Как устроен range в Python?

Как устроен range в Python?

range() — это встроенный тип данных в Python, который представляет неизменяемую последовательность целых чисел. Вопреки частому заблуждению, это не список, а специальный объект, который генерирует числа по требованию.

Структура и принцип работы

range — это итерируемый объект, который хранит только три параметра: start, stop и step. Сами числа не генерируются заранее; они создаются на лету при итерации. Это ключевая фишка, обеспечивающая эффективность:

# Все эти варианты создают объект range, а не список
r1 = range(10)           # от 0 до 9
r2 = range(2, 10)        # от 2 до 9
r3 = range(0, 10, 2)     # от 0 до 8 с шагом 2
r4 = range(10, 0, -1)    # от 10 до 1, в обратном порядке

print(r1)  # range(0, 10)
print(type(r1))  # <class "range">

Ленивое вычисление

Это ленивая (lazy) последовательность. Числа вычисляются только при обращении:

# Создание range НЕ использует память для хранения всех чисел
big_range = range(1000000000)  # можно создать без проблем
print(sys.getsizeof(big_range))  # только 48 байт!

# А вот список потребует миллиарды байт
big_list = list(range(1000000000))  # MemoryError!

Внутренние параметры

Кажды объект range содержит:

class range:
    def __init__(self, start, stop=None, step=1):
        # start, stop, step хранятся как атрибуты
        # При stop=None, значение start становится stop, а start=0

Отсюда сложность:

range(5)      # start=0, stop=5, step=1
range(2, 5)   # start=2, stop=5, step=1
range(0, 10, 3)  # start=0, stop=10, step=3

Методы доступа

range поддерживает индексацию и срезы без конвертации в список:

r = range(10)
print(r[0])    # 0
print(r[5])    # 5
print(r[-1])   # 9
print(len(r))  # 10
print(5 in r)  # True - O(1) операция!

# Проверка принадлежности работает через формулу,
# а не перебором (как в списке)

Итерация

Для итерации используется __iter__() и __next__():

for num in range(5):
    print(num)

# Эквивалентно:
it = iter(range(5))  # создаёт объект-итератор
while True:
    try:
        print(next(it))
    except StopIteration:
        break

Производительность

Вот почему range мощнее списка:

import sys

# range занимает константное место в памяти
print(sys.getsizeof(range(1000000)))  # ~48 байт

# список занимает линейное место
print(sys.getsizeof(list(range(1000000))))  # ~9 мегабайт

# Проверка принадлежности O(1) для range, O(n) для списка
rng = range(10000000)
print(9999999 in rng)  # быстро

lst = list(range(10000000))
print(9999999 in lst)  # медленнее

Практическое применение

# Эффективные циклы
for i in range(1000000):  # не создаёт список
    print(i)

# Двойная итерация
for i in range(3):
    for j in range(3):
        print(f"({i}, {j})")

# Обратный порядок
for i in range(10, 0, -1):
    print(i)  # 10, 9, 8, ..., 1

range — это элегантное решение Python для оптимизации памяти при работе с последовательностями целых чисел. Это один из примеров, почему Python так популярен в Data Science — встроенные типы хорошо оптимизированы.