Python常見數據結構詳解

本文詳細羅列歸納了Python常見數據結構，并附以實例加以說明，相信對讀者有一定的參考借鑒價值。

總體而言Python中常見的數據結構可以統(tǒng)稱為容器（container）。而序列（如列表和元組）、映射（如字典）以及集合（set）是三類主要的容器。

一、序列（列表、元組和字符串）

序列中的每個元素都有自己的編號。Python中有6種內建的序列。其中列表和元組是最常見的類型。其他包括字符串、Unicode字符串、buffer對象和xrange對象。下面重點介紹下列表、元組和字符串。

1、列表

列表是可變的，這是它區(qū)別于字符串和元組的最重要的特點，一句話概括即：列表可以修改，而字符串和元組不能。

（1）、創(chuàng)建

通過下面的方式即可創(chuàng)建一個列表：    
list1=['hello','world']
print list1
list2=[1,2,3]
print list2

輸出：    
['hello', 'world']
[1, 2, 3]

可以看到，這中創(chuàng)建方式非常類似于javascript中的數組。

（2）、list函數

通過list函數（其實list是一種類型而不是函數）對字符串創(chuàng)建列表非常有效：    
list3=list("hello")
print list3

輸出：    
['h', 'e', 'l', 'l', 'o']

2、元組

元組與列表一樣，也是一種序列，唯一不同的是元組不能被修改（字符串其實也有這種特點）。

（1）、創(chuàng)建    
t1=1,2,3
t2="jeffreyzhao","cnblogs"
t3=(1,2,3,4)
t4=()
t5=(1,)
print t1,t2,t3,t4,t5

輸出：
    
(1, 2, 3) ('jeffreyzhao', 'cnblogs') (1, 2, 3, 4) () (1,)

從上面我們可以分析得出：

a、逗號分隔一些值，元組自動創(chuàng)建完成；

b、元組大部分時候是通過圓括號括起來的；

c、空元組可以用沒有包含內容的圓括號來表示；

d、只含一個值的元組，必須加個逗號（,）；

（2）、tuple函數

tuple函數和序列的list函數幾乎一樣：以一個序列（注意是序列）作為參數并把它轉換為元組。如果參數就算元組，那么該參數就會原樣返回：    
t1=tuple([1,2,3])
t2=tuple("jeff")
t3=tuple((1,2,3))
print t1
print t2
print t3
t4=tuple(123)
print t45

輸出：    
(1, 2, 3)
('j', 'e', 'f', 'f')
(1, 2, 3)

Traceback (most recent call last):
  File "F:\Python\test.py", line 7, in <module>
    t4=tuple(123)
TypeError: 'int' object is not iterable

3、字符串

（1）創(chuàng)建    
str1='Hello world'
print str1
print str1[0]
for c in str1:
  print c

輸出：    
Hello world
H
H
e
l
l
o
 
w
o
r
l
d

（2）格式化

字符串格式化使用字符串格式化操作符即百分號%來實現。    
str1='Hello,%s' % 'world.'
print str1

格式化操作符的右操作數可以是任何東西，如果是元組或者映射類型（如字典），那么字符串格式化將會有所不同。    
strs=('Hello','world') #元組
str1='%s,%s' % strs
print str1
d={'h':'Hello','w':'World'} #字典
str1='%(h)s,%(w)s' % d
print str1

輸出：    
Hello,world
Hello,World

注意：如果需要轉換的元組作為轉換表達式的一部分存在，那么必須將它用圓括號括起來：
    
str1='%s,%s' % 'Hello','world'
print str1

輸出：
    
Traceback (most recent call last):
 File "F:\Python\test.py", line 2, in <module>
  str1='%s,%s' % 'Hello','world'
TypeError: not enough arguments for format string

如果需要輸出%這個特殊字符，毫無疑問，我們會想到轉義，但是Python中正確的處理方式如下：
    
str1='%s%%' % 100
print str1

輸出：
    
100%

對數字進行格式化處理，通常需要控制輸出的寬度和精度：    
from math import pi
str1='%.2f' % pi #精度2
print str1
str1='%10f' % pi #字段寬10
print str1
str1='%10.2f' % pi #字段寬10，精度2
print str1

輸出：    
3.14
 3.141593
   3.14

字符串格式化還包含很多其他豐富的轉換類型，可參考官方文檔。

Python中在string模塊還提供另外一種格式化值的方法：模板字符串。它的工作方式類似于很多UNIX Shell里的變量替換，如下所示：    
from string import Template
str1=Template('$x,$y!')
str1=str1.substitute(x='Hello',y='world')
print str1

輸出：    
Hello,world!

