Python3 数据结构

本章节我们主要结合前面所学的知识点来介绍Python数据结构。

列表

Python中列表是可变的，这是它区别于字符串和元组的最重要的特点，一句话概括即：列表可以修改，而字符串和元组不能。

以下是 Python 中列表的方法：

方法	描述
list.append(x)	把一个元素添加到列表的结尾，相当于 a[len(a):] = [x]。
list.extend(L)	通过添加指定列表的所有元素来扩充列表，相当于 a[len(a):] = L。
list.insert(i, x)	在指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，例如 a.insert(0, x) 会插入到整个列表之前，而 a.insert(len(a), x) 相当于 a.append(x) 。
list.remove(x)	删除列表中值为 x 的第一个元素。如果没有这样的元素，就会返回一个错误。
list.pop([i])	从列表的指定位置移除元素，并将其返回。如果没有指定索引，a.pop()返回最后一个元素。元素随即从列表中被移除。（方法中 i 两边的方括号表示这个参数是可选的，而不是要求你输入一对方括号，你会经常在 Python 库参考手册中遇到这样的标记。）
list.clear()	移除列表中的所有项，等于del a[:]。
list.index(x)	返回列表中第一个值为 x 的元素的索引。如果没有匹配的元素就会返回一个错误。
list.count(x)	返回 x 在列表中出现的次数。
list.sort()	对列表中的元素进行排序。
list.reverse()	倒排列表中的元素。
list.copy()	返回列表的浅复制，等于a[:]。

下面示例演示了列表的大部分方法：

示例

>>> 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]

注意：类似 insert, remove 或 sort 等修改列表的方法没有返回值。

将列表当做堆栈使用

列表方法使得列表可以很方便的作为一个堆栈来使用，堆栈作为特定的数据结构，最先进入的元素最后一个被释放（后进先出）。用 append() 方法可以把一个元素添加到堆栈顶。用不指定索引的 pop() 方法可以把一个元素从堆栈顶释放出来。例如：

示例

>>> 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]

将列表当作队列使用

也可以把列表当做队列用，只是在队列里第一加入的元素，第一个取出来；但是拿列表用作这样的目的效率不高。在列表的最后添加或者弹出元素速度快，然而在列表里插入或者从头部弹出速度却不快（因为所有其他的元素都得一个一个地移动）。

示例

>>> 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'])

列表推导式

列表推导式提供了从序列创建列表的简单途径。通常应用程序将一些操作应用于某个序列的每个元素，用其获得的结果作为生成新列表的元素，或者根据确定的判定条件创建子序列。

每个列表推导式都在 for 之后跟一个表达式，然后有零到多个 for 或 if 子句。返回结果是一个根据表达从其后的 for 和 if 上下文环境中生成出来的列表。如果希望表达式推导出一个元组，就必须使用括号。

这里我们将列表中每个数值乘三，获得一个新的列表：

示例

>>> vec = [2, 4, 6]

>>> [3*x for x in vec]

[6, 12, 18]

现在我们玩一点小花样：

示例

>>> [[x, x**2] for x in vec]

[[2, 4], [4, 16], [6, 36]]

这里我们对序列里每一个元素逐个调用某方法：

示例

>>> freshfruit = ['  banana', '  loganberry ', 'passion fruit  ']

>>> [weapon.strip() for weapon in freshfruit]

['banana', 'loganberry', 'passion fruit']

我们可以用 if 子句作为过滤器：

示例

>>> [3*x for x in vec if x > 3]

[12, 18]

>>> [3*x for x in vec if x < 2]

[]

以下是一些关于循环和其它技巧的演示：

示例

>>> vec1 = [2, 4, 6]

>>> vec2 = [4, 3, -9]

>>> [x*y for x in vec1 for y in vec2]

[8, 6, -18, 16, 12, -36, 24, 18, -54]

>>> [x+y for x in vec1 for y in vec2]

[6, 5, -7, 8, 7, -5, 10, 9, -3]

>>> [vec1[i]*vec2[i] for i in range(len(vec1))]

[8, 12, -54]

列表推导式可以使用复杂表达式或嵌套函数：

示例

>>> [str(round(355/113, i)) for i in range(1, 6)]

['3.1', '3.14', '3.142', '3.1416', '3.14159']

