Итерация в программировании что это
Циклы и итерации
Вы можете представить цикл в виде компьютеризированной версии игры, где вы говорите кому-то сделать X шагов в одном направлении, затем Y шагов в другом; для примера, идея игры «Иди 5 шагов на восток» может быть выражена в виде цикла:
Существует множество различных видов циклов, но все они по сути делают тоже самое: повторяют какое-либо действие несколько раз (не забывайте про нулевой раз повторения, отсчёт в массиве начинается с 0). Различные по строению циклы предлагают разные способы для определения начала и окончания цикла. Для различных задач программирования существуют свои операторы цикла, с помощью которых они решаются намного проще.
Операторы предназначенные для организации циклов в JavaScript:
Цикл for
Цикл for повторяет действия, пока не произойдёт какое-либо специальное событие завершения цикла. Оператор for в JavaScript аналогичен оператору for в Java и C. Объявление оператора for выглядит следующим образом:
При его выполнении происходит следующее:
Пример
Цикл do. while
Цикл do. while повторяется пока заданное условие истинно. Оператор do. while имеет вид:
Пример
В следующем примере, цикл do выполнится минимум 1 раз и запускается снова, пока i меньше 5.
Цикл while
Цикл while выполняет выражения пока условие истинно. Выглядит он так:
Если условие становится ложным, выражения в цикле перестают выполняться и управление переходит к выражению после цикла.
Пример 1
Следующий цикл while работает, пока n меньше трёх:
После третьего прохода, условие n становится ложным, поэтому цикл прерывается.
Пример 2
Избегайте бесконечных циклов. Убедитесь, что условие цикла в итоге станет ложным; иначе, цикл никогда не прервётся. Выражения в следующем цикле while будут выполняться вечно, т.к. условие никогда не станет ложным:
Метка (label)
Синтаксис метки следующий:
Значение метки может быть любым корректным JavaScript идентификатором, не являющимся зарезервированным словом. Оператор , указанный вами после метки может быть любым выражением.
Пример
break
Синтаксис оператора может быть таким:
Первая форма синтаксиса прерывает цикл совсем или переключает управление; вторая прерывает специально обозначенное выражение.
Пример 1
Пример 2: Прерывание метки
continue
Синтаксис continue может выглядеть так:
Пример 1
Пример 2
for. in
Оператор for. in проходит по всем перечислимым свойствам объекта. JavaScript выполнит указанные выражения для каждого отдельного свойства. Цикл for. in выглядит так:
Пример
Следующая функция берёт своим аргументом объект и его имя. Затем проходит по всем свойствам объекта и возвращает строку, которая содержит имена свойств и их значения.
Пример №2
Также, по ключу можно выводить значение:
Массивы
Пример
for. of
Введение в итераторы в С++
Обновл. 15 Сен 2021 |
На этом уроке мы рассмотрим тему использования итераторов в языке С++, а также связанные с этим нюансы.
Итерация по элементам структур данных
Итерация/перемещение по элементам массива (или какой-нибудь другой структуры) является довольно распространенным действием в программировании. Мы уже рассматривали множество различных способов выполнения данной задачи, а именно: с использованием циклов и индексов (циклы for и while), с помощью указателей и адресной арифметики, а также с помощью циклов for с явным указанием диапазона:
Использование циклов с индексами в ситуациях, когда мы используем их только для доступа к элементам, требует написания большего количества кода, нежели могло бы быть.
При этом данный способ работает только в том случае, если контейнер (например, массив), содержащий данные, дает возможность прямого доступа к своим элементам (что делают массивы, но не делают некоторые другие типы контейнеров, например, списки).
Использование циклов с указателями и адресной арифметикой требует довольно большого объёма теоретических знаний и может сбить с толку читателей, которые не знакомы с адресной арифметикой и не знают её правил. Да и сама адресная арифметика применима лишь в том случае, если элементы структуры данных расположены в памяти последовательно (что опять же верно для массивов, но не всегда выполняется для других типов данных, таких как списки, деревья, карты).
Примечание для продвинутых читателей: Указатели (без адресной арифметики) могут использоваться для перебора/итерации некоторых структур данных с непоследовательным расположением элементов. Например, в связном списке каждый элемент соединен указателем с предыдущим элементом, поэтому мы можем перебирать список, следуя по цепочке указателей.
