為什麼range不是疊代器？range到底是什麼類型？

疊代器是 23 種設計模式中最常用的一種（之一），在 Python 中随處可見它的身影，我們經常用到它，但是卻不一定意識到它的存在。在關于疊代器的系列文章中（連結見文末），我至少提到了 23 種生成疊代器的方法。有些方法是專門用于生成疊代器的，還有一些方法則是為了解決别的問題而“暗中”使用到疊代器。

在系統學習疊代器之前，我一直以為 range() 方法也是用于生成疊代器的，現在卻突然發現，它生成的隻是可疊代對象，而并不是疊代器！ （PS：Python2 中 range() 生成的是清單，本文基于Python3，生成的是可疊代對象）

于是，我有了這樣的疑問：為什麼 range() 不生成疊代器呢？在查找答案的過程中，我發現自己對 range 類型的認識存在一些誤區。是以，本文将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？

它的文法：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
           

對于 range() 函數，有幾個注意點：（1）它表示的是左閉右開區間；（2）它接收的參數必須是整數，可以是負數，但不能是浮點數等其它類型；（3）它是不可變的序列類型，可以進行判斷元素、查找元素、切片等操作，但不能修改元素；（4）它是可疊代對象，卻不是疊代器。

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

# （2）參數類型
>>> 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）不是疊代器
>>> hasattr(range(3),'__iter__')
True
>>> hasattr(range(3),'__next__')
False
>>> hasattr(iter(range(3)),'__next__')
True
           

2、 為什麼range()不生産疊代器？

可以獲得疊代器的内置方法很多，例如 zip() 、enumerate()、map()、filter() 和 reversed() 等等，但是像 range() 這樣僅僅得到的是可疊代對象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-循環 周遊時，可疊代對象與疊代器的性能是一樣的，即它們都是惰性求值的，在空間複雜度與時間複雜度上并無差異。我曾概括過兩者的差别是“一同兩不同”：相同的是都可惰性疊代，不同的是可疊代對象不支援自周遊（即next()方法），而疊代器本身不支援切片（即

__getitem__()

方法）。

雖然有這些差别，但很難得出結論說它們哪個更優。現在微妙之處就在于，為什麼給 5 種内置方法都設計了疊代器，偏偏給 range() 方法設計的就是可疊代對象呢？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() 生成的是疊代器呢？

關于這個問題，我沒找到官方解釋，以下純屬個人觀點 。

zip() 等方法都需要接收确定的可疊代對象的參數，是對它們的一種再加工的過程，是以也希望馬上産出确定的結果來，是以 Python 開發者就設計了這個結果是疊代器。這樣還有一個好處，即當作為參數的可疊代對象發生變化的時候，作為結果的疊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，它接收的參數不是可疊代對象，本身是一種初次加工的過程，是以設計它為可疊代對象，既可以直接使用，也可以用于其它再加工用途。例如，zip() 等方法就完全可以接收 range 類型的參數。

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

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

對于這種解讀，你是否覺得有道理呢？歡迎就這個話題與我探讨。

3、range 類型是什麼？

以上是我對“為什麼range()不産生疊代器”的一種解答。順着這個思路，我研究了一下它産生的 range 對象，一研究就發現，這個 range 對象也并不簡單。

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。

翻看文檔，官方是這樣明确劃分的——有三種基本的序列類型：清單、元組和範圍（range）對象。（There are three basic sequence types: lists, tuples, and range objects.）

這我倒一直沒注意，原來 range 類型居然跟清單和元組是一樣地位的基礎序列！我一直記挂着字元串是不可變的序列類型，不曾想，這裡還有一位不可變的序列類型呢。

那 range 序列跟其它序列類型有什麼差異呢？

普通序列都支援的操作有 12 種，在《你真的知道Python的字元串是什麼嗎？》這篇文章裡提到過。range 序列隻支援其中的 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'
           

那麼問題來了：同樣是不可變序列，為什麼字元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，但我們可以将它們拷貝到新的序列上進行操作啊，為何 range 對象連這都不支援呢？

且看官方文檔的解釋：

…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 對象僅僅表示一個遵循着嚴格模式的序列，而重複與拼接通常會破壞這種模式…

問題的關鍵就在于 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，想想确實不妥，這就是為啥 range 類型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，是以統統不給修改就是了。

4、小結

回顧全文，我得到了兩個偏冷門的結論：range 是可疊代對象而不是疊代器；range 對象是不可變的等差序列。

若單純看結論的話，你也許沒有感觸，或許還會說這沒啥了不得啊。但如果我追問，為什麼 range 不是疊代器呢，為什麼 range 是不可變序列呢？對這倆問題，你是否還能答出個自圓其說的設計思想呢？（PS：我決定了，若有機會面試别人，我必要問這兩個問題的嘿~）

由于 range 對象這細微而有意思的特性，我覺得這篇文章寫得值了。本文是作為疊代器系列文章的一篇來寫的，是以對于疊代器的基礎知識介紹不多，歡迎檢視之前的文章。另外，還有一種特殊的疊代器也值得單獨成文，那就是生成器了，敬請期待後續推文哦~

猜你想讀：

Python進階：疊代器與疊代器切片

Python進階：設計模式之疊代器模式

你真的知道Python的字元串是什麼嗎？

官方文檔：http://t.cn/EGMzJt8

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