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5. 数据结构

本章详细讲述你已经学过的一些知识,并增加一些新内容。

5.1. 详解列表

列表数据类型还有更多的方法。这里是列表对象方法的清单:

list.append(x)
添加一个元素到列表的末尾。相当于a[len(a):] = [x]。

list.extend(L)
将给定列表L中的所有元素附加到原列表a的末尾。相当于a[len(a):] = L。

list.insert(i, x)
在给定位置插入一个元素。第一个参数是准备插入到其前面的那个元素的索引,所以 a.insert(0, x) 在列表的最前面插入,a.insert(len(a), x) 相当于 a.append(x)。

list.remove(x)
删除列表中第一个值为 x 的元素。如果没有这样的元素将会报错。

list.pop([i])
删除列表中给定位置的元素并返回它。如果未指定索引,a.pop() 删除并返回列表中的最后一个元素。(i 两边的方括号表示这个参数是可选的,而不是要你输入方括号。你会在 Python 参考库中经常看到这种表示法)。

list.clear()
删除列表中所有的元素。相当于del a[:]。

list.index(x)
返回列表中第一个值为 x 的元素的索引。如果没有这样的元素将会报错。

list.count(x)
返回列表中 x 出现的次数。

list.sort(cmp=None, key=None, reverse=False)
原地排序列表中的元素。

list.reverse()
反转列表中的元素。相当于[::-1]

list.copy()
返回列表的一个浅拷贝。等同于a[:]。

使用了列表大多数方法的例子:

>>> a = [66.25, 333, 333, 1, 1234.5]
>>> print(a.count(333), a.count(66.25), a.count('x'))
2 1 0
>>> a.insert(2, -1)
>>> a.append(333)
>>> a
[66.25, 333, -1, 333, 1, 1234.5, 333]
>>> a.index(333)
1
>>> a.remove(333)
>>> a
[66.25, -1, 333, 1, 1234.5, 333]
>>> a.reverse()
>>> a
[333, 1234.5, 1, 333, -1, 66.25]
>>> a.sort()
>>> a
[-1, 1, 66.25, 333, 333, 1234.5]
>>> a.pop()
1234.5
>>> a
[-1, 1, 66.25, 333, 333]

你可能已经注意到像insert, remove 或者 sort之类的方法只修改列表而没有返回值打印出来 -- 它们其实返回了默认值None。[1]这是 Python 中所有可变数据结构的设计原则。

5.1.1. 将列表作为堆栈使用

列表方法使得将列表当作堆栈非常容易,最先进入的元素最后一个取出(后进先出)。使用 append() 将元素添加到堆栈的顶部。使用不带索引的 pop() 从堆栈的顶部取出元素。例如:

>>> stack = [3, 4, 5]
>>> stack.append(6)
>>> stack.append(7)
>>> stack
[3, 4, 5, 6, 7]
>>> stack.pop()
7
>>> stack
[3, 4, 5, 6]
>>> stack.pop()
6
>>> stack.pop()
5
>>> stack
[3, 4]

5.1.2. 将列表当作队列使用

也可以将列表当作队列使用,此时最先进入的元素第一个取出(先进先出);但是列表用作此目的效率不高。在列表的末尾添加和弹出元素非常快,但是在列表的开头插入或弹出元素却很慢 (因为所有的其他元素必须向左移一位)。

如果要实现一个队列,可以使用 collections.deque,它设计的目的就是在两端都能够快速添加和弹出元素。例如:

>>> from collections import deque
>>> queue = deque(["Eric", "John", "Michael"])
>>> queue.append("Terry") # Terry arrives
>>> queue.append("Graham") # Graham arrives
>>> queue.popleft() # The first to arrive now leaves
'Eric'
>>> queue.popleft() # The second to arrive now leaves
'John'
>>> queue # Remaining queue in order of arrival
deque(['Michael', 'Terry', 'Graham'])

5.1.3. 列表解析

列表解析提供了一个生成列表的简洁方法。应用程序通常会从一个序列的每个元素的操作结果生成新的列表,或者生成满足特定条件的元素的子序列。

例如,假设我们想要创建一个列表 squares:

>>> squares = []
>>> for x in range(10):
... squares.append(x**2)
...
>>> squares
[0, 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81]

注意这个for循环中的被创建(或被重写)的名为x的变量在循环完毕后依然存在。使用如下方法,我们可以计算squares的值而不会产生任何的副作用:

squares = list(map(lambda x: x**2, range(10)))

或者,等价地:

squares = [x**2 for x in range(10)]

上面这个方法更加简明且易读.