Циклы for с явным указанием диапазона чуть более интересны, поскольку у них скрыт механизм перебора нашего контейнера, но при всем этом они всё равно могут быть применены к различным структурам данных (массивы, списки, деревья, карты и т.д.). «Как же они работают?» — спросите вы. Они используют итераторы.
Итераторы в С++
Итератор — это объект, разработанный специально для перебора элементов контейнера (например, значений массива или символов в строке), обеспечивающий во время перемещения по элементам доступ к каждому из них.
Контейнер может предоставлять различные типы итераторов. Например, контейнер на основе массива может предлагать прямой итератор, который проходится по массиву в прямом порядке, и реверсивный итератор, который проходится по массиву в обратном порядке.
После того, как итератор соответствующего типа создан, программист может использовать интерфейс, предоставляемый данным итератором, для перемещения по элементам контейнера или доступа к его элементам, не беспокоясь при этом о том, какой тип перебора элементов задействован или каким образом в контейнере хранятся данные. И, поскольку итераторы в языке С++ обычно используют один и тот же интерфейс как для перемещения по элементам контейнера (оператор ++ для перехода к следующему элементу), так и для доступа (оператор * для доступа к текущему элементу) к ним, итерации можно выполнять по разнообразным типам контейнеров, используя последовательный метод.
Указатели в качестве итераторов
Простейший пример итератора — это указатель, который (используя адресную арифметику) работает с последовательно расположенными элементами данных. Давайте снова рассмотрим пример перемещения по элементам массива, используя указатель и адресную арифметику:
Понимание итераторов в Python
Особенности, с которыми вы часто можете столкнуться в повседневной деятельности
1. Использование генератора дважды
Как мы видим в этом примере, использование переменной squared_numbers дважды, дало ожидаемый результат в первом случае, и, для людей незнакомых с Python в достаточной мере, неожиданный результат во втором.
2. Проверка вхождения элемента в генератор
Возьмём всё те же переменные:
А теперь, дважды проверим, входит ли элемент в последовательность:
Получившийся результат также может ввести в заблуждение некоторых программистов и привести к ошибкам в коде.
3. Распаковка словаря
Для примера используем простой словарь с двумя элементами:
Результат будет также неочевиден, для людей, не понимающих устройство Python, «под капотом»:
Последовательности и итерируемые объекты
По-сути, вся разница, между последовательностями и итерируемымыи объектами, заключается в том, что в последовательностях элементы упорядочены.
Так, последовательностями являются: списки, кортежи и даже строки.
Отличия цикла for в Python от других языков
А с итерируемыми объектами, последовательностями не являющимися, не будет:
Цикл for использует итераторы
Как мы могли убедиться, цикл for не использует индексы. Вместо этого он использует так называемые итераторы.
Итераторы — это такие штуки, которые, очевидно, можно итерировать 🙂
Получить итератор мы можем из любого итерируемого объекта.
Для этого нужно передать итерируемый объект во встроенную функцию iter :
Реализация цикла for с помощью функции и цикла while
Чтобы сделать это, нам нужно:
Теперь мы знакомы с протоколом итератора.
А, говоря простым языком — с тем, как работает итерация в Python.
Функции iter и next этот протокол формализуют. Механизм везде один и тот же. Будь то пресловутый цикл for или генераторное выражение. Даже распаковка и «звёздочка» используют протокол итератора:
Генераторы — это тоже итераторы
Генераторы тоже реализуют протокол итератора:
В случае, если мы передаём в iter итератор, то получаем тот же самый итератор
Итератор не имеет индексов и может быть использован только один раз.
Протокол итератора
Теперь формализуем протокол итератора целиком:
Итераторы работают «лениво» (en. lazy). А это значит, что они не выполняют какой-либо работы, до тех пор, пока мы их об этом не попросим.
Таким образом, мы можем оптимизировать потребление ресурсов ОЗУ и CPU, а так же создавать бесконечные последовательности.
Итераторы повсюду
Мы уже видели много итераторов в Python.
Я уже упоминал о том, что генераторы — это тоже итераторы.
Многие встроенные функции является итераторами.
Так, например, enumerate :
Создание собственного итератора
Так же, в некоторых случаях, может пригодится знание того, как написать свой собственный итератор и ленивый итерируемый объект.
