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深入理解 Python range(): 生成数字序列

Python 的 range() 函数是其核心内置函数之一，广泛应用于生成数字序列，尤其是在循环迭代中。理解 range() 的工作原理和多种用法对于编写高效且可读的 Python 代码至关重要。本文将详细探讨 range() 的语法、参数、返回类型、实际应用及其背后的优化思想。

什么是 range()?

range() 函数主要用于生成一个不可变的数字序列。它通常与 for 循环结合使用，以指定循环的次数或迭代的索引。在 Python 3 中，range() 返回一个“范围对象”（range object），而不是像 Python 2 中的 xrange() 那样返回一个列表。这个范围对象是一个迭代器，它在需要时才生成数字，从而节省了大量内存，尤其是在处理大型序列时。

range() 的语法

range() 函数有三种常用的形式：

1. range(stop)

   • 生成从 0 开始，到 stop - 1 结束的整数序列。
   • stop 值不包含在序列中。
   • 步长默认为 1。

2. range(start, stop)

   • 生成从 start 开始，到 stop - 1 结束的整数序列。
   • start 值包含在序列中，stop 值不包含。
   • 步长默认为 1。

3. range(start, stop, step)

   • 生成从 start 开始，到 stop - 1 结束的整数序列。
   • start 值包含在序列中，stop 值不包含。
   • step 指定了序列中数字之间的增量（或减量）。

参数详解

• start: 整数。序列的起始值（包含）。如果未提供，默认为 0。
• stop: 整数。序列的结束值（不包含）。此参数是强制性的。
• step: 整数。序列中相邻数字之间的差值。如果未提供，默认为 1。
  • step 不能为 0。
  • 如果 step 为正数，则 start 必须小于 stop 才能生成非空序列。
  • 如果 step 为负数，则 start 必须大于 stop 才能生成非空序列。

range() 的返回类型

range() 函数返回一个 range 对象。这个对象本身并不是一个列表或元组，而是一个“惰性”序列生成器。这意味着它不会一次性生成所有数字并存储在内存中，而是在迭代时按需生成。

“`python
r = range(5)
print(r) # 输出: range(0, 5)
print(type(r)) # 输出:

要查看其包含的数字，可以将其转换为列表：

print(list(r)) # 输出: [0, 1, 2, 3, 4]
“`

这种惰性求值是 range() 相比于直接创建列表 ([0, 1, ..., N]) 的主要优势，尤其是在处理非常大的序列时，它能显著节省内存。

实际应用示例

1. 简单的 for 循环

最常见的用法是与 for 循环结合，执行固定次数的迭代。

“`python

range(stop): 循环 5 次，从 0 到 4

for i in range(5):
print(f”当前迭代次数 (从0开始): {i}”)

输出:

当前迭代次数 (从0开始): 0

当前迭代次数 (从0开始): 1

当前迭代次数 (从0开始): 2

当前迭代次数 (从0开始): 3

当前迭代次数 (从0开始): 4

“`

2. 指定起始和结束值

“`python

range(start, stop): 循环从 3 到 7 (不包含 8)

for num in range(3, 8):
print(f”数字: {num}”)

输出:

数字: 3

数字: 4

数字: 5

数字: 6

数字: 7

“`

3. 指定步长

“`python

range(start, stop, step): 从 0 开始，到 10 结束，步长为 2

for j in range(0, 10, 2):
print(f”偶数: {j}”)

输出:

偶数: 0

偶数: 2

偶数: 4

偶数: 6

偶数: 8

使用负数步长进行倒序

for k in range(10, 0, -1):
print(f”倒序数字: {k}”)

输出:

倒序数字: 10

倒序数字: 9

…

倒序数字: 1

“`

4. 生成列表或元组

虽然 range() 返回一个范围对象，但可以轻松地将其转换为其他序列类型。

“`python
numbers_list = list(range(1, 11))
print(f”列表: {numbers_list}”) # 输出: [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]

even_numbers_tuple = tuple(range(2, 12, 2))
print(f”元组: {even_numbers_tuple}”) # 输出: (2, 4, 6, 8, 10)
“`

5. 结合 len() 进行索引迭代

当需要同时获取列表元素和其索引时，range(len(some_list)) 是一个常见模式，尽管 enumerate() 通常是更 Pythonic 的选择。

“`python
my_list = [“apple”, “banana”, “cherry”]

使用 range(len())

for i in range(len(my_list)):
print(f”索引 {i}: {my_list[i]}”)

输出:

索引 0: apple

索引 1: banana

索引 2: cherry

更推荐使用 enumerate()

for index, item in enumerate(my_list):
print(f”索引 {index}: {item}”)
“`

range() 的性能优势

range() 在 Python 3 中的实现是高度优化的。它是一个实现了 collections.abc.Sequence 抽象基类的不可变序列类型。这意味着：

• 内存效率: 它只存储 start, stop, step 这三个值，而不是整个序列。无论序列有多长，内存占用都是恒定的。
• 快速检查成员: 使用 in 运算符检查一个数字是否在 range 对象中是非常快速的操作，因为它不需要遍历整个序列。
  python
my_range = range(1_000_000_000)
print(500_000_000 in my_range) # True (非常快)
• 支持切片: range 对象也支持切片操作，返回一个新的 range 对象。
  python
r = range(100)
sliced_r = r[10:20:2]
print(sliced_r) # range(10, 20, 2)
print(list(sliced_r)) # [10, 12, 14, 16, 18]

Python 2 的 xrange() 与 Python 3 的 range()

在 Python 2 中，range() 会生成并返回一个完整的列表，这对于大型序列来说效率低下。为了解决这个问题，Python 2 引入了 xrange()，它返回一个迭代器，其行为类似于 Python 3 中的 range()。

在 Python 3 中，range() 的实现已经合并了 xrange() 的优化特性，因此 xrange() 不再存在，range() 直接提供了惰性生成序列的功能。这意味着在 Python 3 中，我们不需要担心 range() 的内存开销，可以放心地使用它。

总结

Python 的 range() 函数是一个强大而高效的工具，用于生成数字序列。它的灵活性（通过 start, stop, step 参数）和内存效率使其成为 for 循环和需要数字序列的场景的首选。通过深入理解 range() 的工作原理，开发者可以编写出更健壮、更高效的 Python 代码。

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