理解for循环的运行机制

注： 本文是对《Python大学实用教程》和《跟老齐学Python：轻松入门》中关于for循环内容的提升。

在Python语言中，for循环非常强大，乃至于通常都不怎么提倡使用递归，所有遇到递归的时候，最好都改为for循环。对于初学者而言，for循环理解起来并不难，一般的入门读物中也都这么解释：

>>> lst = [0,1,2,3]
>>> for i in lst:
...     print(i)
...
0
1
2
3

变量 i依次引用列表list中的每个元素。比如我在自己的两本书《Python大学实用教程》和《跟老齐学Python：轻松入门》中，都是用这种方法对for循环进行了说明。

但是——转折了，非常重要——这种解释仅仅是就表象上向初学者做的解释，并没有揭示for循环的内在运行机制。

我在《Python大学实用教程》一书中，曾以下面的方式对for循环做了深入阐述（参阅190页）：

从这里我们知道，在进行 for循环的时候，其实是将被循环的对象转换为了可迭代对象——注意这个转换，非常重要。转换了之后，for循环是怎么运行的？在书中并没有深入讲解，下面我们就此给予介绍。

首先说明，本文内容的最主要参考或者说根据，就是Python语言的官方文档：https://docs.python.org/3/reference/compound_stmts.html#for，在这里对for循环语句有非常详细的说明。

for_stmt ::=  "for" target_list "in" expression_list ":" suite
              ["else" ":" suite]

按照上述文档中的说明，对于前面的示例，将列表lst=[0,1,2,3]作为for循环语句中的expression_list，即将其转化为可迭代对象，并且只转化一次，不妨用iter_lst表示这个可迭代对象。然后就依次将这个可迭代对象的元素读入内存，并按照顺序，依次赋值给target_list。注意，不论target_list是什么，都是将所读入的可迭代对象匀速依次赋值。

用上面循环语句示例理解这段话，其分解动作如下：

1. 将lst=[0,1,2,3]转换为可迭代对象，暂记作iter_lst。
2. 读入iter_lst的第一个元素0，并将它赋值给i（这里的i就对应着上面语法规则中的target_list）
   1. 于是有：i=0
   2. pirnt(i)，就打印出了0
3. 读入iter_lst的第二个元素1，并将它赋值给i
   1. 于是有：i=1
   2. print(i)，就打印出了1

，按照上面的过程不断重复，直到最后一个元素`4`为止——因为`for`循环语句能够自动捕获迭代到最后一个元素之后的异常，所以，`for`循环能够在到达最后一个元素之后，结束循环。$$

>>> iter_lst=iter(lst)

用内置函数iter()，依据列表lst创建了一个可迭代对象iter_lst。

>>> iter_lst=iter(lst)
>>> i = next(iter_lst)
>>> print(i)
0

这就完成了第一个循环。然后依次方式，向下循环：

# 第二个循环
>>> i = next(iter_lst)
>>> print(i)
1
# 第三个循环
>>> i = next(iter_lst)
>>> print(i)
2
# 第四个循环
>>> i = next(iter_lst)
>>> print(i)
3
# 到最后一个元素后面，抛出异常
>>> i = next(iter_lst)
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
StopIteration

上面的演示，如果连贯起来，就是for循环——貌似没有什么奇怪的。

下面就要见证奇迹了。

经过上述操作之后，列表lst并没有发生变化——好像是废话。

>>> lst
[0, 1, 2, 3]

勿要着急，伟大总是孕育在平凡之中。

>>> iter_lst=iter(lst)
>>> i = next(iter_lst)
>>> print(i)
0
>>> lst
[0, 1, 2, 3]

完成第一循环，跟前面一样，并且在此时，查看了一下列表lst，没有变化。但是，我在这里做一个操作：

>>> lst[1]=111
>>> lst
[0, 111, 2, 3]

此时，将列表中序号为1的元素值修改为111，即lst[1]=111。如果按照读取可迭代对象的顺序，按照原来的流程，是要读取第二个元素1了，但是，在读取之间，我将列表中的第二个元素修改为111，那么，如果再进行下面的操作：

>>> i = next(iter_lst)

读取了可迭代对象的第二个元素，并把它赋值给变量i，此时，它是1还是111呢？

看结果：

>>> print(i)
111

不是1，而是111。再详细循环，就跟前述过程一样了。

这说明，如果将列表lst转换为可迭代对象之后，这个可迭代对象中的元素是对lst中元素的引用，并不是在可迭代对象中建立一套新的对象。

理解了上面的道理，看下面的操作，是不是能够解释？

>>> a = ['python', 'java', 'c', 'rust']
>>> iter_a = iter(a)
>>> a[1] = next(iter_a)
>>> a
['python', 'python', 'c', 'rust']

关键的一句是a[1] = next(iter_a)。next(iter_a)得到了迭代器对象的第一个元素'python'，并且将它赋值给a[1]，这样，列表a中的索引是1的元素就变成了'python'，即原来的'java'被替换为'python'了。

>>> a[1] = next(iter_a)
>>> a
['python', 'python', 'c', 'rust']

继续读取可迭代对象的第二个元素'python'。

>>> a[1] = next(iter_a)
>>> a
['python', 'c', 'c', 'rust']

继续读取可迭代对象的第三个元素'c'，在赋值给a[1]，也就是列表a中的索引是1的元素变成了'c'。

>>> a[1] = next(iter_a)
>>> a
['python', 'rust', 'c', 'rust']

这次a[1]='rust'，根据前面的说明，应该容易理解了。

>>> a[1] = next(iter_a)
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
StopIteration

最后报异常了。如果将上述过程，写成for循环，是这样的：

>>> a = ['python', 'java', 'c', 'rust']
>>> for a[1] in a:
...     print(a, a[1])
...
(['python', 'python', 'c', 'rust'], 'python')
(['python', 'python', 'c', 'rust'], 'python')
(['python', 'c', 'c', 'rust'], 'c')
(['python', 'rust', 'c', 'rust'], 'rust')

上面循环语句中的a[1]就如同前面演示的i那样，都是循环语法结构中的target_list，只不过这里出了要完成赋值之外，还要同时实现对列表a中索引是1的元素修改，即实现上面分解动作中a[1] = next(iter_a)。

似乎这里使用a[1]有点怪异。的确，在通常操作中很少这么做的。不过，上面的做法，倒是能让我们对for循环有了深刻理解。

理解了本文所介绍的内容，就不难回答stackoverflow上的一个问题了（https://stackoverflow.com/questions/55644201/why-can-i-use-a-list-index-as-an-indexing-variable-in-a-for-loop）：

>>> b = [0,1,2,3]
>>> for b[-1] in b:
...     print(b[-1])
...
0
1
2
2

是否能自己解释这个结果？