Iteradores e Geradores
Introdução
Iteradores e geradores são componentes fundamentais da programação em Python que facilitam o processamento eficiente de sequências de dados. Enquanto os iteradores fornecem uma interface padronizada para percorrer coleções, os geradores oferecem uma maneira elegante e eficiente de criar iteradores com mínimo consumo de memória.
Objetivos de Aprendizado
- Entender o protocolo de iteração em Python
- Diferenciar entre iteráveis e iteradores
- Aprender a criar e usar iteradores personalizados
- Dominar o conceito e uso de geradores
- Compreender expressões geradoras
- Aplicar iteradores e geradores em situações práticas
Protocolo de Iteração em Python
O protocolo de iteração é o fundamento para percorrer sequências em Python, como loops for e compreensões de lista.
Iteráveis vs. Iteradores
# Um iterável é qualquer objeto que pode ser percorrido
# Exemplos: listas, tuplas, dicionários, strings, arquivos
# Um iterador é um objeto que gerencia o estado da iteração
# Um iterador sabe qual é o elemento atual e qual o próximo
# Métodos necessários para um objeto ser iterador:
# - __iter__(): retorna o próprio iterador
# - __next__(): retorna o próximo item ou levanta StopIteration
Como Funciona o Loop For
# O loop for funciona assim por baixo dos panos:
# Quando escrevemos:
for item in minha_lista:
print(item)
# O Python na verdade faz:
iterador = iter(minha_lista) # Chama minha_lista.__iter__()
while True:
try:
item = next(iterador) # Chama iterador.__next__()
print(item)
except StopIteration:
break # Fim da iteração
Manipulando Iteradores Manualmente
# Criando um iterador a partir de um iterável
numeros = [1, 2, 3, 4, 5]
iterador = iter(numeros)
# Obtendo valores manualmente
print(next(iterador)) # 1
print(next(iterador)) # 2
print(next(iterador)) # 3
# Percorrendo os itens restantes
for numero in iterador:
print(numero) # 4, 5
# Tentar obter mais valores resulta em StopIteration
try:
next(iterador)
except StopIteration:
print("Iteração concluída!")
# Importante: iteradores são esgotáveis
# Uma vez percorridos, não podem ser reutilizados
for numero in iterador:
print(numero) # Não imprime nada, o iterador já foi esgotado
Criando Iteradores Personalizados
Você pode criar seus próprios iteradores implementando os métodos __iter__ e __next__.
Iterador Simples
class Contador:
"""Um iterador que conta de início até fim, pulando passo."""
def __init__(self, inicio, fim, passo=1):
self.inicio = inicio
self.fim = fim
self.passo = passo
self.valor = inicio
def __iter__(self):
# Retorna o próprio objeto como iterador
self.valor = self.inicio
return self
def __next__(self):
# Verifica se a iteração deve terminar
if (self.passo > 0 and self.valor > self.fim) or \
(self.passo < 0 and self.valor < self.fim):
raise StopIteration
valor_atual = self.valor
self.valor += self.passo
return valor_atual
# Usando o iterador personalizado
contador = Contador(1, 10, 2)
for numero in contador:
print(numero) # 1, 3, 5, 7, 9
# Podemos reutilizar porque __iter__ reinicia o estado
print("Contagem regressiva:")
contador_reverso = Contador(10, 1, -2)
for numero in contador_reverso:
print(numero) # 10, 8, 6, 4, 2
Iterador Mais Complexo
class FibonacciIterator:
"""Iterador que gera a sequência de Fibonacci até n."""
def __init__(self, n):
self.n = n # Quantidade máxima de números
self.gerados = 0
self.a = 0
self.b = 1
def __iter__(self):
self.gerados = 0
self.a = 0
self.b = 1
return self
def __next__(self):
if self.gerados >= self.n:
raise StopIteration
if self.gerados == 0:
self.gerados += 1
return 0
elif self.gerados == 1:
self.gerados += 1
return 1
else:
resultado = self.a + self.b
self.a, self.b = self.b, resultado
self.gerados += 1
return resultado
# Usando o iterador Fibonacci
fib = FibonacciIterator(8)
for numero in fib:
print(numero, end=" ") # 0 1 1 2 3 5 8 13
print()
# Convertendo para lista
fib = FibonacciIterator(10)
fibonacci_lista = list(fib)
print(fibonacci_lista) # [0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34]
Padrão Iterador-Iterável Separado
class ListaInvertidaIteravel:
"""Iterável que percorre os elementos na ordem inversa."""