В моей карьере этот пункт был ключевым, так как вопрос был задан на собеседовании, которое, как вы могли догадаться, я успешно прошёл и получил свою первую работу:)
Таким образом мы написали бесконечный и ленивый итератор.
А это значит, что ресурсы он будет потреблять только при вызове.
Не говоря уже о том, что без собственного итератора имлементация бесконечной последовательности была бы невозможна.
А теперь вернёмся к тем особенностям, которые были изложены в начале статьи
1. Использование генератора дважды
В данном примере, список будет содержать элементы только в первом случае, потому что генераторное выражение — это итератор, а итераторы, как мы уже знаем — сущности одноразовые. И при повторном использовании не будут отдавать никаких элементов.
2. Проверка вхождения элемента в генератор
А теперь дважды проверим, входит ли элемент в последовательность:
В данном примере, элемент будет входить в последовательность только 1 раз, по причине того, что проверка на вхождение проверяется путем перебора всех элементов последовательности последовательно, и как только элемент обнаружен, поиск прекращается. Для наглядности приведу пример:
Как мы видим, при создании списка из генераторного выражения, в нём оказываются все элементы, после искомого. При повторном же создании, вполне ожидаемо, список оказывается пуст.
3. Распаковка словаря
Так как распаковка опирается на тот же протокол итератора, то и в переменных оказываются именно ключи:
Выводы
Последовательности — итерируемые объекты, но не все итерируемые объекты — последовательности.
Итераторы — самая простая форма итерируемых объектов в Python.
Любой итерируемый объект реализует протокол итератора. Понимание этого протокола — ключ к пониманию любых итераций в Python.
Итеративный процесс — Введение в программирование
В видео есть неточность: в формуле вычисления факториала и в коде, который на ней основан, не учитывается, что для 0 (нуля) тоже можно вычислить факториал — он равен 1 (единице). Исправленный код есть ниже в конспекте.
Транскрипт урока
Рекурсию можно использовать разными способами: тот, который мы рассматривали в предыдущем уроке, называется рекурсивным процессом. Сегодняшний урок будет более понятен, если вы уже разобрались с предыдущей темой и выполнили упражнение.
Другой способ использования рекурсии в коде, называется итеративным процессом. Название запутывает: и рекурсивный и итеративный процесс — оба описывают рекурсию.
Помните наборы вызовов из предыдущего урока. Каждый новый созданный экземпляр, или ящик функции factorial ожидает от следующего экземпляра, что тот сделает возврат какого-нибудь значения. Никакого вычисления не производится, пока мы не спустимся до конца, к базовому случаю. Только тогда мы получим 1 и начнём выполнять умножения в обратном порядке: 1 умноженная на 2 — это 2, затем 3 умножается на два, получается 6.
С факториалом 3 никаких проблем, но представьте, что нужен факториал 100. Программе потребуется хранить в памяти множество чисел из-за откладывания всех операций умножения. Откладывание здесь — ключевое слово: суть рекурсивного процесса в откладывании вычислений до самого конца. Ничего не будет умножаться, пока процесс не спустится к базовому случаю, а если его остановить, программа ничего не будет знать и вы не получите никакой полезной информации, так как не дадите ей полностью закончить задачу. Рекурсивный процесс похож на человека, который выполняет работу за всю неделю в пятницу после обеда.
Вся эта информация о вычислениях называется состоянием. Всё, что ваша программа помнит в конкретный момент времени — это состояние: вычисления, константы, функции. И очень часто состояние — это причина самых разных проблем в программировании.
Оставлять все дела на пятничный полдень — не лучший способ работать. Способ получше — делать понемногу в понедельник, ещё немного во вторник и дальше в том же духе. Это итеративный процесс: когда работа распределяется равномерно на всю неделю.
Давайте запишем ту же функцию факториала используя итеративный процесс. Идея в том, чтобы не откладывать умножения, а умножить два числа сразу и передать результат в следующий шаг.
Как вы видите, всё выглядит уже не как математическая формула факториала. И это не похоже на функцию рекурсивного процесса из прошлого урока. Так обычно и бывает: код для рекурсивного процесса легче читать и понимать, поскольку он более близок к идее. Но он не достаточно эффективный. Итеративный процесс намного эффективнее, но он более усложнённый.