列表解析由括号括起来,括号里面包含一个表达式,表达式后面跟着一个for语句,后面还可以接零个或更多的 ?forif 语句。结果是一个新的列表,由表达式依据其后面的 forif 字句上下文计算而来的结果构成。例如,下面的 listcomp 组合两个列表中不相等的元素:

>>> [(x, y) for x in [1,2,3] for y in [3,1,4] if x != y]
[(1, 3), (1, 4), (2, 3), (2, 1), (2, 4), (3, 1), (3, 4)]

它等效于:

>>> combs = []
>>> for x in [1,2,3]:
... for y in [3,1,4]:
... if x != y:
... combs.append((x, y))
...
>>> combs
[(1, 3), (1, 4), (2, 3), (2, 1), (2, 4), (3, 1), (3, 4)]

注意在两个代码段中forif 语句的顺序是相同的。

如果表达式是一个元组(例如前面示例中的 (x, y)),它必须带圆括号。

>>> vec = [-4, -2, 0, 2, 4]
>>> # create a new list with the values doubled
>>> [x*2 for x in vec]
[-8, -4, 0, 4, 8]
>>> # filter the list to exclude negative numbers
>>> [x for x in vec if x >= 0]
[0, 2, 4]
>>> # apply a function to all the elements
>>> [abs(x) for x in vec]
[4, 2, 0, 2, 4]
>>> # call a method on each element
>>> freshfruit = [' banana', ' loganberry ', 'passion fruit ']
>>> [weapon.strip() for weapon in freshfruit]
['banana', 'loganberry', 'passion fruit']
>>> # create a list of 2-tuples like (number, square)
>>> [(x, x**2) for x in range(6)]
[(0, 0), (1, 1), (2, 4), (3, 9), (4, 16), (5, 25)]
>>> # the tuple must be parenthesized, otherwise an error is raised
>>> [x, x**2 for x in range(6)]
File "<stdin>", line 1, in ?
[x, x**2 for x in range(6)]
^
SyntaxError: invalid syntax
>>> # flatten a list using a listcomp with two 'for'
>>> vec = [[1,2,3], [4,5,6], [7,8,9]]
>>> [num for elem in vec for num in elem]
[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

列表解析可以包含复杂的表达式和嵌套的函数:

>>> from math import pi
>>> [str(round(pi, i)) for i in range(1, 6)]
['3.1', '3.14', '3.142', '3.1416', '3.14159']

5.1.4. 嵌套的列表解析

列表解析中的第一个表达式可以是任何表达式,包括列表解析。

考虑下面由三个长度为 4 的列表组成的 3x4 矩阵:

>>> matrix = [
... [1, 2, 3, 4],
... [5, 6, 7, 8],
... [9, 10, 11, 12],
... ]

下面的列表解析将转置行和列:

>>> [[row[i] for row in matrix] for i in range(4)]
[[1, 5, 9], [2, 6, 10], [3, 7, 11], [4, 8, 12]]

正如我们在上一节中看到的,嵌套的 listcomp 在跟随它之后的for 字句中计算,所以此例等同于:

>>> transposed = []
>>> for i in range(4):
... transposed.append([row[i] for row in matrix])
...
>>> transposed
[[1, 5, 9], [2, 6, 10], [3, 7, 11], [4, 8, 12]]

以此下去,还等同于:

>>> transposed = []
>>> for i in range(4):
... # the following 3 lines implement the nested listcomp
... transposed_row = []
... for row in matrix:
... transposed_row.append(row[i])
... transposed.append(transposed_row)
...
>>> transposed
[[1, 5, 9], [2, 6, 10], [3, 7, 11], [4, 8, 12]]