def __init__(self, dados):
self.dados = dados
def __iter__(self):
# Retorna um novo iterador a cada chamada
return ListaInvertidaIterador(self.dados)
class ListaInvertidaIterador:
"""Iterador que percorre os elementos na ordem inversa."""
def __init__(self, dados):
self.dados = dados
self.indice = len(dados)
def __iter__(self):
return self
def __next__(self):
if self.indice <= 0:
raise StopIteration
self.indice -= 1
return self.dados[self.indice]
# Usando o padrão iterador-iterável
minha_lista = [1, 2, 3, 4, 5]
invertida = ListaInvertidaIteravel(minha_lista)
# Podemos usar várias vezes porque cada uso cria um novo iterador
print("Primeira iteração:")
for item in invertida:
print(item, end=" ") # 5 4 3 2 1
print("\nSegunda iteração:")
for item in invertida:
print(item, end=" ") # 5 4 3 2 1
Separação Iterável-Iterador
A separação dos conceitos de iterável e iterador permite reutilizar o iterável múltiplas vezes, criando um novo iterador a cada iteração. Isso é o que acontece com objetos embutidos do Python como listas, que podem ser percorridos várias vezes.
Geradores
Geradores são uma forma simplificada de criar iteradores usando funções em vez de classes. Eles usam a palavra-chave yield para retornar valores sob demanda.
Funções Geradoras Básicas
# Função geradora simples
def contador(inicio, fim, passo=1):
"""Gerador que conta de início até fim, pulando passo."""
valor = inicio
# Lógica diferente dependendo da direção
if passo > 0:
while valor <= fim:
yield valor
valor += passo
else:
while valor >= fim:
yield valor
valor += passo
# Usando o gerador
for numero in contador(1, 10, 2):
print(numero, end=" ") # 1 3 5 7 9
print()
# Outro exemplo: gerador de Fibonacci
def fibonacci(n):
"""Gera os primeiros n números da sequência de Fibonacci."""
a, b = 0, 1
gerados = 0
while gerados < n:
yield a
a, b = b, a + b
gerados += 1
# Usando o gerador Fibonacci
for numero in fibonacci(8):
print(numero, end=" ") # 0 1 1 2 3 5 8 13
print()
Estado e Fluxo de Execução
def demonstracao_yield():
"""Demonstra como o yield pausa a execução."""
print("Iniciando o gerador")
yield 1
print("Depois do primeiro yield")
yield 2
print("Depois do segundo yield")
yield 3
print("Gerador terminado")
# Usando o gerador para entender o fluxo
gerador = demonstracao_yield()
# Cada next() executa até o próximo yield
print("Chamando next() pela primeira vez")
print(next(gerador)) # Imprime "Iniciando o gerador" e retorna 1
print("Chamando next() pela segunda vez")
print(next(gerador)) # Imprime "Depois do primeiro yield" e retorna 2
print("Chamando next() pela terceira vez")
print(next(gerador)) # Imprime "Depois do segundo yield" e retorna 3
try:
print("Chamando next() pela quarta vez")
print(next(gerador)) # Levanta StopIteration após imprimir "Gerador terminado"
except StopIteration:
print("Gerador esgotado!")
Geradores Infinitos
def numeros_primos():
"""Gerador infinito de números primos."""
def eh_primo(n):
if n <= 1:
return False
if n <= 3:
return True
if n % 2 == 0 or n % 3 == 0:
return False
i = 5
while i * i <= n:
if n % i == 0 or n % (i + 2) == 0:
return False
i += 6
return True
n = 2
while True: # Loop infinito
if eh_primo(n):
yield n
n += 1
# Usando o gerador infinito (com cuidado!)
primos = numeros_primos()
# Obtendo os primeiros 10 primos
primeiros_primos = [next(primos) for _ in range(10)]
print(primeiros_primos) # [2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29]
# Para geradores infinitos, use ferramentas como islice
import itertools
proximos_primos = list(itertools.islice(numeros_primos(), 10, 20))
print(proximos_primos) # [31, 37, 41, 43, 47, 53, 59, 61, 67, 71]
Enviando Valores para Geradores
def gerador_eco():
"""Um gerador que ecoa o valor enviado a ele."""
