小白學 Python(21):生成器基礎

人生苦短,我選Python

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生成器

我們前面聊過了為什麼要使用迭代器,各位同學應該還有印象吧(說沒有的就太過分了)。

列表太大的話會佔用過大的內存,可以使用迭代器,只拿出需要使用的部分。

生成器的設計原則和迭代器是相似的,如果需要一個非常大的集合,不會將元素全部都放在這個集合中,而是將元素保存成生成器的狀態,每次迭代的時候返回一個值。

比如我們要生成一個列表,可以採用如下方式:

list1 = [x*x for x in range(10)]
print(list1)

結果如下:

[0, 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81]

如果我們生成的列表非常的巨大,比如:

list2 = [x*x for x in range(1000000000000000000000000)]

結果如下:

Traceback (most recent call last):
  File "D:/Development/Projects/python-learning/base-generator/Demo.py", line 3, in <module>
    list2 = [x*x for x in range(1000000000000000000000000)]
  File "D:/Development/Projects/python-learning/base-generator/Demo.py", line 3, in <listcomp>
    list2 = [x*x for x in range(1000000000000000000000000)]
MemoryError

報錯了,報錯信息提示我們存儲異常,並且整個程序運行了相當長一段時間。友情提醒,這麼大的列表創建請慎重,如果電腦配置不夠很有可能會將電腦卡死。

如果我們使用生成器就會非常方便了,而且執行速度嗖嗖的。

generator1 = (x*x for x in range(1000000000000000000000000))
print(generator1)
print(type(generator1))

結果如下:

<generator object <genexpr> at 0x0000014383E85B48>
<class 'generator'>

那麼,我們使用了生成器以後,怎麼讀取生成器生成的數據呢?

當然是和之前的迭代器一樣的拉,使用 next() 函數:

generator2 = (x*x for x in range(3))
print(next(generator2))
print(next(generator2))
print(next(generator2))
print(next(generator2))

結果如下:

Traceback (most recent call last):
  File "D:/Development/Projects/python-learning/base-generator/Demo.py", line 14, in <module>
    print(next(generator2))
StopIteration

直到最後,拋出 StopIteration 異常。

但是,這種使用方法我們並不知道什麼時候會迭代結束,所以我們可以使用 for 循環來獲取每生成器生成的具體的元素,並且使用 for 循環同時也無需關心最後的 StopIteration 異常。

generator3 = (x*x for x in range(5))
for index in generator3:
    print(index)

結果如下:

0
1
4
9
16

generator 非常的強大,本質上, generator 並不會取存儲我們的具體元素,它存儲是推算的算法,通過算法來推算出下一個值。

如果推算的算法比較複雜,用類似列表生成式的 for 循環無法實現的時候,還可以用函數來實現。

比如我們定義一個函數,emmmmmm,還是簡單點吧,大家領會精神:

def print_a(max):
    i = 0
    while i < max:
        i += 1
        yield i

a = print_a(10)
print(a)
print(type(a))

結果如下:

<generator object print_a at 0x00000278C6AA5CC8>
<class 'generator'>

這裏使用到了關鍵字 yieldyieldreturn 非常的相似,都可以返回值,但是不同的是 yield 不會結束函數。

我們調用幾次這個用函數創建的生成器:

print(next(a))
print(next(a))
print(next(a))
print(next(a))

結果如下:

1
2
3
4

可以看到,當我們使用 next() 對生成器進行一次操作的時候,會返回一次循環的值,在 yield 這裏結束本次的運行。但是在下一次執行 next() 的時候,會接着上次的斷點接着運行。直到下一個 yield ,並且不停的循環往複,直到運行至生成器的最後。

還有一種與 next() 等價的方式,直接看示例代碼吧:

print(a.__next__())
print(a.__next__())

結果如下:

5
6

接下來要介紹的這個方法就更厲害了,不僅能迭代,還能給函數再傳一個值回去:

def print_b(max):
    i = 0
    while i < max:
        i += 1
        args = yield i
        print('傳入參數為:' + args)

b = print_b(20)
print(next(b))
print(b.send('Python'))

結果如下:

1
傳入參數為:Python
2

上面講了這麼多,可能各位還沒想到生成器能有什麼具體的作用吧,這裏我來提一個——協程。

在介紹什麼是協程之前先介紹下什麼是多線程,就是在同一個時間內可以執行多個程序,簡單理解就是你平時可能很經常的一邊玩手機一邊聽音樂(毫無違和感)。

協程更貼切的解釋是流水線,比如某件事情必須 A 先做一步, B 再做一步,並且這兩件事情看起來要是同時進行的。

def print_c():
    while True:
        print('執行 A ')
        yield None
def print_d():
    while True:
        print('執行 B ')
        yield None

c = print_c()
d = print_d()
while True:
    c.__next__()
    d.__next__()

結果如下:

...
執行 A 
執行 B 
執行 A 
執行 B 
執行 A 
執行 B 
執行 A 
執行 B 
執行 A 
執行 B 
...

因為 while 條件設置的是永真,所以這個循環是不會停下來的。

這裏我們定義了兩個生成器,並且在一個循環中往複的調用這兩個生成器,這樣看起來就是兩個任務在同時執行。

最後的協程可能理解起來稍有難度,有問題可以在公眾號後台問我哦~~~

示例代碼

本系列的所有代碼小編都會放在代碼管理倉庫 Github 和 Gitee 上,方便大家取用。

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[UWP]使用CompositionAPI的翻轉動畫

1. 運行效果

在 這篇文章里我介紹了一個包含長陰影的番茄鍾,這個番茄鍾在狀態切換時用到了翻轉動畫,效果如上所示,還用到了彈簧動畫,可以看到翻轉後有點回彈。本來打算自己這個動畫效果寫的,但火火已經寫好了這個FlipSide控件,Github地址在,這篇文章就介紹下這個控件的部分原理。

2. TransformMatrix

Visual的 屬性是一個 的struct,它是應用於元素的轉換矩陣,可以進行動畫處理。它的默認值如下:

這時候動畫效果如下:

要使Visual可以正確旋轉需要按以下方式處理:

private void UpdateTransformMatrix(FrameworkElement element)
{
    var host = ElementCompositionPreview.GetElementVisual(element);
    var size = element.RenderSize.ToVector2();
    if (size.X == 0 || size.Y == 0) return;
    var n = -1f / size.X;

    Matrix4x4 perspective = new Matrix4x4(
        1.0f, 0.0f, 0.0f, 0.0f,
        0.0f, 1.0f, 0.0f, 0.0f,
        0.0f, 0.0f, 1.0f, n,
        0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);

    host.TransformMatrix =
        Matrix4x4.CreateTranslation(-size.X / 2, -size.Y / 2, 0f) *
        perspective *
        Matrix4x4.CreateTranslation(size.X / 2, size.Y / 2, 0f);
}

講真我也不明白為什麼要這麼寫,只知道是從微軟的 里抄的。每當SizeChanged事件發生時都需要調用這個函數重新設置TransformMatrix。

3. RotationAngleInDegrees

Visual包含兩個相似的屬性, 和 ,它們的定義如下:

//
// 摘要:
//     視覺對象的旋轉角度(以度為單位)。 可動畫處理。
//
// 返回結果:
//     The rotation angle of the visual in degrees.
public float RotationAngleInDegrees { get; set; }
//
// 摘要:
//     視覺對象的旋轉角度(以弧度為單位)。 可動畫處理。
//
// 返回結果:
//     The rotation angle in radians of the visual.
public float RotationAngle { get; set; }

這兩個屬性都用於控制Visua圍繞着RotationAxis和CenterPoint旋轉。在FlipSide這個控件里RotationAngleInDegrees比較適用:

float f1 = 0f, f2 = 0f;
if (IsFlipped)
{
    f1 = 180f;
    f2 = 360f;
    VisualStateManager.GoToState(this, "Slide2", false);
}
else
{
    f1 = 0f;
    f2 = 180f;
    VisualStateManager.GoToState(this, "Slide1", false);
}
if (springAnimation1 != null && springAnimation2 != null)
{
    springAnimation1.FinalValue = f1;
    springAnimation2.FinalValue = f2;
    s1Visual.StartAnimation("RotationAngleInDegrees", springAnimation1);
    s2Visual.StartAnimation("RotationAngleInDegrees", springAnimation2);
}

