本章将详细介绍Python中的三种主要内置数据结构：列表（list）、元组（tuple）和字典（dict）。这些数据结构是Python编程中处理数据集合的基础，它们提供了不同的方式来存储和操作数据。
列表（List）
列表（List）是Python中一种非常灵活且功能强大的数据结构，它是一个有序的元素集合，可以包含不同类型的元素。列表是可变的，这意味着你可以在列表创建后添加、删除或更改元素。以下是列表的一些主要特性和操作：
创建列表
列表可以使用方括号[]来创建，或者使用list()构造函数：
# 使用方括号创建列表
my_list = [1, 2, 3, 'a', 'b']
# 使用list()构造函数创建列表
empty_list = list()
访问列表元素
使用索引操作符[]来访问列表中的元素，索引从0开始：
# 访问第一个元素
first_element = my_list[0]
# 访问最后一个元素
last_element = my_list[-1]
修改列表元素
可以直接通过索引赋值来修改列表中的元素：
# 修改第二个元素
my_list[1] = 'new value'
# 打印修改后的列表
print(my_list)
# 输出: [1, 'new value', 3, 'a', 'b']
添加元素到列表
列表提供了多种方法来添加元素：
-
append()：在列表末尾添加一个元素。 -
extend()：将一个序列中的所有元素添加到列表末尾。 -
insert()：在指定位置插入一个元素。在列表末尾添加一个元素
my_list.append('c')
将另一个列表的元素添加到当前列表
my_list.extend([4, 5])
在指定位置插入元素
my_list.insert(2, 'inserted')
删除列表元素
列表提供了几种删除元素的方法：
-
remove()：删除列表中第一个匹配的元素。 -
pop()：删除并返回指定位置的元素，如果不指定位置，则删除并返回最后一个元素。 -
clear()：删除列表中的所有元素。 -
del：使用del语句删除列表的一部分或整个列表。删除第一个出现的'a'
my_list.remove('a')
删除索引为2的元素
del my_list[2]
清空列表
my_list.clear()
列表切片
使用切片操作符[start:end:step]来获取列表的一部分：
# 获取前三个元素
first_three = my_list[0:3]
# 获取倒数第二个到最后一个元素
last_two = my_list[-2:]
遍历列表
使用for循环或in操作符来遍历列表中的所有元素：
# 使用for循环遍历
for element in my_list:
print(element)
列表推导式
首先介绍一下列表推导式，列表推导式（List Comprehension）是Python中一种优雅且简洁的构建列表的方法。它允许你通过一个表达式来创建一个新的列表，这个表达式会对另一个列表（或任何可迭代对象）中的每个元素执行操作，并将结果收集到一个新的列表中。
列表推导式基本语法
列表推导式的基本语法如下：
[expression for item in iterable if condition]
这里，expression是对item的操作或返回值，item是iterable中的元素，iterable可以是列表、元组、字符串等任何可迭代对象，condition是一个可选的条件语句，用于筛选满足条件的元素。
示例
假设我们有一个数字列表，我们想要创建一个新列表，其中包含原列表中所有偶数的平方：
original_list = [1, 2, 3, 4, 5, 6]
squared_evens = [x**2 for x in original_list if x % 2 == 0]
print(squared_evens) # 输出: [4, 16, 36]
在这个例子中，x**2是表达式，x是original_list中的每个元素，if x % 2 == 0是条件语句，用于筛选偶数。
多变量推导式
列表推导式还可以使用多个变量来遍历多个可迭代对象：
pairs = [(1, 'one'), (2, 'two'), (3, 'three')]
pairs_with_index = [index + 1 for index, _ in pairs]
print(pairsWith_index) # 输出: [2, 3, 4]
在这个例子中，我们使用了一个元组_作为占位符，因为我们只关心索引值。
嵌套推导式
列表推导式可以嵌套使用，例如，对每个元素应用多个操作：
original_list = [1, 2, 3, 4, 5, 6]
nested_comprehension = [(x + 1) ** 2 for x in original_list if x % 2 == 0]
