為什麼range不是迭代器？range到底是什麼型別？

豌豆花下貓發表於2019-02-27

迭代器是 23 種設計模式中最常用的一種（之一），在 Python 中隨處可見它的身影，我們經常用到它，但是卻不一定意識到它的存在。在關於迭代器的系列文章中（連結見文末），我至少提到了 23 種生成迭代器的方法。有些方法是專門用於生成迭代器的，還有一些方法則是為了解決別的問題而“暗中”使用到迭代器。

在系統學習迭代器之前，我一直以為 range() 方法也是用於生成迭代器的，現在卻突然發現，它生成的只是可迭代物件，而並不是迭代器！（PS：Python2 中 range() 生成的是列表，本文基於Python3，生成的是可迭代物件）

於是，我有了這樣的疑問：為什麼 range() 不生成迭代器呢？在查詢答案的過程中，我發現自己對 range 型別的認識存在一些誤區。因此，本文將和大家全面地認識一下 range ，期待與你共同學習進步。

1、range() 是什麼？

它的語法：range(start, stop [,step]) ；start 指的是計數起始值，預設是 0；stop 指的是計數結束值，但不包括 stop ；step 是步長，預設為 1，不可以為 0 。range() 方法生成一段左閉右開的整數範圍。

>>> a = range(5)  # 即 range(0,5)
>>> a
range(0, 5)
>>> len(a)
5
>>> for x in a:
>>>     print(x,end=" ")
0 1 2 3 4
複製程式碼

對於 range() 函式，有幾個注意點：（1）它表示的是左閉右開區間；（2）它接收的引數必須是整數，可以是負數，但不能是浮點數等其它型別；（3）它是不可變的序列型別，可以進行判斷元素、查詢元素、切片等操作，但不能修改元素；（4）它是可迭代物件，卻不是迭代器。

# （1）左閉右開
>>> for i in range(3, 6):
>>>     print(i,end=" ")
3 4 5

# （2）引數型別
>>> for i in range(-8, -2, 2):
>>>     print(i,end=" ")
-8 -6 -4
>>> range(2.2)
----------------------------
TypeError    Traceback (most recent call last)
...
TypeError: `float` object cannot be interpreted as an integer

# （3）序列操作
>>> b = range(1,10)
>>> b[0]
1
>>> b[:-3]
range(1, 7)
>>> b[0] = 2
TypeError  Traceback (most recent call last)
...
TypeError: `range` object does not support item assignment

# （4）不是迭代器
>>> hasattr(range(3),`__iter__`)
True
>>> hasattr(range(3),`__next__`)
False
>>> hasattr(iter(range(3)),`__next__`)
True
複製程式碼

2、為什麼range()不生產迭代器？

可以獲得迭代器的內建方法很多，例如 zip() 、enumerate()、map()、filter() 和 reversed() 等等，但是像 range() 這樣僅僅得到的是可迭代物件的方法就絕無僅有了（若有反例，歡迎告知）。這就是我存在知識誤區的地方。

在 for-迴圈遍歷時，可迭代物件與迭代器的效能是一樣的，即它們都是惰性求值的，在空間複雜度與時間複雜度上並無差異。我曾概括過兩者的差別是“一同兩不同”：相同的是都可惰性迭代，不同的是可迭代物件不支援自遍歷（即next()方法），而迭代器本身不支援切片（即__getitem__() 方法）。

雖然有這些差別，但很難得出結論說它們哪個更優。現在微妙之處就在於，為什麼給 5 種內建方法都設計了迭代器，偏偏給 range() 方法設計的就是可迭代物件呢？把它們都統一起來，不是更好麼？

事實上，Pyhton 為了規範性就幹過不少這種事，例如，Python2 中有 range() 和 xrange() 兩種方法，而 Python3 就幹掉了其中一種，還用了“李代桃僵”法。為什麼不更規範點，令 range() 生成的是迭代器呢？

關於這個問題，我沒找到官方解釋，以下純屬個人觀點 。

zip() 等方法都需要接收確定的可迭代物件的引數，是對它們的一種再加工的過程，因此也希望馬上產出確定的結果來，所以 Python 開發者就設計了這個結果是迭代器。這樣還有一個好處，即當作為引數的可迭代物件發生變化的時候，作為結果的迭代器因為是消耗型的，不會被錯誤地使用。

而 range() 方法就不同了，它接收的引數不是可迭代物件，本身是一種初次加工的過程，所以設計它為可迭代物件，既可以直接使用，也可以用於其它再加工用途。例如，zip() 等方法就完全可以接收 range 型別的引數。

>>> for i in zip(range(1,6,2), range(2,7,2)):
>>>    print(i, end="")
(1, 2)(3, 4)(5, 6)
複製程式碼

也就是說，range() 方法作為一種初級生產者，它生產的原料本身就有很大用途，早早把它變為迭代器的話，無疑是一種畫蛇添足的行為。

對於這種解讀，你是否覺得有道理呢？歡迎就這個話題與我探討。

3、range 型別是什麼？

以上是我對“為什麼range()不產生迭代器”的一種解答。順著這個思路，我研究了一下它產生的 range 物件，一研究就發現，這個 range 物件也並不簡單。

首先奇怪的一點就是，它竟然是不可變序列！我從未注意過這一點。雖然說，我從未想過修改 range() 的值，但這一不可修改的特性還是令我驚訝。

翻看文件，官方是這樣明確劃分的——有三種基本的序列型別：列表、元組和範圍（range）物件。（There are three basic sequence types: lists, tuples, and range objects.）

這我倒一直沒注意，原來 range 型別居然跟列表和元組是一樣地位的基礎序列！我一直記掛著字串是不可變的序列型別，不曾想，這裡還有一位不可變的序列型別呢。

那 range 序列跟其它序列型別有什麼差異呢？

普通序列都支援的操作有 12 種，在《你真的知道Python的字串是什麼嗎？》這篇文章裡提到過。range 序列只支援其中的 10 種，不支援進行加法拼接與乘法重複。

>>> range(2) + range(3)
-----------------------------------------
TypeError  Traceback (most recent call last)
...
TypeError: unsupported operand type(s) for +: `range` and `range`

>>> range(2)*2
-----------------------------------------
TypeError  Traceback (most recent call last)
...
TypeError: unsupported operand type(s) for *: `range` and `int`
複製程式碼

那麼問題來了：同樣是不可變序列，為什麼字串和元組就支援上述兩種操作，而偏偏 range 序列不支援呢？雖然不能直接修改不可變序列，但我們可以將它們拷貝到新的序列上進行操作啊，為何 range 物件連這都不支援呢？

且看官方文件的解釋：

…due to the fact that range objects can only represent sequences that follow a strict pattern and repetition and concatenation will usually violate that pattern.

原因是 range 物件僅僅表示一個遵循著嚴格模式的序列，而重複與拼接通常會破壞這種模式…

問題的關鍵就在於 range 序列的 pattern，仔細想想，其實它表示的就是一個等差數列啊（喵，高中數學知識沒忘…），拼接兩個等差數列，或者重複拼接一個等差數列，想想確實不妥，這就是為啥 range 型別不支援這兩個操作的原因了。由此推論，其它修改動作也會破壞等差數列結構，所以統統不給修改就是了。