這段代碼用到了SpringAnimatin,所以有彈一下的效果。

4. RotationAxis

用於指定Visual旋轉的軸。FlipSide可以通過設置RotationAxis改變翻轉的角度,例如火火的Demo里使用根據鼠標改變RotationAxis:

private void OnFlipSidePointerReleased(object sender, PointerRoutedEventArgs e)
{
    var position = e.GetCurrentPoint(_FlipSide).Position;
    var v2 = (position.ToVector2() - _FlipSide.RenderSize.ToVector2() / 2);
    _FlipSide.Axis = new Vector2(-v2.Y, v2.X);
}

5. ExpressionAnimation

<controls:FlipSide x:Name="FlipSide" IsFlipped="True">
    <controls:FlipSide.Side1>
        <Grid Background="#FFE87A69" x:Name="InworkElement" CornerRadius="1">
            
        </Grid>
    </controls:FlipSide.Side1>
    <controls:FlipSide.Side2>
        <Grid Background="#FF5271c2" x:Name="BreakElement" CornerRadius="1">
            
        </Grid>
    </controls:FlipSide.Side2>
</controls:FlipSide>

上面XAML為FlipSide的調用代碼,它將Side1和Side2(這個命名超讓高達迷興奮)作為內容显示在UI上,當IsFlipped為False時显示Side1的內容,當IsFlipped為True時代表翻轉過去,此時显示Side2的內容。在翻轉動畫的過程中,何時隱藏Side1並显示Side2是個麻煩事。幸好UWP有強大的表達式動畫(ExpressionAnimation),FlipSide只用了下面幾句代碼處理這個問題:

s1Visual = ElementCompositionPreview.GetElementVisual(Side1Content);
s2Visual = ElementCompositionPreview.GetElementVisual(Side2Content);

var opacity1Animation = compositor.CreateExpressionAnimation("this.Target.RotationAngleInDegrees > 90 ? 0f : 1f");
var opacity2Animation = compositor.CreateExpressionAnimation("(this.Target.RotationAngleInDegrees - 180) > 90 ? 1f : 0f");

s1Visual.StartAnimation("Opacity", opacity1Animation);
s2Visual.StartAnimation("Opacity", opacity2Animation);

這段代碼的意思是當Side1的RotationAngleInDegrees大於90度時隱藏,否則显示;Side2則相反。其中,表達式中的this.Target表示使用這個表達式動畫的Vsual。

表達式動畫的話題很大,這篇文章就割愛了,可以參考下面給出的鏈接了解更多內容:

6. 結語

感謝火火提供了這個控件,讓我可以省下了不少功夫。其實我對TransformMatrix真的不理解,所以這部分只是用,沒辦法詳細介紹。而且我以前對UI里使用3D不感興趣,所以這方面真的沒法寫更多內容。期待火火為這方面補充一些博客。

7. 參考

8. 源碼

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安利一個繪製指引線的JS庫leader-line

前言

之前看到一篇推薦這個搜索引擎的新聞,對於這個搜索引擎是否好用咱們不予置評,但是我在這個搜索引擎上面發現了一個好玩的前端功能。

如上圖,將鼠標浮動到學習來源上時,會展示一堆指引線。

本博客的右側文章目錄也集成了這個功能,諸位可以玩一玩。

當時覺得這個功能很好玩,而且前端領域其實這種指引線還是有很多用處的,比如新手指引,功能指引,腦圖之類的功能。

鑒於以後很可能需要用到,當時就調試了一下這個網站,發現使用了這個庫。

然後百度了一下,發現網上也沒什麼人介紹這個庫,所以這裏寫個安利文吧。

LeaderLine

這個庫在Github上的介紹很簡單:

Draw a leader line in your web page.

意思就是在網頁上畫指引線。

使用起來也非常方便:

<script src="leader-line.min.js"></script>
<script>
  new LeaderLine(
    document.getElementById('start'),
    document.getElementById('end')
  );
</script>

new一個LeaderLine對象即可,只需要輸入兩個dom元素節點而已。

當然也可以輸入更多的參數來繪製各種各樣的指引線:

具體的使用方法可以去查看lead-line的,這裏就不贅述了。

而且這個庫本身就提供了hover繪製指引線的功能,並且能偏移起始點和結束點的位置,同時當起始點和結束點變動時,也可以實時調整指引線。

這兩個功能可以將鼠標hover到右側的文章目錄上,然後滾動鼠標輪來查看效果。

原理

這個庫的實現原理其實很簡單,根據提供的兩個dom元素,找到這兩個dom元素的位置,然後通過svg在body下繪製一條指引線。

這個庫雖然只是個js,但是在引入後會將一些樣式寫到一個id為leader-line-defs的svg元素內。

這些指引線使用了一個叫leader-line的樣式class,如果繪製指引線時出現遮擋情況,可以通過調整這個樣式class的z-index或者position來處理。

可以預想一下,這些指引線都是position:absolute的,因為position:fixed的元素在滾動時肯定會存在問題。

原理都講了,所以諸位請在頁面有fixed元素或者absolute元素時,仔細查看指引線是否會與這些元素產生遮擋。

示例代碼

這裏就以我博客右側目錄集成的指引線功能作為示例代碼:

// 生成目錄上的指引線
function createCatalogLeaderLine($h2Arr) { // $h2Arr是一個dom元素集合,注意不是數組哦
  // lines的目的是為了保留leader-line變量,方便重繪
  var lines = {};
  var options = {
    color: '#5bf', // 指引線顏色
    endPlug: "disc", // 指引線結束點的樣式
    size: 2, // 線條尺寸
    startSocket: "left", //在指引線開始的地方從元素左側開始
    endSocket: "right", //在指引線開始的地方從元素右側結束
    hide:true // 繪製時隱藏,默認為false,在初始化時可能會出現閃爍的線條
  };
  [].slice.call($h2Arr).forEach(function (item) {
    var anchor = LeaderLine.mouseHoverAnchor(document.getElementById('catalog' + item.id), 'draw', {
      // 指引線動效
      animOptions: {
        duration: 500
      },
      // 清除默認的hover樣式
      hoverStyle:{
        backgroundColor: null
      },
      // 起始點樣式,這裏為了清除默認樣式
      style: {
        paddingTop: null,
        paddingRight: null,
        paddingBottom: null,
        paddingLeft: null,
        cursor: null,
        backgroundColor: null,
        backgroundImage: null,
        backgroundSize: null,
        backgroundPosition: null,
        backgroundRepeat: null
      },
      // 當起始點被hover時調用的事件
      onSwitch: function (event) {
        var line = lines[item.id]
        // 浮動上去就重繪
        if (event.type == "mouseenter") {
          line.position();
        }
      }
    });
    lines[item.id] = new LeaderLine(
      anchor,
      document.getElementById(item.id),
      options
    );
  })
  // 滾動時重繪指引線
  $(window).scroll(function () {
    for (var key in lines) {
      lines[key].position()
    }
  })
}

其中LeaderLine.mouseHoverAnchor為leader-line提供的api,顧名思義即可。

代碼就不講了,關鍵點都有註釋。

總結

沒什麼好總結的,這裏發一個小吐槽。

其實我博客集成這個功能時,最開始是直接把這個庫的js複製粘貼到了博客園的自定義js代碼中,沒想到博客園這方面做了大小限制。

所以我就把Magi這個搜索引擎的引用地址拿來用了,萬一哪天這個搜索引擎不能用了或者js地址變了那麼我目錄的指引功能可能就掛了。

N年之後你看到這篇文章,也許功能失效了,到時候別忘了給我發個短消息提醒我一下。

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聚類——密度聚類DBSCAN

Clustering 聚類

密度聚類——DBSCAN

  前面我們已經介紹了兩種聚類算法:k-means和譜聚類。今天,我們來介紹一種基於密度的聚類算法——DBSCAN,它是最經典的密度聚類算法,是很多算法的基礎,擁有很多聚類算法不具有的優勢。今天,小編就帶你理解密度聚類算法DBSCAN的實質。

 

DBSCAN

 

基礎概念

    作為最經典的密度聚類算法,DBSCAN使用一組關於“鄰域”概念的參數來描述樣本分佈的緊密程度,將具有足夠密度的區域劃分成簇,且能在有噪聲的條件下發現任意形狀的簇。在學習具體算法前,我們先定義幾個相關的概念:

  • 鄰域:對於任意給定樣本x和距離ε,x的ε鄰域是指到x距離不超過ε的樣本的集合;

  • 核心對象:若樣本x的ε鄰域內至少包含minPts個樣本,則x是一個核心對象;