如果替換字段是單詞的一部分，那么參數名稱就必須用括號括起來，從而準確指明結尾：    
from string import Template
str1=Template('Hello,w${x}d!')
str1=str1.substitute(x='orl')
print str1

輸出：    
Hello,world!

如要輸出$符，可以使用$$輸出：    
from string import Template
str1=Template('$x$$')
str1=str1.substitute(x='100')
print str1

輸出：
    
100$

除了關鍵字參數之外，模板字符串還可以使用字典變量提供鍵值對進行格式化：    
from string import Template
d={'h':'Hello','w':'world'}
str1=Template('$h,$w!')
str1=str1.substitute(d)
print str1

輸出：    
Hello,world!

除了格式化之外，Python字符串還內置了很多實用方法，可參考官方文檔，這里不再列舉。

4、通用序列操作（方法）

從列表、元組以及字符串可以“抽象”出序列的一些公共通用方法（不是你想像中的CRUD），這些操作包括：索引（indexing）、分片（sliceing）、加（adding）、乘（multiplying）以及檢查某個元素是否屬于序列的成員。除此之外，還有計算序列長度、最大最小元素等內置函數。

（1）索引
    
str1='Hello'
nums=[1,2,3,4]
t1=(123,234,345)
print str1[0]
print nums[1]
print t1[2]

輸出    
H
2
345

索引從0（從左向右）開始，所有序列可通過這種方式進行索引。神奇的是，索引可以從最后一個位置（從右向左）開始，編號是-1：
    
str1='Hello'
nums=[1,2,3,4]
t1=(123,234,345)
print str1[-1]
print nums[-2]
print t1[-3]

輸出：    
o
3
123

（2）分片

分片操作用來訪問一定范圍內的元素。分片通過冒號相隔的兩個索引來實現：
    
nums=range(10)
print nums
print nums[1:5]
print nums[6:10]
print nums[1:]
print nums[-3:-1]
print nums[-3:] #包括序列結尾的元素，置空最后一個索引
print nums[:] #復制整個序列

輸出：
    
[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
[1, 2, 3, 4]
[6, 7, 8, 9]
[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
[7, 8]
[7, 8, 9]

不同的步長，有不同的輸出：    
nums=range(10)
print nums
print nums[0:10] #默認步長為1 等價于nums[1:5：1]
print nums[0:10:2] #步長為2
print nums[0:10:3] #步長為3
 
##print nums[0:10:0] #步長為0
print nums[0:10:-2] #步長為-2

輸出：    
[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
[0, 2, 4, 6, 8]
[0, 3, 6, 9]
[]

（3）序列相加    
str1='Hello'
str2=' world'
print str1+str2
num1=[1,2,3]
num2=[2,3,4]
print num1+num2
print str1+num1

輸出：    
Hello world
[1, 2, 3, 2, 3, 4]

Traceback (most recent call last):
  File "F:\Python\test.py", line 7, in <module>
    print str1+num1
TypeError: cannot concatenate 'str' and 'list' objects

（4）乘法    
print [None]*10
str1='Hello'
print str1*2
num1=[1,2]
print num1*2
print str1*num1

輸出：
    
[None, None, None, None, None, None, None, None, None, None]
 
HelloHello
[1, 2, 1, 2]

Traceback (most recent call last):
  File "F:\Python\test.py", line 5, in <module>
    print str1*num1
TypeError: can't multiply sequence by non-int of type 'list'

（5）成員資格

in運算符會用來檢查一個對象是否為某個序列（或者其他類型）的成員（即元素）：
    
str1='Hello'
print 'h' in str1
print 'H' in str1
num1=[1,2]
print 1 in num1

輸出：    
False
True
True

（6）長度、最大最小值

通過內建函數len、max和min可以返回序列中所包含元素的數量、最大和最小元素。
    
str1='Hello'
print len(str1)
print max(str1)
print min(str1)
num1=[1,2,1,4,123]
print len(num1)
print max(num1)
print min(num1)