Функция факториала содержит в себе другую функцию. Помните, определения функций — это не сами ящики, а всего лишь их описания. Внутренняя функция iter принимает два аргумента: counter и accumulator. Counter отслеживает движение от n до 1. А accumulator — текущий результат умножения чисел от n до 1. Если counter достигает 1, accumulator возвращается — в этот момент он будет равен конечному ответу.
После того, как функция определена, у нас остаётся единственная строка в функции факториала: вернуть результат вызова функции iter с n и 1 в качестве аргументов.
Затем значение 6 просачивается в первый iter ящик, затем в ящик факториал, а затем возвращается в виде ответа.
Так выглядят вычисления шаг за шагом:
В любой момент программе необходимо помнить состояние, но его размер всегда неизменный — всего два числа.
Подобный итеративный процесс в целом может быть описан так:
И эта штука повторяется, пока не доберётся до терминального сценария.
Давайте повторим вкратце.
Теперь, после короткого тестового задания будет вероятно самое сложное упражнение этого курса. Но я уверен, что вы его раскусите. А когда вы это сделаете, вы почувствуете себя немного героем, как это было со мной.
Примечание
Очень важно понять отличия между рекурсией, рекурсивным процессом и итеративным процессом. Вот подробное объяснение в блоге Хекслета.
Дополнение к уроку
Выводы
Вызовем функцию из предыдущего урока:
Процесс вычисления, который создаёт эта функция, называется рекурсивным процессом. Основная его идея — откладывание вычисления до самого конца.
Вся информация о вычислениях, обо всём, что запоминает программа в любой конкретный момент (вычислениях, константах, функциях), называется состоянием. Множество проблем в программировании рождается из необходимости справиться с состоянием.
Суть итеративного процесса — вычисление с фиксированным количеством состояний.
Нам нужно с чего-то начать, потому что шаг 2 требует число из предыдущего шага, и мы начинаем с 1, потому что тогда n * 1 будет просто n:
Вот так выглядят вызовы iter, когда происходит вычисление 3!:
Итеративный процесс в целом:
Резюме
Дополнительные материалы
Остались вопросы? Задайте их в разделе «Обсуждение»
Вам ответят команда поддержки Хекслета или другие студенты.
Нашли опечатку или неточность?
Выделите текст, нажмите ctrl + enter и отправьте его нам. В течение нескольких дней мы исправим ошибку или улучшим формулировку.
Что-то не получается или материал кажется сложным?
Загляните в раздел «Обсуждение»:
Об обучении на Хекслете
Открыть доступ
Курсы программирования для новичков и опытных разработчиков. Начните обучение бесплатно.
Наши выпускники работают в компаниях:
С нуля до разработчика. Возвращаем деньги, если не удалось найти работу.
Python «for» циклы (определенная итерация)
В предыдущем руководстве этой вводной серии вы узнали следующее:
Вы начнете со сравнения некоторых различных парадигм, используемых языками программирования для реализации определенной итерации.
Обзор определенных итераций в программировании
Циклы с определенными итерациями часто называют forциклами, поскольку forэто ключевое слово используется для их представления почти во всех языках программирования, включая Python.
Исторически языки программирования предлагали несколько разновидностей forциклов. Они кратко описаны в следующих разделах.
Цикл числового диапазона
Здесь тело цикла выполняется десять раз. Переменная i принимает значение 1на первой итерации, 2на втором, и так далее. Этот вид forцикла используется в языках BASIC, Algol и Pascal.
Цикл с тремя выражениями
Другая форма forцикла, популярная в языке программирования C, состоит из трех частей:
Инициализация
Выражение, определяющее конечное условие
Действие, выполняемое в конце каждой итерации.
Этот тип цикла имеет следующий вид:
Этот цикл интерпретируется следующим образом:
Инициализировать iв 1.
Продолжайте делать петли до тех пор, пока i принимает значение следующего элемента при каждом прохождении цикла.
Вот типичный пример:
Но что такое итерация? Перед forдальнейшим изучением циклов будет полезно более глубоко изучить, что такое итерируемые объекты в Python.