valor = yield "Pronto para receber"
while True:
if valor is None:
valor = yield "Envie algo!"
else:
valor = yield f"Eco: {valor}"
# Usando o método send()
eco = gerador_eco()
# Primeiro next() para iniciar o gerador (vai até o primeiro yield)
primeira_msg = next(eco)
print(primeira_msg) # Pronto para receber
# Enviando valores
print(eco.send("Olá")) # Eco: Olá
print(eco.send("Python")) # Eco: Python
print(eco.send(None)) # Envie algo!
print(eco.send(42)) # Eco: 42
# Fechando um gerador
eco.close()
try:
next(eco)
except StopIteration:
print("Gerador fechado")
Expressões Geradoras
As expressões geradoras são semelhantes às compreensões de lista, mas retornam um gerador em vez de uma lista, economizando memória.
Compreensão de Lista vs. Expressão Geradora
import sys
# Compreensão de lista (cria toda a lista na memória)
lista = [x ** 2 for x in range(1000000)]
# Expressão geradora (calcula valores sob demanda)
gerador = (x ** 2 for x in range(1000000))
# Comparando o uso de memória
print(f"Tamanho da lista: {sys.getsizeof(lista)} bytes") # ~8MB
print(f"Tamanho do gerador: {sys.getsizeof(gerador)} bytes") # ~112 bytes
# Ambos podem ser usados em loops
lista_pequena = [x for x in range(5)] # [0, 1, 2, 3, 4]
gerador_pequeno = (x for x in range(5))
for num in lista_pequena:
print(num, end=" ") # 0 1 2 3 4
print()
for num in gerador_pequeno:
print(num, end=" ") # 0 1 2 3 4
print()
Encadeamento de Geradores
# Geradores podem ser encadeados para criar pipelines de processamento
# Exemplo: pipeline para processar números
numeros = range(1, 11) # 1 a 10
# Filtrar pares, elevar ao quadrado, e somar 1
pares = (x for x in numeros if x % 2 == 0) # 2, 4, 6, 8, 10
quadrados = (x**2 for x in pares) # 4, 16, 36, 64, 100
resultados = (x + 1 for x in quadrados) # 5, 17, 37, 65, 101
# O cálculo só acontece quando o gerador é consumido
for resultado in resultados:
print(resultado, end=" ") # 5 17 37 65 101
print()
# Também podemos usar funções embutidas que consomem iteráveis
numeros = range(1, 11)
resultado = sum((x**2 for x in numeros if x % 2 == 0))
print(f"Soma dos quadrados dos números pares: {resultado}") # 220
Geradores como Argumentos de Funções
# Muitas funções aceitam iteráveis, incluindo geradores
# Exemplo: funções embutidas
numeros = range(1, 101)
# Com compreensões de lista
multiplos_3_lista = [n for n in numeros if n % 3 == 0]
print(f"Soma (lista): {sum(multiplos_3_lista)}") # 1683
print(f"Máximo (lista): {max(multiplos_3_lista)}") # 99
# Com expressões geradoras
multiplos_3_gerador = (n for n in numeros if n % 3 == 0)
print(f"Soma (gerador): {sum(multiplos_3_gerador)}") # 1683
# ATENÇÃO: gerador já foi consumido por sum()!
# A próxima linha retornaria um erro ou resultado inesperado
# print(f"Máximo (gerador): {max(multiplos_3_gerador)}") # Não funciona!
# Para usar várias vezes, crie novos geradores:
print(f"Máximo: {max(n for n in numeros if n % 3 == 0)}") # 99
O Módulo itertools
O módulo itertools oferece ferramentas poderosas para trabalhar com iteradores.