print(nested_comprehension) # 输出: [25, 49, 81]
推导式与循环的等价性
列表推导式可以看作是for循环的简洁版本。上面的示例可以用传统的for循环重写如下：
squared_evens = []
for x in original_list:
if x % 2 == 0:
squared_evens.append(x**2)
print(squared_evens) # 输出: [4, 16, 36]
注意事项
- 列表推导式在处理大型数据集时可能比传统的循环更高效，因为它们是优化过的。
- 过度复杂的推导式可能会降低代码的可读性，因此应该在简洁性和可读性之间找到平衡。
- 推导式中的
if条件不能省略，如果你想要包含所有元素，可以在条件中使用True。
列表推导式是一种创建列表的简洁方式，它基于已有列表生成新列表：
# 计算列表中每个元素的平方
squared_list = [x**2 for x in my_list]
列表方法
列表还提供了其他有用的方法，如：
sort()：对列表进行排序。reverse()：反转列表中的元素。count()：计算某个元素在列表中出现的次数。index()：返回列表中第一个匹配项的索引。
元组（Tuple）
元组（Tuple）是Python中的一种数据结构，它是一个不可变的序列，可以包含多个不同类型的元素。元组用圆括号()定义，并且一旦创建，其内容就不能被修改（即不可变）。这使得元组在某些情况下比列表（List）更安全，因为它们的内容不会被意外改变。
创建元组
元组可以通过直接在圆括号中放置一系列用逗号分隔的值来创建：
my_tuple = (1, 2, 3, 'a', 'b')
empty_tuple = ()
访问元组元素
与列表类似，可以使用索引操作符[]来访问元组中的元素。索引从0开始，负数索引从-1开始，表示从元组的末尾开始计数。
# 访问第一个元素
first_element = my_tuple[0]
# 访问最后一个元素
last_element = my_tuple[-1]
# 使用切片访问元组的一部分
slice_of_tuple = my_tuple[1:3] # 输出: (2, 3)
元组解包
Python允许你将元组中的值解包到多个变量中：
a, b, c = my_tuple
# a = 1, b = 2, c = 3
不可变性
由于元组是不可变的，你不能修改、添加或删除元组中的元素。尝试这样做将会导致TypeError：
# 尝试修改元组中的元素将导致错误
my_tuple[0] = 10 # TypeError: 'tuple' object does not support item assignment
元组与列表的区别
- 可变性：列表是可变的，而元组是不可变的。
- 语法 ：列表使用方括号
[]，元组使用圆括号()。在创建空列表时，方括号是可选的，但在创建空元组时，圆括号是必须的。 - 性能：由于元组的不可变性，它们通常在性能上比列表更优，尤其是在作为字典的键时。
- 安全性：元组的不可变性提供了数据安全性，确保元组中的数据不会被更改。
元组推导式
与列表推导式类似，元组推导式允许你创建一个元组：
my_tuple = (x**2 for x in range(10))
字典（Dict）
字典（Dictionary）是Python中的一种内置数据结构，它存储键值对（key-value pairs）。字典中的键必须是不可变类型，通常是字符串或元组，而值可以是任何数据类型。字典是可变的，这意味着你可以在创建后添加、删除或更改键值对。字典提供了快速的数据检索、添加和更新的能力。
创建字典
字典可以通过花括号{}或dict()构造函数创建：
# 使用花括号创建字典
my_dict = {'name': 'Alice', 'age': 25}
# 使用dict()构造函数创建空字典
empty_dict = dict()
访问字典元素
使用键来访问字典中的值，操作符也是[]：
# 访问键'name'对应的值
name = my_dict['name']
# 如果键不存在，会抛出KeyError
age = my_dict['age']
为了避免KeyError，可以使用get()方法，它允许你为不存在的键指定一个默认返回值：
# 使用get()方法，如果键不存在，返回'Unknown'
occupation = my_dict.get('occupation', 'Unknown')
添加和修改字典元素
可以通过直接赋值来添加新的键值对或修改现有的键值对：
# 添加新的键值对
my_dict['email'] = 'alice@example.com'
# 修改已有的键对应的值
my_dict['age'] = 26
删除字典元素
