图解python | 数据结构

作者：韩信子@ShowMeAI
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Python3数据结构

Python中有大量的数据结构与容器供编程使用，在本节内容中我们汇总前面所学的知识点，并拓展一些新知识，来介绍Python数据结构。

1.Python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。

关于Python列表的详细内容请参考前序内容Python列表及应用

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（在线python3环境）：

a = [2, 123, 123, 1, 1234.5]
print('''a.count(123), a.count(1), a.count('x')''')
print(a.count(123), a.count(1), a.count('x'), "\n")
 
a.insert(2, -1)
print('''a.insert(2, -1)''')
print(a, "\n")
 
a.append(456)
print('''a.append(456)''')
print(a, "\n")
 
a.index(456)
print('''a.index(456)''')
print(a.index(456), "\n")
 
a.remove(456)
print('''a.remove(456)''')
print(a, "\n")
 
 
a.reverse()
print('''a.reverse()''')
print(a, "\n")
 
a.sort()
print('''a.sort()''')
print(a, "\n")

运行结果

a.count(123), a.count(1), a.count('x')
2 1 0 
 
a.insert(2, -1)
[2, 123, -1, 123, 1, 1234.5] 
 
a.append(456)
[2, 123, -1, 123, 1, 1234.5, 456] 
 
a.index(456)
6 
 
a.remove(456)
[2, 123, -1, 123, 1, 1234.5] 
 
a.reverse()
[1234.5, 1, 123, -1, 123, 2] 
 
a.sort()
[-1, 1, 2, 123, 123, 1234.5] 

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

2.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。

参考如下代码（在线python3环境）：

stack = ['Baidu', 'ShowMeAI', 'google']
stack.append('ByteDance')
stack.append('Tencent')
print(stack)
 
stack.pop()
print('''stack.pop()''')
print(stack, "\n")
 
stack.pop()
print('''stack.pop()''')
print(stack, "\n")
 
stack.pop()
print('''stack.pop()''')
print(stack, "\n")

运行结果为

['Baidu', 'ShowMeAI', 'google', 'ByteDance', 'Tencent']
stack.pop()
['Baidu', 'ShowMeAI', 'google', 'ByteDance'] 
 
stack.pop()
['Baidu', 'ShowMeAI', 'google'] 
 
stack.pop()
['Baidu', 'ShowMeAI'] 

3.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）。

from collections import deque
queue = deque(['Baidu', 'ShowMeAI', 'google'])
queue.append('ByteDance')       
queue.append('Tencent')
print(deque)
 
print('''queue.popleft()''')
print(queue.popleft(), "\n")
print('''queue.popleft()''')
print(queue.popleft(), "\n")
print(deque)

运行结果为

<class 'collections.deque'>
queue.popleft()
Baidu 
 
queue.popleft()
ShowMeAI 
 
<class 'collections.deque'>

4.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。

vec = [1, 2, 3]
# 将列表中每个数值乘三，获得一个新的列表：
three_times_vec = [3*x for x in vec]
print(three_times_vec)
 
# 将列表中每个数值平方，并和原始值组成列表后再组成新的列表：
cmp_x_square = [[x, x**2] for x in vec]
print(cmp_x_square)

运行结果

[3, 6, 9]
[[1, 1], [2, 4], [3, 9]]

列表推导式还可以用来对序列里每一个元素都调用某函数方法：

fruits = ['banana', 'loganberry', 'apple']
print([fruit.upper() for fruit in fruits])
# 输出['BANANA', 'LOGANBERRY', 'APPLE']

在列表推导式中可以用if子句构建过滤器对生成结果过滤：

[3*x for x in vec if x > 2]
# 结果[9]
[3*x for x in vec if x < 3]
# 结果[3, 6]

还可以组合两个列表去使用列表推导式构建更复杂的结果

vec1 = [1, 2, 3]
vec2 = [4, 5, 6]
[x*y for x in vec1 for y in vec2] #两两相乘得到新列表
# 结果[4, 5, 6, 8, 10, 12, 12, 15, 18]
 
[x+y for x in vec1 for y in vec2] #两两相加得到新列表
# 结果[5, 6, 7, 6, 7, 8, 7, 8, 9]
 
[vec1[i]*vec2[i] for i in range(len(vec1))] #对应位置相乘得到新列表
# 结果[4, 10, 18]
 

5.嵌套列表解析

Python的列表还可以嵌套。

以下代码展示了3X4的矩阵列表（在线python3环境）：

matrix = [
      [1, 2, 3, 4],
      [5, 6, 7, 8],
      [9, 10, 11, 12],
       ]
 