輸出：    
5
o
H
5
123
1

二、映射（字典）

映射中的每個元素都有一個名字，如你所知，這個名字專業(yè)的名稱叫鍵。字典（也叫散列表）是Python中唯一內建的映射類型。

1、鍵類型

字典的鍵可以是數字、字符串或者是元組，鍵必須唯一。在Python中，數字、字符串和元組都被設計成不可變類型，而常見的列表以及集合（set）都是可變的，所以列表和集合不能作為字典的鍵。鍵可以為任何不可變類型，這正是Python中的字典最強大的地方。    
list1=["hello,world"]
set1=set([123])
d={}
d[1]=1
print d
d[list1]="Hello world."
d[set1]=123
print d

輸出：    
{1: 1}

Traceback (most recent call last):
  File "F:\Python\test.py", line 6, in <module>
    d[list1]="Hello world."
TypeError: unhashable type: 'list'

2、自動添加

即使鍵在字典中并不存在，也可以為它分配一個值，這樣字典就會建立新的項。

3、成員資格

表達式item in d（d為字典）查找的是鍵（containskey），而不是值（containsvalue）。

Python字典強大之處還包括內置了很多常用操作方法，可參考官方文檔，這里不再列舉。

思考：根據我們使用強類型語言的經驗，比如C#和Java，我們肯定會問Python中的字典是線程安全的嗎？

三、集合

集合（Set）在Python 2.3引入，通常使用較新版Python可直接創(chuàng)建，如下所示：
    
strs=set(['jeff','wong','cnblogs'])
nums=set(range(10))

看上去，集合就是由序列（或者其他可迭代的對象）構建的。集合的幾個重要特點和方法如下：

1、副本是被忽略的

集合主要用于檢查成員資格，因此副本是被忽略的，如下示例所示,輸出的集合內容是一樣的。
    
set1=set([0,1,2,3,0,1,2,3,4,5])
print set1
 
set2=set([0,1,2,3,4,5])
print set2

輸出如下：    
set([0, 1, 2, 3, 4, 5])
set([0, 1, 2, 3, 4, 5])

2、集合元素的順序是隨意的

這一點和字典非常像，可以簡單理解集合為沒有value的字典。
    
strs=set(['jeff','wong','cnblogs'])
print strs

輸出如下：
    
set(['wong', 'cnblogs', 'jeff'])

3、集合常用方法

a、交集union
    
set1=set([1,2,3])
set2=set([2,3,4])
set3=set1.union(set2)
print set1
print set2
print set3

輸出：    
set([1, 2, 3])
set([2, 3, 4])
set([1, 2, 3, 4])

union操作返回兩個集合的并集，不改變原有集合。使用按位與（OR）運算符“|”可以得到一樣的結果：    
set1=set([1,2,3])
set2=set([2,3,4])
set3=set1|set2
print set1
print set2
print set3

輸出和上面union操作一模一樣的結果。

其他常見操作包括&（交集）,<=,>=,-,copy()等等，這里不再列舉。    
set1=set([1,2,3])
set2=set([2,3,4])
set3=set1&set2
print set1
print set2
print set3
print set3.issubset(set1)
set4=set1.copy()
print set4
print set4 is set1

輸出如下：    
set([1, 2, 3])
set([2, 3, 4])
set([2, 3])
True
set([1, 2, 3])
False

b、add和remove

和序列添加和移除的方法非常類似，可參考官方文檔：
    
set1=set([1])
print set1
set1.add(2)
print set1
set1.remove(2)
print set1
print set1
print 29 in set1
set1.remove(29) #移除不存在的項

輸出：    
set([1])
set([1, 2])
set([1])
set([1])
False

Traceback (most recent call last):
  File "F:\Python\test.py", line 9, in <module>
    set1.remove(29) #移除不存在的項
KeyError: 29

4、frozenset

集合是可變的，所以不能用做字典的鍵。集合本身只能包含不可變值，所以也就不能包含其他集合：    
set1=set([1])
set2=set([2])
set1.add(set2)

輸出如下：

Traceback (most recent call last):
  File "F:\Python\test.py", line 3, in <module>
    set1.add(set2)
TypeError: unhashable type: 'set'

可以使用frozenset類型用于代表不可變（可散列）的集合：    
set1=set([1])
set2=set([2])
set1.add(frozenset(set2))
print set1

輸出：    
set([1, frozenset([2])])