itertools 模块中常用函数的使用场景-Python教程-PHP中文网

itertools是Python中用于高效处理迭代器的工具库，其核心在于惰性求值和内存优化，适用于大规模数据或无限序列处理。它提供三类主要函数：无限迭代器（如count、cycle、repeat）用于生成无限序列；序列终止迭代器（如chain、islice、groupby）实现多个可迭代对象的串联、切片及分组；组合生成器（如product、permutations、combinations）则用于生成笛卡尔积、排列和组合。这些工具不仅提升代码简洁性与可读性，还通过C语言实现保证高性能，广泛应用于数据处理、算法设计（如路径搜索、状态探索）和数据分析（如特征工程、模式识别），尤其在处理大数据流时，借助islice、takewhile等函数实现高效内存使用，是构建高效迭代逻辑的“瑞士军刀”。

itertools 模块中常用函数的使用场景

itertools

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模块在 Python 里，说实话，我觉得它就是个宝藏，一个专门用来高效处理迭代器的标准库。它提供了一系列构建复杂迭代器的工具，这些工具不仅能节省内存，还能让你的代码写得更优雅、更“Pythonic”。在我看来，它就是那种你一旦掌握了，就再也回不去以前那种写循环方式的利器。它不是万能的，但它解决的问题，往往是那些用普通循环写起来既笨重又低效的场景。

itertools

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的核心价值在于其惰性求值（lazy evaluation）的特性，这意味着它只在你真正需要时才生成下一个元素，而不是一次性把所有结果都计算出来并存储在内存中。这对于处理大规模数据或者无限序列时，简直是救命稻草。

解决方案

itertools

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模块中的函数大致可以分为几类：无限迭代器、终止于最短输入序列的迭代器、组合生成器。我们来挑几个我个人觉得最常用、最有代表性的来聊聊它们的具体应用场景。

1. 无限迭代器：

count

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,
cycle
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,
repeat
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```
itertools.count(start=0, step=1)
```
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: 生成一个从
```
start
```
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开始，每次递增
```
step
```
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的无限序列。
- 场景: 我经常用它来生成唯一的 ID，或者在需要一个无限增长的计数器时。比如，模拟一个事件流，给每个事件一个递增的序列号。
```
import itertools
```
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生成从10开始，每次加2的序列

for i in itertools.count(10, 2):

if i > 20:

break

print(i) # 输出 10, 12, 14, 16, 18, 20
```
这里我注释掉了无限循环的部分，因为实际使用中你总得有个终止条件。
```
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```
itertools.cycle(iterable)
```
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: 对一个可迭代对象进行无限循环。
- 场景: 想象一下，你有一组预设的颜色，需要轮流分配给不同的图表元素；或者在负载均衡时，需要轮流选择不同的服务器。
```
import itertools
```
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colors = ['red', 'green', 'blue'] color_picker = itertools.cycle(colors)

for _ in range(7): # 模拟7个元素需要颜色

print(next(color_picker))

输出 red, green, blue, red, green, blue, red
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```
itertools.repeat(object, times=None)
```
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: 重复生成一个对象。如果
```
times
```
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指定了，就重复
```
times
```
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次；否则，无限重复。
- 场景: 当你需要一个常量值重复多次时，比如初始化一个列表，或者给多个任务分配同一个默认配置。
```
import itertools
```
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重复一个值5次

print(list(itertools.repeat('Hello', 5))) # 输出 ['Hello', 'Hello', 'Hello', 'Hello', 'Hello']
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2. 终止于最短输入序列的迭代器：

chain

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,
islice
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,
groupby
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*`itertools.chain(iterables)`**: 将多个可迭代对象串联起来，形成一个单一的迭代器。
- 场景: 我发现这个在处理来自不同源但结构相似的数据时特别好用。比如，从几个日志文件读取数据，或者合并不同数据库查询的结果。它避免了先将所有数据加载到内存中再合并的开销。
```
import itertools
```
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list1 = [1, 2, 3] tuple1 = ('a', 'b') set1 = {4, 5} chained_iter = itertools.chain(list1, tuple1, set1) print(list(chained_iter)) # 输出 [1, 2, 3, 'a', 'b', 4, 5] (set的顺序可能不同)
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```
itertools.islice(iterable, start, stop=None, step=1)
```
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: 对迭代器进行切片。和列表切片语法类似，但它适用于任何迭代器，而且是惰性求值的。
- 场景: 当你处理一个非常大的文件或数据库查询结果时，只想要其中的一部分数据，而不是全部加载。这简直是大数据处理的必备技能。
```
import itertools
```
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data = range(1000000) # 模拟一个非常大的数据集