Funções de Combinação
import itertools
# product: produto cartesiano (todas as combinações)
dados = [1, 2]
faces = [1, 2, 3, 4, 5, 6]
# Todas as combinações possíveis ao jogar dois dados
jogadas = list(itertools.product(dados, faces))
print(f"Jogadas possíveis: {len(jogadas)}") # 12
print(jogadas[:5]) # [(1, 1), (1, 2), (1, 3), (1, 4), (1, 5)]
# permutations: todas as permutações (ordem importa)
letras = ['A', 'B', 'C']
permutacoes = list(itertools.permutations(letras))
print(f"Permutações: {len(permutacoes)}") # 6
print(permutacoes) # [('A', 'B', 'C'), ('A', 'C', 'B'), ..., ('C', 'B', 'A')]
# combinations: combinações sem repetição (ordem não importa)
combinacoes = list(itertools.combinations(letras, 2))
print(f"Combinações de 2 letras: {len(combinacoes)}") # 3
print(combinacoes) # [('A', 'B'), ('A', 'C'), ('B', 'C')]
# combinations_with_replacement: combinações com repetição
comb_rep = list(itertools.combinations_with_replacement(letras, 2))
print(f"Combinações com repetição: {len(comb_rep)}") # 6
print(comb_rep) # [('A', 'A'), ('A', 'B'), ('A', 'C'), ('B', 'B'), ('B', 'C'), ('C', 'C')]
Funções de Filtragem
import itertools
# islice: fatiar um iterável
numeros = itertools.count(1) # Gerador infinito de números
primeiros = list(itertools.islice(numeros, 5)) # Primeiros 5 números
print(primeiros) # [1, 2, 3, 4, 5]
# Pulando elementos
letras = "ABCDEFGHIJ"
selecionadas = list(itertools.islice(letras, 1, 8, 2)) # Início, fim, passo
print(selecionadas) # ['B', 'D', 'F', 'H']
# filterfalse: filtra elementos que NÃO satisfazem o predicado
numeros = range(10)
impares = list(itertools.filterfalse(lambda x: x % 2 == 0, numeros))
print(impares) # [1, 3, 5, 7, 9]
# dropwhile e takewhile: descarta/pega elementos enquanto a condição for True
valores = [1, 3, 5, 8, 7, 9, 2, 4]
# Descarta enquanto for ímpar, depois pega todos
resultado1 = list(itertools.dropwhile(lambda x: x % 2 == 1, valores))
print(resultado1) # [8, 7, 9, 2, 4]
# Pega enquanto for menor que 7, depois descarta todos
resultado2 = list(itertools.takewhile(lambda x: x < 7, valores))
print(resultado2) # [1, 3, 5]
Geradores Infinitos
import itertools
# count: conta a partir de um número (parecido com range, mas infinito)
contador = itertools.count(10, 2) # Começa em 10, incrementa de 2 em 2
print(list(itertools.islice(contador, 5))) # [10, 12, 14, 16, 18]
# cycle: cicla por um iterável indefinidamente
ciclico = itertools.cycle(['A', 'B', 'C'])
print([next(ciclico) for _ in range(7)]) # ['A', 'B', 'C', 'A', 'B', 'C', 'A']
# repeat: repete um elemento n vezes (ou infinitamente)
repetido = itertools.repeat('X', 5)
print(list(repetido)) # ['X', 'X', 'X', 'X', 'X']
Combinadores
import itertools
# chain: concatena iteráveis
letras = ['A', 'B', 'C']
numeros = [1, 2, 3]
combinados = list(itertools.chain(letras, numeros))
print(combinados) # ['A', 'B', 'C', 1, 2, 3]
# zip_longest: como zip, mas continua até o iterável mais longo terminar
nomes = ['Ana', 'Carlos', 'Maria', 'Pedro']
idades = [25, 30, 22]
# O zip normal para no iterável mais curto
print(list(zip(nomes, idades))) # [('Ana', 25), ('Carlos', 30), ('Maria', 22)]
# zip_longest usa o valor fillvalue para os elementos faltantes
resultado = list(itertools.zip_longest(nomes, idades, fillvalue='Desconhecido'))
print(resultado) # [('Ana', 25), ('Carlos', 30), ('Maria', 22), ('Pedro', 'Desconhecido')]
# groupby: agrupa elementos consecutivos por uma chave
animais = ['cachorro', 'gato', 'coelho', 'cobra', 'camelo', 'galinha']
# Agrupando por primeira letra
animais_ordenados = sorted(animais, key=lambda x: x[0]) # Importante ordenar primeiro!