# 将3X4的矩阵列表转换为4X3列表：
trans = [[row[i] for row in matrix] for i in range(4)]
print(trans)
 
# 等价于下列做法，但是上面的方式更简洁
transposed = []
for i in range(4):
   transposed_row = []
   for row in matrix:
      transposed_row.append(row[i])
   transposed.append(transposed_row)
print(transposed)

6.del语句

使用 del 语句可以从一个列表中依索引而不是值来删除一个元素。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：

a = [1, 2, 3, 456, 789, 1234.5]
del a[0] #[2, 3, 456, 789, 1234.5]
del a[2:4] #[2, 3, 1234.5]
del a[:]

也可以用 del 删除实体变量：

del a

7.元组

元组由若干逗号分隔的值组成，例如：

t = 12345, 54321, 'hello!'
t[0] # 12345
t #(12345, 54321, 'hello!')
u = t, (1, 2, 3, 4, 5)
u # ((12345, 54321, 'hello!'), (1, 2, 3, 4, 5))

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）。

8.集合

![Python3的数据结构 | 集合（Set）]/img-blog.csdnimg.cn/27f821473a354c1e849c58a25be9c619.png?x-oss-process=image/watermark,type_d3F5LXplbmhlaQ,shadow_50,text_Q1NETiBAU2hvd01lQUk=,size_20,color_FFFFFF,t_70,g_se,x_16#pic_center)

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。

以下是一个简单的代码示例（在线python3环境）：

basket = {'apple', 'orange', 'apple', 'pear', 'orange', 'banana'}
print(basket)                      # 删除重复的
# 结果{'orange', 'banana', 'pear', 'apple'}
 
'orange' in basket                 # 检测成员
# 结果True
 
'crabgrass' in basket
# 结果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
# 结果{'a', 'r', 'b', 'c', 'd'}
 
a - b                              # 在 a 中的字母，但不在 b 中
# 结果{'r', 'd', 'b'}
 
a | b                              # 在 a 或 b 中的字母
# 结果{'a', 'c', 'r', 'd', 'b', 'm', 'z', 'l'}
 
a & b                              # 在 a 和 b 中都有的字母
# 结果{'a', 'c'}
 
a ^ b                              # 在 a 或 b 中的字母，但不同时在 a 和 b 中
# 结果{'r', 'd', 'b', 'm', 'z', 'l'}

9.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：{}。

company = {'ShowMeAI': 1234, 'Baidu': 5678}
company['guido'] = 4127
 
company
# 结果{'Baidu': 5678, 'guido': 4127, 'ShowMeAI': 1234}
 
company['ShowMeAI']
# 结果1234
 
del company['Baidu']
company['irv'] = 4127
company
# 结果{'guido': 4127, 'irv': 4127, 'ShowMeAI': 1234}
 
list(company.keys())
# 结果['irv', 'guido', 'ShowMeAI']
 
sorted(company.keys())
# 结果['guido', 'irv', 'ShowMeAI']
 
'guido' in company
# 结果True
 
'ShowMeAI' not in company
# 结果False

构造函数 dict() 直接从键值对元组列表中构建字典。此外，字典推导可以用来创建任意键和值的表达式词典：

dict([('ShowMeAI', 1234), ('Baidu', 5678)])
# 结果{'ShowMeAI': 1234, 'Baidu': 5678}

{x: x**2 for x in (2, 4, 6)}
# 结果{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：

dict(ShowMeAI=1234, Baidu=5678)
# 结果{'ShowMeAI': 1234, 'Baidu': 5678}

10.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：

knights = {'ShowMeAI': 1234, 'Baidu': 5678}
for k, v in knights.items():
   print(k, v)

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：

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：

questions = ['name', 'age', 'color']
answers = ['ShowMeAI', '30', 'blue']
for q, a in zip(questions, answers):
   print('What is the {0}?  It is {1}.'.format(q, a))
# What is the name?  It is ShowMeAI.
# What is the quest?  It is 30.
# What is the 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：

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：

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

资料与代码下载

本教程系列的代码可以在ShowMeAI对应的github中下载，可本地python环境运行，可以访问google的宝宝也可以直接借助google colab一键运行与交互操作学习哦！

本教程系列涉及的Python速查表可以在以下地址下载获取：

• Python速查表

拓展参考资料

• Python教程—Python3文档
• Python教程-廖雪峰的官方网站

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