Python基礎(10) 序列(tuple/list)、字典(dict)、集合(set)

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0. 前言

• Python中基本數據結構介紹。
• 參考資料：
  • 《深入理解Python特性》第5章
  • 《流暢的Python》第2、3章
  • 《Python Cookbook》第1章

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1. 數組

• 包括list/tuple等。
• 有一些操作是所有序列都共有的。
• 如何選擇數組類型：
  • 如果需要存儲任意對象，且其中可能含有混合數據類型，那應該選擇列表或元組。
  • 如果存儲數值（整數或浮點數）數據，並要求數據排列緊密、注重性能，則應該使用 array.array。
  • 強烈建議在初期使用通用數據格式，不要試圖在一開始就榨乾所有性能。

1.1. 序列

• 個人理解：本質就是數組，可以通過索引來獲取（部分類型可以修改）元素。
• 索引操作：
  • 數組編號，可以爲負數，如-1就是最後一個元素。
  • 分片：通過索引來訪問一定範圍內的元素，形如[start:end:step]
    • 索引範圍包括start，不包括end。
    • 步長不能是0，但可以是負數。
    • 如果start >= end（step爲正數）或start <= end（step爲負數），則返回空序列。
• 加法：相同類型序列相加就是拼接操作。
• 乘法：生成新序列，原來序列重複x次。
• 成員資格：in運算符，判斷是否存在某元素。
• 長度、最大/小值，對應len max min函數。

1.2. 列表

• 基本概念：
  • list對象，可變序列。
  • 底層通過動態數組實現（應該就是類似ArrayList）。
  • 不同數據類型可以混合存儲在一個列表中，但這回導致數據存儲不緊湊，佔據了更多的空間。
• 基本操作
  • 新建列表：list = []
  • 賦值單個元素：list[1] = value
  • 刪除單個元素：del list[1]
  • 分片賦值：list[:2] = list('ab')
• 列表方法
  • 基本形式：對象.方法(參數)
  • append
  • count
  • extend
  • index
  • insert
  • pop
  • remove
  • reverse
  • sort

1.3. 元組

• 基本概念：
  • tuple，不可變序列，定義時就固定了。
  • 不同數據類型可以保存在同一個元組中。
  • 相比list所佔的空間更少
• 基本操作
  • 定義：
    • 直接通過都好分隔：1, 2, 3
    • 通過圓括號括起來：(1, 2, 3)
    • 一個值的元組：1,或(1,)
  • tuple函數：將序列轉換爲元組，tuple([1, 2, 3])
  • 索引、分片獲取。
• 元組的優勢
  • 可以在映射中當作鍵使用，列表不行。
  • 元組作爲很多內建函數、方法的返回值。

1.4. array.array

2. 字典

• 即dict類。
• 官方文檔：Mapping Types Dict

2.1. 字典的基本操作

• 創建字典對象

# 普通方法
map1 = {}
map2 = {1.23:"136", "age":18}
# dict方法
# 可以通過其他映射 或 key-value序列建立字典
key_values = [('name', 'emma'), ('age', 18)]
map3 = dict(key_values)
# 通過關鍵字創建
map4 = dict(name="emma", age=18)

• 操作操作

len(map) # key-value數量
map[key] # 獲取某個key對應的value
map[key] = value # 關聯key-value
del map[key] # 刪除鍵爲key的項
key in map # 檢查map中是否存在鍵key

• 其他概念
  • 鍵類型：必須爲不可變類型（如字符串、整數、實數、元組）
  • 自動添加：如果本來不存在的key，可以通過賦值直接創建
  • 成員資格：in操作查找的是鍵，不是值。
  • 遍歷字典：

# 好像建議不這麼用
for key in dict:
    print(key, dict[key])
# 通過key遍歷
for key in dict.keys():
    print(key, dict[key])
    
# 通過key-value對遍歷1
# 字典較小時效率較高
for key, value in dict.items():
    print(key, value)
# 通過key-value對遍歷2
# 字典較大時效率較高
for (key, value) in dict.items():
    print(key, value)

• 字典方法
  • clear
  • copy
  • fromkeys
  • get
  • has_key
  • items
  • iteritems
  • keys
  • iterkeys
  • pop
  • popitem
  • setdefault
  • update
  • values
  • itervalues

2.2. 特殊的字典

• 特殊的字典一般都是 dict 的子類，有着幾乎相同的使用方式。
• collections.OrderdDict
  • 作用：記住key的插入順序，在遍歷時會按照循序遍歷。
  • 在CPython3.6及更高版本中，標準字典實現dict也能暴露鍵的插入順序，但這只是CPython的一個附帶功能，到Python3.7才固定下來。
  • 建議使用本功能時還是使用 OrderedDict
• collections.defaultdict
  • 作用：爲缺失的key返回默認值， 構造函數輸入的是一個default_factory，即一個構造器。
  • 構造方法接受一個可調用對象（如list），如果查詢時key不存在，則返回這個可調用對象。
  • 當然，設置默認值這個功能也可以通過 get() 方法實現，但通過這個類可以更清晰地表達意圖。
  • 實例：defaultdict(int), defaultdict(list)
    • int() 返回0。
• collections.ChainMap
  • 作用：將多個字典組成一個映射，查詢時逐個查詢。
  • 查詢操作時，會逐個查詢，但增刪改操作都是對第一個字典進行。
• types.MappingProxyType
  • 作用：只讀字典。

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3. 集合

• 參考資料：
  • 官方文檔：集合類型 - set, frozenset
  • 《深入理解Python特性》5.4節

3.1. set

• 最基本的集合類型。
• 集合基本概念：
  • 不含重複元素的無序對象。
  • 由於是無序的，所以不支持索引、切片操作。
  • 每個對象都是 hashable 的對象。
  • 預計查詢時間複雜度爲O(1)，交集、並集、子集、差集的時間複雜度爲O(n)。
• 新建：
  • {ele1, ele2, ...} 創建。
  • set(list) 新建
  • 注意：空集只能通過 set() 而不能用 dict。
• 增刪操作
  • add()：添加元素。
  • remove()：刪除元素，如果元素不存在會報錯。
  • discard()：刪除元素。
  • pop()：任意移除一個元素，如果是空集會報錯。
  • clear()：清空。
• 基本操作
  • len(s)
  • x in s
  • x not in s
• 集合操作
  • issubset(other)或set <= other或set < other：s是否是other的子集。
  • isdisjoint(other)：兩個集合沒有公共元素則返回True。
  • issuperset(other)或set >= other或set > other：s是否是other的超集。
  • union(*others)或set | other | ...：並集。
  • intersection(*others)或set & other：交集。~~
  • difference(*others)或set - other - ...：差集，存在於set但不存在於other。
  • symmetric_difference(other)或set ^ other：只存在於set或other中，不能同時存在或同時不存在。
• 集合改操作，基本上就是一個集合操作加上update，是對原始集合的操作
  • update(*others) 或 set |= other | ...：添加來自others的元素。
  • intersection_update(*others)或set &= other & ...：只保留在others中也都存在的元素。
  • symmetric_difference_update(other)：只保留存在於其中一個集合的元素，不能同時存在或同時不存在。

3.2. frozenset

• 不可變集合。

• 與set操作幾乎完全相同，就是少了增刪改的相關操作。