在实际中,与复杂的控制流比起来,你应该更喜欢内置的函数。针对这种场景,使用 zip() 函数会更好:

>>> list(zip(*matrix))
[(1, 5, 9), (2, 6, 10), (3, 7, 11), (4, 8, 12)]

关于本行中使用的星号的说明,请参阅参数列表的分拆

5.2. del语句

有个方法可以从列表中按索引而不是值来删除一个元素: del 语句。这不同于有返回值的 pop() 方法。 del 语句还可以用于从列表中删除切片或清除整个列表 (我们是将空列表赋值给切片)。例如:

>>> a = [-1, 1, 66.25, 333, 333, 1234.5]
>>> del a[0]
>>> a
[1, 66.25, 333, 333, 1234.5]
>>> del a[2:4]
>>> a
[1, 66.25, 1234.5]
>>> del a[:]
>>> a
[]

del 也可以用于删除整个变量:

>>> del a

此后再引用名称 a 将会报错(直到有另一个值被赋给它)。稍后我们将看到 del 的其它用途 。

5.3. 元组和序列

我们已经看到列表和字符串具有很多共同的属性,如索引和切片操作。它们是 序列 数据类型的两个例子(参见 Sequence Types — list, tuple, range)。因为 Python 是一个正在不断进化的语言,其他的序列类型也可能被添加进来。还有另一种标准序列数据类型:元组

元组由逗号分割的若干值组成,例如:

>>> t = 12345, 54321, 'hello!'
>>> t[0]
12345
>>> t
(12345, 54321, 'hello!')
>>> # Tuples may be nested:
... u = t, (1, 2, 3, 4, 5)
>>> u
((12345, 54321, 'hello!'), (1, 2, 3, 4, 5))
>>> # Tuples are immutable:
... t[0] = 88888
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: 'tuple' object does not support item assignment
>>> # but they can contain mutable objects:
... v = ([1, 2, 3], [3, 2, 1])
>>> v
([1, 2, 3], [3, 2, 1])

如你所见,元组在输出时总是有括号的,以便于正确表达嵌套结构;在输入时括号可有可无,不过括号经常都是必须的(如果元组是一个更大的表达式的一部分)。不能给元组中单独的一个元素赋值,不过可以创建包含可变对象(例如列表)的元组。

虽然元组看起来类似于列表,它们经常用于不同的场景和不同的目的。元组是不可变的,通常包含不同种类的元素并通过分拆(参阅本节后面的内容) 或索引访问(如果是namedtuples,甚至可以通过属性)。列表是 可变 的,它们的元素通常是相同类型的并通过迭代访问。

一个特殊的情况是构造包含 0 个或 1 个元素的元组:为了实现这种情况,语法上有一些奇怪。空元组由一对空括号创建;只有一个元素的元组由值后面跟随一个逗号创建 (在括号中放入单独一个值还不够)。丑陋,但是有效。例如:

>>> empty = ()
>>> singleton = 'hello', # <-- note trailing comma
>>> len(empty)
0
>>> len(singleton)
1
>>> singleton
('hello',)

语句t = 12345, 54321, 'hello!' 是一个元组封装的例子: 值12345, 54321'hello!' 被一起放入一个元组。其逆操作也是可以的:

>>> x, y, z = t

这被称为 序列分拆 再恰当不过了,且可以用于右边的任何序列。序列分拆要求等号左侧的变量和序列中的元素的数目相同。注意多重赋值只是同时进行元组封装和序列分拆。

5.4. 集合

Python 还包含了一个数据类型 集合。集合中的元素不会重复且没有顺序。集合的基本用途包括成员测试和消除重复条目。集合对象还支持并集、 交集、 差和对称差等数学运算。

花大括号或 set() 函数可以用于创建集合。注意: 若要创建一个空集必须使用set(),而不能用 {};后者将创建一个空的字典,我们会在下一节讨论这种数据结构。

这里是一个简短的演示:

>>> basket = {'apple', 'orange', 'apple', 'pear', 'orange', 'banana'}
>>> print(basket) # show that duplicates have been removed
{'orange', 'banana', 'pear', 'apple'}
>>> 'orange' in basket # fast membership testing
True
>>> 'crabgrass' in basket
False
>>> # Demonstrate set operations on unique letters from two words
...
>>> a = set('abracadabra')
>>> b = set('alacazam')
>>> a # unique letters in a
{'a', 'r', 'b', 'c', 'd'}
>>> a - b # letters in a but not in b
{'r', 'd', 'b'}
>>> a | b # letters in either a or b
{'a', 'c', 'r', 'd', 'b', 'm', 'z', 'l'}
>>> a & b # letters in both a and b
{'a', 'c'}
>>> a ^ b # letters in a or b but not both
{'r', 'd', 'b', 'm', 'z', 'l'}

列表解析 类似,Python 也支持集合解析:

>>> a = {x for x in 'abracadabra' if x not in 'abc'}
>>> a
{'r', 'd'}

5.5. 字典

Python 中内置的另一种有用的数据类型是字典(见映射的类型 —— 字典)。有时候你会发现字典在其它语言中被称为?“associative memories” 或者 “associative arrays”。与序列不同,序列由数字做索引,字典由 做索引,键可以是任意不可变类型;字符串和数字永远可以拿来做键。如果元组只包含字符串、 数字或元组,它们可以用作键;如果元组直接或间接地包含任何可变对象,不能用作键。不能用列表作为键,因为列表可以用索引、切片或者append()extend() 方法修改。

理解字典的最佳方式是把它看做无序的 键:值 ?对集合,要求是键必须是唯一的(在同一个字典内)。一对大括号将创建一个空的字典: {}。大括号中由逗号分隔的 键:值 对将成为字典的初始值;打印字典时也是按照这种方式输出。

字典的主要操作是依据键来存取值。也可以通过 del 删除 键: 值 对。如果用一个已经存在的键存储值,以前为该关键字分配的值就会被遗忘。从一个不存在的键中读取值会导致错误。

list(d.keys())返回字典中所有键组成的列表,列表的顺序是随机的(如果你想它是有序的,只需使用sorted(d.keys())代替)。[2]要检查某个键是否在字典中,可以使用 in 关键字。

下面是一个使用字典的小示例:

>>> tel = {'jack': 4098, 'sape': 4139}
>>> tel['guido'] = 4127
>>> tel
{'sape': 4139, 'guido': 4127, 'jack': 4098}
>>> tel['jack']
4098
>>> del tel['sape']
>>> tel['irv'] = 4127
>>> tel
{'guido': 4127, 'irv': 4127, 'jack': 4098}
>>> list(tel.keys())
['irv', 'guido', 'jack']
>>> sorted(tel.keys())
['guido', 'irv', 'jack']
>>> 'guido' in tel
True
>>> 'jack' not in tel
False

dict() 构造函数直接从键-值对序列创建字典:

>>> dict([('sape', 4139), ('guido', 4127), ('jack', 4098)])
{'sape': 4139, 'jack': 4098, 'guido': 4127}

此外,字典解析可以用于从任意键和值表达式创建字典:

>>> {x: x**2 for x in (2, 4, 6)}
{2: 4, 4: 16, 6: 36}

如果键都是简单的字符串,有时通过关键字参数指定 键-值 对更为方便:

>>> dict(sape=4139, guido=4127, jack=4098)
{'sape': 4139, 'jack': 4098, 'guido': 4127}

5.6. 遍历的技巧

循环迭代字典的时候,键和对应的值通过使用items()方法可以同时得到。

>>> knights = {'gallahad': 'the pure', 'robin': 'the brave'}
>>> for k, v in knights.items():
... print(k, v)
...
gallahad the pure
robin the brave

序列中遍历时,使用 enumerate() 函数可以同时得到索引和对应的值。

>>> for i, v in enumerate(['tic', 'tac', 'toe']):
... print(i, v)
...
0 tic
1 tac
2 toe

同时遍历两个或更多的序列,使用 zip() 函数可以成对读取元素。

>>> questions = ['name', 'quest', 'favorite color']
>>> answers = ['lancelot', 'the holy grail', 'blue']
>>> for q, a in zip(questions, answers):
... print('What is your {0}? It is {1}.'.format(q, a))
...
What is your name? It is lancelot.
What is your quest? It is the holy grail.
What is your favorite color? It is blue.