使用del语句删除字典中的键值对：
# 删除键'email'对应的项
del my_dict['email']
也可以使用pop()方法删除一个键值对，并返回被删除的值：
# 删除键'age'对应的项，并返回它的值
removed_age = my_dict.pop('age', None)
# 返回None，因为'age'不存在
遍历字典
可以使用循环来遍历字典中的键、值或键值对：
# 遍历字典的键
for key in my_dict:
print(key)
# 遍历字典的值
for value in my_dict.values():
print(value)
# 遍历字典的键值对
for key, value in my_dict.items():
print(key, value)
字典方法
字典提供了多种方法来操作字典：
clear()：删除字典中的所有项。copy()：返回字典的浅拷贝。update()：将一个字典的键值对更新到当前字典中。keys()：返回字典中所有键的视图。values()：返回字典中所有值的视图。items()：返回字典中所有键值对的视图。
字典推导式
字典推导式提供了一种创建字典的简洁方式：
# 创建一个字典，其中包含数字及其平方
squares = {x: x**2 for x in range(10)}
序列操作
序列操作是指在Python中对序列类型的数据结构（如列表、元组和字符串）执行的一系列操作。由于列表、元组和字符串在Python中都是序列，它们共享许多相似的方法和操作。以下是一些常见的序列操作：
索引
序列中的每个元素都有一个索引，从0开始。你可以使用索引来访问序列中的特定元素。
sequence = [1, 2, 3, 'a', 'b']
print(sequence[0]) # 输出: 1
print(sequence[-1]) # 输出: 'b' (最后一个元素)
切片
切片操作允许你获取序列的一个子集。切片操作符[start:end:step]用于从序列中提取一段范围。
sequence = [1, 2, 3, 'a', 'b', 'c', 'd']
print(sequence[1:4]) # 输出: [2, 3, 'a']
print(sequence[:3]) # 输出: [1, 2, 3]
print(sequence[2:]) # 输出: [3, 'a', 'b', 'c', 'd']
print(sequence[::2]) # 输出: [1, 'a', 'c'] (步长为2)
连接
可以使用加号+来连接两个或多个序列。
list1 = [1, 2, 3]
list2 = [4, 5, 6]
combined = list1 + list2
print(combined) # 输出: [1, 2, 3, 4, 5, 6]
重复
可以使用星号*来重复序列多次。
repeated = [1, 2, 3] * 3
print(repeated) # 输出: [1, 2, 3, 1, 2, 3, 1, 2, 3]
遍历
可以使用for循环来遍历序列中的每个元素。
sequence = ['apple', 'banana', 'cherry']
for item in sequence:
print(item)
长度
使用内置的len()函数来获取序列的长度。
sequence = [1, 2, 3]
print(len(sequence)) # 输出: 3
成员检查
使用in操作符来检查一个元素是否存在于序列中。
sequence = [1, 2, 3]
print(3 in sequence) # 输出: True
print(4 in sequence) # 输出: False
排序
列表可以使用sort()方法来就地排序，而sorted()函数可以返回一个新的排序后的序列。
list1 = [3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5]
list1.sort() # 就地排序
print(list1) # 输出: [1, 1, 2, 3, 4, 5, 5, 6, 9]
sorted_list = sorted(list1) # 返回新的排序后的列表
print(sorted_list) # 输出: [1, 1, 2, 3, 4, 5, 5, 6, 9]
反转
列表可以使用reverse()方法来就地反转，或者使用切片操作来创建一个反转后的副本。
list1 = [1, 2, 3, 4, 5]
list1.reverse() # 就地反转
print(list1) # 输出: [5, 4, 3, 2, 1]
reversed_list = list1[::-1] # 创建一个反转后的副本
print(reversed_list) # 输出: [1, 2, 3, 4, 5]