嵌套列表解析

Python的列表还可以嵌套。

以下实例展示了3X4的矩阵列表：

示例

>>> matrix = [

...     [1, 2, 3, 4],

...     [5, 6, 7, 8],

...     [9, 10, 11, 12],

... ]

以下实例将3X4的矩阵列表转换为4X3列表：

示例

>>> [[row[i] for row in matrix] for i in range(4)]

[[1, 5, 9], [2, 6, 10], [3, 7, 11], [4, 8, 12]]

以下实例也可以使用以下方法来实现：

示例

>>> 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]]

另外一种实现方法：

示例

>>> 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]]

del 语句

使用 del 语句可以从一个列表中根据索引来删除一个元素，而不是值来删除元素。这与使用 pop() 返回一个值不同。可以用 del 语句从列表中删除一个切割，或清空整个列表（我们以前介绍的方法是给该切割赋一个空列表）。例如：

示例

>>> 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

[]

也可以用 del 删除实体变量：

示例

>>> del a

元组和序列

元组由若干逗号分隔的值组成，例如：

示例

>>> 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))

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。在输入时可能有或没有括号，不过括号通常是必须的（如果元组是更大的表达式的一部分）。

集合

集合是一个无序不重复元素的集。基本功能包括关系测试和消除重复元素。

可以用大括号({})创建集合。注意：如果要创建一个空集合，你必须用 set() 而不是 {} ；后者创建一个空的字典，下一节我们会介绍这个数据结构。

以下是一个简单的演示：

示例

>>> basket = {'apple', 'orange', 'apple', 'pear', 'orange', 'banana'}

>>> print(basket)                      # 删除重复的

{'orange', 'banana', 'pear', 'apple'}

>>> 'orange' in basket                 # 检测成员

True

>>> 'crabgrass' in basket

False

>>> # 以下演示了两个集合的操作

...

>>> a = set('abracadabra')

>>> b = set('alacazam')

>>> a                                  # a 中唯一的字母

{'a', 'r', 'b', 'c', 'd'}

>>> a - b                              # 在 a 中的字母，但不在 b 中

{'r', 'd', 'b'}

>>> a | b                              # 在 a 或 b 中的字母

{'a', 'c', 'r', 'd', 'b', 'm', 'z', 'l'}

>>> a & b                              # 在 a 和 b 中都有的字母

{'a', 'c'}

>>> a ^ b                              # 在 a 或 b 中的字母，但不同时在 a 和 b 中

{'r', 'd', 'b', 'm', 'z', 'l'}

集合也支持推导式：

示例

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

>>> a

{'r', 'd'}

字典

另一个非常有用的 Python 内建数据类型是字典。

序列是以连续的整数为索引，与此不同的是，字典以关键字为索引，关键字可以是任意不可变类型，通常用字符串或数值。

理解字典的最佳方式是把它看做无序的键=>值对集合。在同一个字典之内，关键字必须是互不相同。

一对大括号创建一个空的字典：{}。

这是一个字典运用的简单例子：

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

构造函数 dict() 直接从键值对元组列表中构建字典。如果有固定的模式，列表推导式指定特定的键值对：

示例

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

{'sape': 4139, 'jack': 4098, 'guido': 4127}

此外，字典推导可以用来创建任意键和值的表达式词典：

示例

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

{2: 4, 4: 16, 6: 36}

如果关键字只是简单的字符串，使用关键字参数指定键值对有时候更方便：

示例

>>> dict(sape=4139, guido=4127, jack=4098)

{'sape': 4139, 'jack': 4098, 'guido': 4127}

遍历技巧

在字典中遍历时，关键字和对应的值可以使用 items() 方法同时解读出来：

示例

>>> knights = {'gallahad': 'the pure', 'robin': 'the brave'}

>>> for k, v in knights.items():

...     print(k, v)

...

gallahad the pure

robin the brave

在序列中遍历时，索引位置和对应值可以使用 enumerate() 函数同时得到：

示例

>>> 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，可以使用 zip() 组合：

示例

>>> 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，首先指定这个序列，然后调用 reversed() 函数：

示例

>>> for i in reversed(range(1, 10, 2)):

...     print(i)

...

9

7

5

3

1

要按顺序遍历一个序列，使用 sorted() 函数返回一个已排序的序列，并不修改原值：

示例

>>> basket = ['apple', 'orange', 'apple', 'pear', 'orange', 'banana']

>>> for f in sorted(set(basket)):

...     print(f)

...

apple

banana

orange

pear

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