要反向遍历一个序列,首先正向生成这个序列,然后调用 reversed() 函数。

>>> for i in reversed(range(1, 10, 2)):
... print(i)
...
9
7
5
3
1

循环一个序列按排序顺序,请使用sorted()函数,返回一个新的排序的列表,同时保留源不变。

>>> basket = ['apple', 'orange', 'apple', 'pear', 'orange', 'banana']
>>> for f in sorted(set(basket)):
... print(f)
...
apple
banana
orange
pear

若要在循环内部修改正在遍历的序列(例如复制某些元素),建议您首先制作副本。在序列上循环不会隐式地创建副本。切片表示法使这尤其方便:

>>> words = ['cat', 'window', 'defenestrate']
>>> for w in words[:]: # Loop over a slice copy of the entire list.
... if len(w) > 6:
... words.insert(0, w)
...
>>> words
['defenestrate', 'cat', 'window', 'defenestrate']

5.7. 深入条件控制

whileif 语句中使用的条件可以包含任意的操作,而不仅仅是比较。

比较操作符 innot in 检查一个值是否在一个序列中出现(不出现)。isis not 比较两个对象是否为同一对象;这只和列表这样的可变对象有关。所有比较运算符都具有相同的优先级,低于所有数值运算符。

可以级联比较。例如, a < b == c 测试 a 是否小于 b 并且 b 等于 c

可将布尔运算符 and or 用于比较,比较的结果(或任何其他的布尔表达式)可以用 not 取反。这些操作符的优先级又低于比较操作符;它们之间,not 优先级最高,or 优先级最低,所以 A and not B or C 等效于 (A and (notB)) or C。与往常一样,可以使用括号来表示所需的组合。

布尔运算符andor 是所谓的 短路 运算符:依参数从左向右求值,结果一旦确定就停止。例如,如果AC 都为真,但B是假, A and B and C 将不计算表达式 C。用作一个普通值而非逻辑值时,短路操作符的返回值通常是最后一个计算的。

可以把比较或其它逻辑表达式的返回值赋给一个变量。例如,

>>> string1, string2, string3 = '', 'Trondheim', 'Hammer Dance'
>>> non_null = string1 or string2 or string3
>>> non_null
'Trondheim'

注意 Python 与 C 不同,在表达式内部不能赋值。C 程序员可能会抱怨这一点,但它避免了一类 C 程序中常见的问题: 在表达式中输入 = 而真正的意图是==

5.8. 序列和其它类型的比较

序列对象可以与具有相同序列类型的其他对象相比较。比较按照 字典序 进行: 首先比较最前面的两个元素,如果不同,就决定了比较的结果;如果相同,就比较下两个元素,依此类推,直到其中一个序列穷举完。如果要比较的两个元素本身就是同一类型的序列,就按字典序递归比较。如果两个序列的所有元素都相等,就认为序列相等。如果一个序列是另一个序列的初始子序列,较短的序列就小于另一个。字符串的排序按照Unicode编码点的数值排序单个字符。下面是同类型序列之间比较的一些例子:

(1, 2, 3) < (1, 2, 4)
[1, 2, 3] < [1, 2, 4]
'ABC' < 'C' < 'Pascal' < 'Python'
(1, 2, 3, 4) < (1, 2, 4)
(1, 2) < (1, 2, -1)
(1, 2, 3) == (1.0, 2.0, 3.0)
(1, 2, ('aa', 'ab')) < (1, 2, ('abc', 'a'), 4)

注意,使用< 或者 >比较不同类型的对象是合法的,只要这些对象具有合适的比较方法。例如,不同的数字类型按照它们的数值比较,所以 0 等于 0.0,等等。否则,解释器将引发一个TypeError异常,而不是随便给一个顺序。

脚注

1.其它语言也许会返回可变对象,这么做可以连续地调用方法,比如d->insert("a")->remove("b")->sort();

2.调用 d.keys() 会返回一个 字典视图 对象。 该对象支持成员测试和迭代操作,但它的内容依赖原字典——它只是一个 视图

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