只取前5个元素

print(list(itertools.islice(data, 5))) # 输出 [0, 1, 2, 3, 4]

从索引10开始，到20结束（不包含），步长为2

print(list(itertools.islice(data, 10, 20, 2))) # 输出 [10, 12, 14, 16, 18]
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```
itertools.groupby(iterable, key=None)
```
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: 将连续的具有相同
```
key
```
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的元素分组。
- 场景: 这个函数在我做数据分析时出镜率很高。比如，你有一份按日期排序的日志，想按天统计；或者一份学生名单，想按班级分组。需要注意的是，
```
groupby
```
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  只对“连续”相同的元素进行分组，所以通常在使用前需要先对数据进行排序。
```
import itertools
```
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data = [ {'name': 'Alice', 'grade': 'A'}, {'name': 'Bob', 'grade': 'B'}, {'name': 'Charlie', 'grade': 'A'}, {'name': 'David', 'grade': 'A'}, {'name': 'Eve', 'grade': 'B'}, ]

假设数据已经按grade排序，这里为了演示手动排序

data.sort(key=lambda x: x['grade'])

排序后: [{'name': 'Alice', 'grade': 'A'}, {'name': 'Charlie', 'grade': 'A'}, {'name': 'David', 'grade': 'A'}, {'name': 'Bob', 'grade': 'B'}, {'name': 'Eve', 'grade': 'B'}]

for grade, students in itertools.groupby(data, key=lambda x: x['grade']): print(f"Grade {grade}:") for student in students: print(f" - {student['name']}")

输出:

Grade A:

- Alice

- Charlie

- David

Grade B:

- Bob

- Eve
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3. 组合生成器：

product

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,
permutations
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,
combinations
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*`itertools.product(iterables, repeat=1)`**: 计算多个可迭代对象的笛卡尔积。
- 场景: 当你需要生成所有可能的组合时，比如生成密码的所有可能字符组合，或者在测试中生成所有参数组合。
```
repeat
```
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  参数可以让你对单个可迭代对象进行多次笛卡尔积。
```
import itertools
```
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colors = ['red', 'blue'] sizes = ['S', 'M', 'L']

所有颜色和尺寸的组合

print(list(itertools.product(colors, sizes)))

输出: [('red', 'S'), ('red', 'M'), ('red', 'L'), ('blue', 'S'), ('blue', 'M'), ('blue', 'L')]

密码组合，假设密码是两位数字

print(list(itertools.product('01', repeat=2)))

输出: [('0', '0'), ('0', '1'), ('1', '0'), ('1', '1')]
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```
itertools.permutations(iterable, r=None)
```
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: 生成可迭代对象中所有长度为
```
r
```
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的排列（元素顺序敏感）。
- 场景: 解决需要考虑元素顺序的问题，比如生成所有可能的团队成员排班顺序，或者在算法竞赛中探索所有可能的路径。
```
import itertools
```
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items = ['A', 'B', 'C']

所有长度为2的排列

print(list(itertools.permutations(items, 2)))

