Python 数据结构 | 编程教程

介绍

在本实验中，我们将学习 Python 中的数据结构，主要内容包括：列表（lists）、元组（tuples）、字典（dictionaries）和集合（sets）。

学习目标

列表
列表推导式（List Comprehensions）
元组
字典
集合

列表

在 Python 中，列表（lists）是一种多功能的容器，能够存储各种类型的对象。在这里，我们将探索列表的基本操作，例如创建、访问值、更新值、追加值和删除值。

创建列表

列表通过用方括号括起来的逗号分隔值来定义。列表中的数据项不需要是相同类型。

>>> l1 = [1, 2, 3, 'a', 'hello']
>>> l1
[1, 2, 3, 'a', 'hello']

>>> l2 = ['monday', 'tuesday', 'wednesday', 'thursday', 'friday']
>>> l2
['monday', 'tuesday', 'wednesday', 'thursday', 'friday']

访问值

使用下标索引访问列表中的值。

>>> print("l1[0] = ", l1[0])
l1[0] =  1

你可以使用方括号的形式来截取字符，这被称为切片（slice）。切片是一种从列表中提取一定范围内元素的方式。

list_name[Start:End:Step]

第一个索引（Start）是起始索引，第二个索引（End）是结束索引。第三个索引（Step）是步长，步长是增量（默认为 1）。

>>> print("l2[1:3] = ", l2[1:3])
l2[1:3] =  ['tuesday', 'wednesday']

更新值

你可以通过使用下标索引访问值，然后为其分配新值来更新值：

>>> l1[0] = 10
>>> l1
[10, 2, 3, 'a', 'hello']

追加值

你可以使用 append() 方法向列表追加值。

list_name.append(value)

>>> l1.append('b')
>>> l1
[10, 2, 3, 'a', 'hello', 'b']

>>> l2.append('statuday')
>>> l2
['monday', 'tuesday', 'wednesday', 'thursday', 'friday', 'statuday']

删除值

你可以使用 del 关键字从列表中删除值，此方法会删除列表中指定索引处的元素。

del list_name[index]

>>> del l1[0]
>>> l1
[2, 3, 'a', 'hello', 'b']

你也可以使用 remove() 方法从列表中删除指定的值。

list_name.remove(value)

>>> l1.remove('a')
>>> l1
[2, 3, 'hello', 'b']

其他列表函数

你可以使用 len() 函数获取列表的长度。

>>> print("Length of l1 = ", len(l1))
Length of l1 =  5

并使用 sorted() 函数对列表进行排序。

>>> print("Sorted of l2 = ", sorted(l2))
Sorted of l2 =  ['friday', 'monday', 'thursday', 'tuesday', 'wednesday']

列表推导式

列表推导式（List Comprehension）是一种简洁而强大的方式，用于在 Python 中通过遍历现有的可迭代对象（如列表）并对每个元素应用表达式来创建新列表。

列表推导式的格式可以理解为一个 for 循环。其语法如下：

new_list = [expression for item in old_list]
new_list = [expression for item in old_list if condition]

new_list：通过对旧列表中的每个元素应用表达式生成的新列表。
expression：对旧列表中的每个元素应用的操作或转换，以生成新列表。
item：表示旧列表中每个元素的变量。
old_list：用于生成新列表的现有列表。
condition（可选）：一个过滤条件，用于根据指定标准仅包含旧列表中的某些元素。

列表推导式练习

让我们在 Python shell 中练习列表推导式：

>>> ls = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]
>>> even_list = [item for item in ls if item % 2 == 0]
>>> even_list
[2, 4, 6, 8, 10]

在这个例子中，even_list 将只包含列表 ls 中的偶数。

列表推导式提供了一种简洁且易读的方式来操作列表，使 Python 代码更具表现力和效率。

元组

元组（Tuples）与 Python 中的列表类似，但元组的元素是不可变的（immutable），这意味着它们在创建后不能被修改。元组的元素用 () 括起来，并用 , 分隔。