Итерируемые объекты
В Python итерация означает, что объект можно использовать в итерации. Этот термин используется как:
Каждый из объектов в следующем примере является итерируемым и возвращает некоторый тип итератора при передаче в iter():
С другой стороны, эти типы объектов не повторяются:
Но это ни в коем случае не единственные типы, которые можно перебирать. Многие объекты, встроенные в Python или определенные в модулях, предназначены для итерации. Например, открытые файлы в Python можно повторять. Как вы скоро увидите в учебнике по файловому вводу-выводу, итерация по открытому файловому объекту считывает данные из файла.
Фактически, почти любой объект в Python можно сделать повторяемым. Даже определенные пользователем объекты могут быть спроектированы таким образом, чтобы их можно было повторять. (Вы узнаете, как это делается, в следующей статье об объектно-ориентированном программировании.)
Итераторы
Хорошо, теперь вы знаете, что означает возможность итерации объекта, и знаете, как использовать его iter()для получения итератора. Что вы можете с ним делать, если у вас есть итератор?
Вот пример с использованием того же списка, что и выше:
В этом примере a- это повторяемый список и itrсвязанный с ним итератор, полученный с помощью iter(). Каждый next(itr)вызов получает следующее значение из itr.
Обратите внимание, как итератор сохраняет внутреннее состояние. Он знает, какие значения уже были получены, поэтому, когда вы звоните next(), он знает, какое значение вернуть следующим.
Что происходит, когда в итераторе заканчиваются значения? Сделаем еще один next()вызов итератору выше:
Если все значения от итератора уже были возвращены, последующий next()вызов вызывает StopIterationисключение. Любые дальнейшие попытки получить значения от итератора потерпят неудачу.
Вы можете получать значения от итератора только в одном направлении. Вы не можете вернуться назад. Нет prev()функции. Но вы можете определить два независимых итератора на одном итерируемом объекте:
Даже если итератор itr1уже находится в конце списка, itr2он все еще находится в начале. Каждый итератор поддерживает собственное внутреннее состояние, независимое от другого.
Если вы хотите получить сразу все значения из итератора, вы можете использовать встроенную list()функцию. Среди других возможных применений он list()принимает итератор в качестве аргумента и возвращает список, состоящий из всех значений, выданных итератором:
Необязательно делать это привычкой. Отчасти элегантность итераторов заключается в том, что они «ленивы». Это означает, что когда вы создаете итератор, он не генерирует все элементы, которые он может дать в этот момент. Он ждет, пока вы их попросите next(). Элементы не создаются, пока они не будут запрошены.
Когда вы используете list(), tuple()или что-то подобное, вы заставляете итератор генерировать все свои значения сразу, чтобы их все можно было вернуть. Если общее количество объектов, возвращаемых итератором, очень велико, это может занять много времени.
Внутренности для петли Python
Итерации по словарю
Ранее вы видели, что итератор можно получить из словаря с помощью iter(), поэтому вы знаете, что словари должны быть итеративными. Что происходит, когда вы просматриваете словарь? Посмотрим:
Чтобы получить доступ к значениям словаря в цикле, вы можете сделать ссылку на словарь, используя ключ, как обычно:
Фактически, вы можете перебирать как ключи, так и значения словаря одновременно. Это потому, что переменная forцикла не ограничивается одной переменной. Это также может быть кортеж, и в этом случае присваивания выполняются из элементов в итерируемом объекте с использованием упаковки и распаковки, как и в случае с оператором присваивания:
Таким образом, Python-способ перебора словаря с доступом как к ключам, так и к значениям выглядит так:
range()Функция
Например, если вы хотите перебрать значения от 0до 4, вы можете просто сделать это:
Это решение не так уж и плохо, когда есть всего несколько цифр. Но если бы диапазон чисел был намного больше, это быстро стало бы утомительно.
range()возвращает итерацию, которая возвращает целые числа, начиная с 0, но не включая :
Обратите внимание, что range()возвращает объект класса range, а не список или кортеж значений. Поскольку rangeобъект является итерируемым, вы можете получить значения, перебирая их с помощью forцикла:
Вы также можете получить сразу все значения с помощью list()или tuple(). В сеансе REPL это может быть удобным способом быстро отобразить значения:
Если не указан, по умолчанию используется 1:
Заключение
В этом руководстве представлен forцикл, рабочая лошадка определенной итерации в Python.
В следующих двух руководствах этой вводной серии вы немного переключитесь и исследуете, как программы Python могут взаимодействовать с пользователем посредством ввода с клавиатуры и вывода на консоль.