

复杂循环体如何应对新需求

这样的代码有什么坏处呢?让我来告诉你。

某日,产品找过来说,有一些用户周末半夜不睡觉,还在刷我们的网站,我们得给他们发通知让他们以后早点睡觉。于是新需求出现了:“给过去 30 天内在周末凌晨 3 点到 5 点登录过的用户发送一条通知”

新问题也随之而来。敏锐如你,肯定一眼可以发现,这个新需求在用户筛选部分的要求,和之前的需求非常非常相似。但是,如果你再打开之前那团循环体看看,你会发现代码根本没法复用,因为在循环内部,不同的逻辑完全被 耦合 在一起了。☹️

在计算机的世界里,我们经常用“耦合”这个词来表示事物之间的关联关系。上面的例子中,“挑选时间”“发送积分”这两件事情身处同一个循环体内,建立了非常强的耦合关系。

为了更好的进行代码复用,我们需要把函数里的“挑选时间”部分从循环体中解耦出来。而我们的老朋友,“生成器函数”是进行这项工作的不二之选。

使用生成器函数解耦循环体

要把 “挑选时间” 部分从循环内解耦出来,我们需要定义新的生成器函数 gen_weekend_ts_ranges(),专门用来生成需要的 UNIX 时间戳:

  1. def gen_weekend_ts_ranges(days_ago, hour_start, hour_end):

  2. """生成过去一段时间内周六日特定时间段范围,并以 UNIX 时间戳返回

  3. """

  4. for days_delta in range(days_ago):

  5. dt = datetime.date.today()+ datetime.timedelta(days=days_delta)

  6. # 5: Saturday, 6: Sunday

  7. if dt.weekday()notin(5,6):

  8. continue


  9. time_start = datetime.datetime(dt.year, dt.month, dt.day, hour_start,0)

  10. time_end = datetime.datetime(dt.year, dt.month, dt.day, hour_end,0)


  11. # 转换为 unix 时间戳,之后的 ORM 查询需要

  12. ts_start = time.mktime(time_start.timetuple())

  13. ts_end = time.mktime(time_end.timetuple())

  14. yield ts_start, ts_end

有了这个生成器函数后,旧需求“发送奖励积分”和新需求“发送通知”,就都可以在循环体内复用它来完成任务了:

  1. def award_active_users_in_last_30days_v2():

  2. """发送奖励积分"""

  3. for ts_start, ts_end in gen_weekend_ts_ranges(30, hour_start=20, hour_end=23):

  4. for record inLoginRecord.filter_by_range(ts_start, ts_end):

  5. send_awarding_points(record.user_id,1000)



  6. def notify_nonsleep_users_in_last_30days():

  7. """发送通知"""

  8. for ts_start, ts_end in gen_weekend_ts_range(30, hour_start=3, hour_end=6):

  9. for record inLoginRecord.filter_by_range(ts_start, ts_end):

  10. notify_user(record.user_id,'You should sleep more')

总结

在这篇文章里,我们首先简单解释了“地道”循环代码的定义。然后提出了第一个建议:使用修饰函数来改善循环。之后我虚拟了一个业务场景,描述了按职责拆解循环内代码的重要性。

一些要点总结:

  • 使用函数修饰被循环对象本身,可以改善循环体内的代码

  • itertools 里面有很多工具函数都可以用来改善循环

  • 使用生成器函数可以轻松定义自己的修饰函数

  • 循环内部,是一个极易发生“代码膨胀”的场地

  • 请使用生成器函数将循环内不同职责的代码块解耦出来,获得更好的灵活性

看完文章的你,有没有什么想吐槽的?请留言或者在 项目 Github Issues 告诉我吧。

附录

  • 题图来源: Photo by Lai man nung on Unsplash

  • 更多系列文章地址:https://github.com/piglei/one-python-craftsman

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