for letra, grupo in itertools.groupby(animais_ordenados, key=lambda x: x[0]):
print(f"Animais com {letra}: {list(grupo)}")
# Animais com c: ['cachorro', 'camelo', 'cobra', 'coelho']
# Animais com g: ['galinha']
# Animais com g: ['gato']
Aplicações Práticas
Processamento de Arquivos Grandes
def processar_arquivo_grande(nome_arquivo, tamanho_bloco=4096):
"""Lê um arquivo grande em blocos para economizar memória."""
with open(nome_arquivo, 'r', encoding='utf-8') as arquivo:
while True:
bloco = arquivo.read(tamanho_bloco)
if not bloco:
break
yield bloco
# Conta linha em um arquivo muito grande
def contar_linhas(nome_arquivo):
total = sum(bloco.count('\n') for bloco in processar_arquivo_grande(nome_arquivo))
return total + 1 # +1 se o arquivo não terminar com quebra de linha
# Procura texto em um arquivo grande
def procurar_texto(nome_arquivo, texto):
"""Encontra todas as ocorrências de um texto em um arquivo grande."""
for i, bloco in enumerate(processar_arquivo_grande(nome_arquivo)):
posicoes = [j for j in range(len(bloco)) if bloco.startswith(texto, j)]
for pos in posicoes:
posicao_absoluta = i * 4096 + pos
yield posicao_absoluta
Pipeline de Processamento de Dados
# Pipeline para análise de logs
import re
def ler_arquivo_log(nome_arquivo):
"""Gerador que lê um arquivo de log linha por linha."""
with open(nome_arquivo, 'r') as arquivo:
for linha in arquivo:
yield linha.strip()
def filtrar_erros(linhas):
"""Filtra apenas linhas com erros."""
for linha in linhas:
if "ERROR" in linha:
yield linha
def extrair_codigo_erro(linhas_erro):
"""Extrai o código de erro de cada linha."""
padrao = r"ERROR (\d+):"
for linha in linhas_erro:
match = re.search(padrao, linha)
if match:
yield int(match.group(1))
def contar_erros(codigos_erro):
"""Conta a frequência de cada código de erro."""
contagem = {}
for codigo in codigos_erro:
contagem[codigo] = contagem.get(codigo, 0) + 1
return contagem
# Uso do pipeline
def analisar_erros_log(nome_arquivo):
linhas = ler_arquivo_log(nome_arquivo)
linhas_erro = filtrar_erros(linhas)
codigos = extrair_codigo_erro(linhas_erro)
return contar_erros(codigos)
# Resultado: {404: 23, 500: 12, 403: 5}
Simulações e Modelagem
import random
def simulacao_clima(dias):
"""Simula o clima por um número específico de dias."""
# Estados possíveis: ensolarado, nublado, chuvoso
estado_atual = random.choice(["ensolarado", "nublado", "chuvoso"])
# Probabilidades de transição (simplificadas)
transicoes = {
"ensolarado": {"ensolarado": 0.7, "nublado": 0.3, "chuvoso": 0.0},
"nublado": {"ensolarado": 0.3, "nublado": 0.4, "chuvoso": 0.3},
"chuvoso": {"ensolarado": 0.1, "nublado": 0.4, "chuvoso": 0.5}
}
for _ in range(dias):
yield estado_atual
# Determina o próximo estado
probabilidades = transicoes[estado_atual]
estados = list(probabilidades.keys())
chances = list(probabilidades.values())
estado_atual = random.choices(estados, weights=chances)[0]
# Simulando 10 dias
previsao = list(simulacao_clima(10))
print(f"Previsão para 10 dias: {previsao}")
# Análise da simulação
contagem = {}
for clima in previsao:
contagem[clima] = contagem.get(clima, 0) + 1
print("Distribuição do clima:")
for clima, dias in contagem.items():
print(f"{clima}: {dias} dias ({dias/10*100:.1f}%)")
Boas Práticas e Padrões
Quando Usar Geradores
# Use geradores quando:
# 1. Processando grandes volumes de dados
# Ruim: números grandes demais para memória
# numeros_grandes = [n for n in range(10**10) if n % 42 == 0]
# Bom: processa sob demanda
numeros_grandes = (n for n in range(10**10) if n % 42 == 0)