输出: [('A', 'B'), ('A', 'C'), ('B', 'A'), ('B', 'C'), ('C', 'A'), ('C', 'B')]
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```
itertools.combinations(iterable, r)
```
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: 生成可迭代对象中所有长度为
```
r
```
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的组合（元素顺序不敏感）。
- 场景: 当你只需要选择一组元素，而不在乎它们的排列顺序时。例如，从一组候选人中选出几位组成委员会，或者从一副牌中选择特定的牌型。
```
import itertools
```
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items = ['A', 'B', 'C', 'D']

所有长度为2的组合

print(list(itertools.combinations(items, 2)))

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输出: [('A', 'B'), ('A', 'C'), ('A', 'D'), ('B', 'C'), ('B', 'D'), ('C', 'D')]
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好了，聊了这么多基础的，我们再深入一点看看它在更复杂场景下的表现。

为什么说

itertools

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是 Python 迭代的“瑞士军刀”？

我个人觉得“瑞士军刀”这个比喻非常贴切，因为它真的集合了太多小巧但功能强大的工具。它的强大之处，远不止于代码行数的减少，更在于它改变了我们处理序列和循环的方式。

首先，内存效率是它最大的亮点。传统的列表操作，比如

[x for x in data if condition(x)]

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，会立即创建一个新的列表来存储所有符合条件的元素。如果

data

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非常大，这可能会导致内存爆炸。

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的函数，例如

filterfalse

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（虽然上面没细说，但也是个好例子），返回的都是迭代器，它们只在需要时才计算下一个值。这意味着你可以处理远超内存容量的数据集，这对于日志分析、大数据流处理来说，简直是核心能力。

其次，它的性能非常出色。

itertools

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模块的底层是用 C 语言实现的，这意味着它的执行速度比纯 Python 编写的等效循环要快得多。在需要高性能迭代的场景，比如科学计算或实时数据处理中，这一点至关重要。

再者，它极大地提高了代码的可读性和简洁性。很多复杂的循环逻辑，比如组合、排列、分组，用普通的

for

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循环写起来会非常冗长且容易出错。

itertools

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提供的高级抽象，让你能用一行代码表达复杂的迭代模式，让代码意图更清晰。这就像是把一堆散乱的零件组装成了一个精密的工具，而不是每次都从零开始搭。

最后，它鼓励一种函数式编程的思维方式。通过链式调用

itertools

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的函数，你可以构建出强大的数据处理管道，将数据看作是在一系列转换中流动的。这种声明式的风格，往往比命令式的循环更易于理解和维护。

在处理大数据流时，

itertools

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如何帮助我们优化内存使用？

在处理大数据流时，内存优化绝对是个核心挑战。

itertools

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在这方面表现得非常突出，主要是因为它坚持了惰性求值的原则。它不像列表那样一次性把所有数据都加载到内存里，而是像水龙头一样，你什么时候拧开，它才什么时候出水。

想象一下，你有一个 TB 级别的日志文件，你只想筛选出其中某些错误信息，并只看前 100 条。如果用传统方法，你可能会先读取整个文件到内存（这显然不行），或者逐行读取并存储所有符合条件的行到一个新列表，直到达到 100 条。但即使是这样，中间也可能积累大量的临时数据。

itertools

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提供了更优雅的解决方案：

itertools.islice()

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的妙用：这是我处理大文件时最常用的一个。它允许你像切片列表一样切片任何迭代器，但它不会创建中间列表。你只告诉它你想要从哪里到哪里，它就只会从源迭代器中取出那些需要的部分，而不会加载其他数据。

import itertools
import time

# 模拟一个无限大的数据流，比如日志文件或传感器数据
def big_data_stream():
    i = 0
    while True:
        # 模拟一些计算或IO延迟
        # time.sleep(0.001)
        yield f"Log entry {i}"
        i += 1

# 我只想看第10000条到第10010条日志
# 注意：这里不会生成前面的9999条数据到内存，只是跳过
for entry in itertools.islice(big_data_stream(), 10000, 10010):
    print(entry)
# 输出 Log entry 10000 到 Log entry 10009

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你看，我并没有把前面一万条日志都存起来，

islice

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只是“跳”过去了。