创建元组

使用以下元素创建元组：

>>> tup1 = ('Google', 'Run', 'Python')
>>> tup2 = (1, 2, 3, 4, 5)
>>> empty_tup = ()

>>> tup1
('Google', 'Run', 'Python')
>>> tup2
(1, 2, 3, 4, 5)
>>> empty_tup
()

访问元组元素

使用索引访问元组的元素：

>>> print(tup1[0])
Google

>>> print(tup2[1:3])
(2, 3)

>>> print(empty_tup[0])
Traceback (most recent call last):
    File "<stdin>", line 1, in <module>
IndexError: tuple index out of range      ## 发生错误，因为元组为空。

合并元组

虽然元组不能被修改，但它们可以被合并：

>>> tup3 = tup1 + tup2
>>> print(tup3)
('Google', 'Run', 'Python', 1, 2, 3, 4, 5)

元组提供了一种可靠的方式来存储不应被修改的数据，为你的 Python 程序提供了稳定性和完整性。

字典

Python 中的字典（Dictionaries）是一种多功能且可变的数据结构，用于存储键值对（key-value pairs）。

每个键值对用冒号分隔，每对之间用逗号分隔，整个字典用花括号 {} 括起来。

d = {key1 : value1, key2 : value2, key3 : value3 }

字典中的键必须是唯一的，但值可以重复。

创建字典

使用键值对创建字典：

>>> dict1 = {'name': 'James', "age": 23, "phone": "12345"}
>>> dict2 = {}

>>> dict1
{'name': 'James', 'age': 23, 'phone': '12345'}
>>> dict2
{}

访问字典元素

使用方括号 [] 中的键或 get() 函数访问键值对：

>>> print(dict1["name"])
James

>>> print(dict2["name"])
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
KeyError: 'name'

>>> print(dict2.get("name"))
None

使用 dict[key] 访问字典中不存在的键会引发 KeyError 异常。然而，如果键未找到，dict.get(key) 会返回 None。

修改字典

通过为键赋值来添加或修改字典中的条目：

>>> dict2["name"] = "Lily"
>>> dict1["name"] = "Bob"

>>> dict2["name"]
'Lily'
>>> dict1["name"]
'Bob'

删除字典元素

使用 del dict[key] 删除键值对，或使用 dict.clear() 清空整个字典：

>>> del dict1["name"]
>>> print(dict1)

{'age': 23, 'phone': '12345'}

>>> dict2.clear()
>>> print(dict2)

{}

字典提供了一种灵活的方式来存储和操作数据，使其成为 Python 编程中各种任务的重要组成部分。

集合

Python 中的集合（Sets）是无序且元素唯一的集合。它们可以使用花括号 {} 或 set() 函数创建。

创建集合

要创建一个空集合，必须使用 set() 而不是 {}，因为 {} 用于创建空字典。使用不同的方法创建集合：

>>> set1 = set()
>>> print(set1)
set()

>>> set2 = {'apple', 'orange', 'banana'}
>>> print(set2)
{'banana', 'apple', 'orange'}

>>> set3 = set("Hello World!")
>>> print(set3)
{'o', 'H', 'W', ' ', 'd', 'r', '!', 'e', 'l'}

添加元素

使用 add() 或 update() 方法向集合中添加元素：

>>> set1.add('apple')
>>> print(set1)
{'apple'}

>>> set2.update({'orange', 'pear'})
>>> print(set2)
{'apple', 'orange', 'banana', 'pear'}

删除元素

使用 discard() 或 remove() 方法从集合中删除元素。
discard() 方法在元素不存在时不会引发错误，而 remove() 方法会引发错误。

>>> set1.remove('apple')
>>> print(set1)
set()

>>> set1.discard('banana')
>>> print(set1)
set()

集合提供了一种便捷的方式来处理唯一元素的集合，使其在诸如去重或成员测试等任务中非常有用。

总结

恭喜！你已经完成了数据结构实验。

在这个实验中，你学习了 Python 的基本数据结构，以及何时以及如何使用这些数据结构来解决问题。

Python 数据结构基础

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