  • 密度直達:若樣本b在a的ε鄰域內,且a是核心對象,則稱樣本b由樣本x密度直達;

  • 密度可達:對於樣本a,b,如果存在樣例p1,p2,…,pn,其中,p1=a,pn=b,且序列中每一個樣本都與它的前一個樣本密度直達,則稱樣本a與b密度可達;

  • 密度相連:對於樣本a和b,若存在樣本k使得a與k密度可達,且k與b密度可達,則a與b密度相連。

 

光看文字是不是繞暈了?下面我們用一個圖來簡單表示上面的密度關係:

當minPts=3時,虛線圈表示ε鄰域,則從圖中我們可以觀察到:

  • x1是核心對象;

  • x2由x1密度直達;

  • x3由x1密度可達;

  • x3與x4密度相連。

為什麼要定義這些看上去差不多又容易把人繞暈的概念呢?其實ε鄰域使用(ε,minpts)這兩個關鍵的參數來描述鄰域樣本分佈的緊密程度,規定了在一定鄰域閾值內樣本的個數(這不就是密度嘛)。那有了這些概念,如何根據密度進行聚類呢?

DBSCAN聚類思想

  DBSCAN聚類的原理很簡單:由密度可達關係導出最大密度相連的樣本集合(聚類)。這樣的一個集合中有一個或多個核心對象,如果只有一個核心對象,則簇中其他非核心對象都在這個核心對象的ε鄰域內;如果是多個核心對象,那麼任意一個核心對象的ε鄰域內一定包含另一個核心對象(否則無法密度可達)。這些核心對象以及包含在它ε鄰域內的所有樣本構成一個類。

  那麼,如何找到這樣一個樣本集合呢?一開始任意選擇一個沒有被標記的核心對象,找到它的所有密度可達對象,即一個簇,這些核心對象以及它們ε鄰域內的點被標記為同一個類;然後再找一個未標記過的核心對象,重複上邊的步驟,直到所有核心對象都被標記為止。

  算法的思想很簡單,但是我們必須考慮一些細節問題才能產出一個好的聚類結果:

  • 首先對於一些不存在任何核心對象鄰域內的點,再DBSCAN中我們將其標記為離群點(異常);
  • 第二個是距離度量,如歐式距離,在我們要確定ε鄰域內的點時,必須要計算樣本點到所有點之間的距離,對於樣本數較少的場景,還可以應付,如果數據量特別大,一般採用KD樹或者球樹來快速搜索最近鄰,不熟悉這兩種方法的同學可以找相關文獻看看,這裏不再贅述;
  • 第三個問題是如果存在樣本到兩個核心對象的距離都小於ε,但這兩個核心對象不屬於同一個類,那麼該樣本屬於哪一個類呢?一般DBSCAN採用先來後到的方法,樣本將被標記成先聚成的類。

DBSCAN算法流程

DBSCAN算法小結

      之前我們學過了kmeans算法,用戶需要給出聚類的個數k,然而我們往往對k的大小無法確定。DBSCAN算法最大的優勢就是無需給定聚類個數k,且能夠發現任意形狀的聚類,且在聚類過程中能自動識別出離群點。那麼,我們在什麼時候使用DBSCAN算法來聚類呢?一般來說,如果數據集比較稠密且形狀非凸,用密度聚類的方法效果要好一些。

DBSCAN算法優點:

  1. 不需要事先指定聚類個數,且可以發現任意形狀的聚類;

  2. 對異常點不敏感,在聚類過程中能自動識別出異常點;

  3. 聚類結果不依賴於節點的遍歷順序;

DBSCAN缺點:

  1. 對於密度不均勻,聚類間分佈差異大的數據集,聚類質量變差;

  2. 樣本集較大時,算法收斂時間較長;

  3. 調參較複雜,要同時考慮兩個參數;

 

小結:

基於密度的聚類算法是廣為使用的算法,特別是對於任意形狀聚類以及存在異常點的場景。上面我們也提到了DBSCAN算法的缺點,但是其實很多研究者已經在DBSCAN的基礎上做出了改進,實現了多密度的聚類,針對海量數據的場景,提出了micro-cluster的結構來表徵距離近的一小部分點,減少存儲壓力和計算壓力…還有很多先進的密度聚類算法及其應用,相信看完這篇文章再去讀相關的論文會比較輕鬆。

 

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