```
itertools.takewhile()
```
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和
itertools.dropwhile()
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：这两个函数可以根据一个条件智能地“截取”或“跳过”数据流。
```
takewhile
```
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会一直取元素，直到条件不再满足；
```
dropwhile
```
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则会一直丢弃元素，直到条件不再满足，然后从那里开始取走所有剩下的元素。这对于处理带有特定标记或分隔符的数据流非常有用，你不需要预先加载所有数据来找到这些标记。
```
itertools.chain()
```
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的串联能力：当你的数据分散在多个文件或多个数据源时，
```
chain
```
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可以把它们“链接”成一个单一的迭代器。这意味着你不需要把所有文件内容都读到内存中再合并成一个大列表，而是可以按顺序一个接一个地处理它们，每次只处理当前文件或数据源的数据。

这些函数共同构成了

itertools

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在内存优化方面的核心能力，让 Python 在处理大数据时也能保持高效和优雅。

itertools

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在算法设计和数据分析中有哪些不为人知的妙用？

除了日常的数据处理，

itertools

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在算法设计和数据分析领域也隐藏着不少“杀手锏”，有些用法可能不是那么显而易见，但一旦掌握，能极大提升解决问题的效率和代码的简洁性。

1. 算法设计中的组合与探索

路径搜索与图算法：在图算法中，我们经常需要探索节点之间的所有可能路径。虽然
```
itertools.permutations
```
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直接用于大规模图会非常低效（因为排列组合数量爆炸），但对于小规模的子问题或者作为启发式算法的起点，它能快速生成所有可能的节点访问顺序。例如，一个简单的旅行商问题（TSP）的暴力解法，就是通过
```
permutations
```
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来尝试所有城市访问顺序。
```
import itertools

cities = ['A', 'B', 'C']
# 探索所有可能的城市访问顺序
for path in itertools.permutations(cities):
    print(f"Path: {' -> '.join(path)}")
# Path: A -> B -> C
# Path: A -> C -> B
# ...
```
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状态空间探索：在一些决策或游戏算法中，你需要探索所有可能的状态转换。
```
itertools.product
```
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可以帮助你生成所有可能的操作组合，从而模拟下一步的所有可能结果。比如，一个棋盘游戏，你可以用
```
product
```
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结合每个棋子的可能移动来生成所有合法走法。
密码学与暴力破解（学习目的）：在学习密码学时，
```
product
```
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可以用来生成所有可能的密码组合，从而理解暴力破解的原理和计算复杂性。

2. 数据分析中的特征工程与模式识别

生成交互特征：在机器学习的特征工程阶段，我们有时需要创建现有特征之间的交互项。

itertools.combinations

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可以非常方便地生成所有两两（或更多）特征的组合，然后你可以计算它们的乘积、差值等作为新的特征。

import itertools
import pandas as pd

data = pd.DataFrame({
    'feature_A': [1, 2, 3],
    'feature_B': [4, 5, 6],
    'feature_C': [7, 8, 9]
})

# 生成所有两两特征组合
for f1, f2 in itertools.combinations(data.columns, 2):
    data[f'{f1}_x_{f2}'] = data[f1] * data[f2]

print(data)
# 输出 DataFrame 包含了 A*B, A*C, B*C 等新特征

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模式识别与序列分析：
```
itertools.groupby
```
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结合
```
itertools.pairwise
```
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(Python 3.10+) 或手动实现的滑动窗口，可以在时间序列数据中识别连续出现的模式。比如，识别连续上涨的股票价格、连续出现的用户行为序列等。
数据清洗与验证：当你需要验证数据集中的某些属性是否满足特定模式时，
```
itertools
```
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的组合生成器可以帮助你生成所有预期的模式，然后与实际数据进行比对。