# 2. Trabalhando com dados infinitos
def todos_os_numeros():
n = 0
while True:
yield n
n += 1
# 3. Criando pipelines de processamento
def ler_dados(arquivo):
with open(arquivo) as f:
for linha in f:
yield linha.strip()
def filtrar_dados(linhas, filtro):
for linha in linhas:
if filtro in linha:
yield linha
def processar(linhas):
for linha in linhas:
yield linha.upper()
# Uso: pipeline de processamento
dados = ler_dados("dados.txt")
filtrados = filtrar_dados(dados, "importante")
resultado = processar(filtrados)
Iteradores vs. Geradores
# Iteradores (classes) são ideais quando:
# - Precisa de mais controle sobre o estado
# - A lógica é complexa
# - Precisa de vários métodos auxiliares
# Geradores (funções) são ideais quando:
# - A lógica é mais simples e linear
# - Quer minimizar o código boilerplate
# - Não precisa manter muito estado
# Compare as duas implementações:
# 1. Com classe iterador
class Quadrados:
def __init__(self, n):
self.n = n
self.i = 0
def __iter__(self):
self.i = 0
return self
def __next__(self):
if self.i >= self.n:
raise StopIteration
resultado = self.i ** 2
self.i += 1
return resultado
# 2. Com gerador
def quadrados(n):
for i in range(n):
yield i ** 2
# Ambos têm o mesmo resultado:
print(list(Quadrados(5))) # [0, 1, 4, 9, 16]
print(list(quadrados(5))) # [0, 1, 4, 9, 16]
Patterns de Iteração
# 1. Consumindo iteráveis par a par
dados = [1, 2, 3, 4, 5, 6]
pares = zip(dados[::2], dados[1::2]) # [(1, 2), (3, 4), (5, 6)]
# 2. Consumindo iteráveis com janela deslizante
def janela_deslizante(iterable, n=2):
"""Retorna uma janela deslizante de largura n sobre os dados."""
iteraveis = [iter(iterable)] * n
return zip(*iteraveis)
# Exemplo: médias móveis
dados = [1, 3, 5, 8, 11, 14, 16]
janelas = list(janela_deslizante(dados, 3))
print(janelas) # [(1, 3, 5), (8, 11, 14)]
# Para janelas sobrepostas, use itertools.islice
from itertools import islice
def janela_sobreposta(iterable, n=3):
"""Cria janelas sobrepostas de tamanho n."""
it = iter(iterable)
window = list(islice(it, n))
yield tuple(window)
for item in it:
window = window[1:] + [item]
yield tuple(window)
# Exemplo: médias móveis com janelas sobrepostas
sobrepostas = list(janela_sobreposta(dados, 3))
print(sobrepostas) # [(1, 3, 5), (3, 5, 8), (5, 8, 11), (8, 11, 14), (11, 14, 16)]
# 3. Agrupando dados (semelhante a GROUP BY em SQL)
from itertools import groupby
# Dados ordenados por categoria
dados = [
("fruta", "maçã"),
("fruta", "banana"),
("legume", "cenoura"),
("legume", "batata"),
("fruta", "uva")
]
# Agrupa por categoria
dados_ordenados = sorted(dados, key=lambda x: x[0])
for categoria, itens in groupby(dados_ordenados, key=lambda x: x[0]):
print(f"{categoria}: {list(item[1] for item in itens)}")
# fruta: ['maçã', 'banana', 'uva']
# legume: ['cenoura', 'batata']
Resumo
Nesta aula, você aprendeu sobre:
- Protocolo de iteração do Python e como ele funciona nos bastidores
- A diferença entre iteráveis e iteradores
- Como criar iteradores personalizados implementando
__iter__e__next__ - Geradores como forma simplificada de criar iteradores
- Expressões geradoras como alternativas eficientes às compreensões de lista
- Ferramentas do módulo itertools para manipulação avançada de iteradores
- Aplicações práticas de iteradores e geradores
- Boas práticas e quando usar cada abordagem
Recursos de aprendizado
Próximos Passos
Na próxima aula, exploraremos decoradores em Python, um poderoso mecanismo para modificar o comportamento de funções e classes.