Python线性数据结构

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1 线性数据结构

本章要介绍的线性结构：list、tuple、string、bytes、bytearray。

• 线性表：是一种抽象的数学概念，是一组元素的序列的抽象，由有穷个元素组成(0个或任意个)。

  线性表又可分为 顺序表和链接表。

• 顺序表：一组元素在内存中有序的存储。列表list就是典型的顺序表。

• 链接表：一组元素在内存中分散存储链接起来，彼此知道连接的是谁。

  对于这两种表，数组中的元素进行查找、增加、删除、修改，看看有什么影响：

• 查找元素

  对于顺序表，是有序的在内存中存储数据，可快速通过索引编号获取元素，效率高。。

  对于链接表是分散存储的，只能通过一个个去迭代获取元素，效率差。

• 增加元素

  对于顺序表，如果是在末尾增加元素，对于整个数据表来说没什么影响，但是在开头或是中间插入元素，后面的所有元素都要重新排序，影响很大(想想数百万或更大数据量)。

  对于链接表，不管在哪里加入元素，不会影响其他元素，影响小。

• 删除元素

  对于顺序表，删除元素和增加元素有着一样的问题。

  对于链接表，不管在哪里删除元素，不会影响其他元素，影响小。

• 修改元素

  对于顺序表，可快速通过索引获取元素然后进行修改，效率高。

  对于链接表，只能通过迭代获取元素然后进行修改，效率低。

总结：顺序表对于查找与修改效率最高，增加和删除效率低。链接表则相反。

2.内建常用的数据类型

2.1 数值型

• int 整数类型

  说明 ：整数包括负整数、0、正整数（... -2,-1,0,1,2, ...）。

  x1 = 1
  x2 = 0
  x3 = -1
  print(type(x1), x1)
  print(type(x2), x2)
  print(type(x3), x3)
  
  # 输出结果如下：
  <class 'int'> 1
  <class 'int'> 0
  <class 'int'> -1

  int( )方法：可以将数字或字符串转为整数，缺省base=10,表示10进制，无参数传入则返回0。

  x1 = int()
  x2 = int('1')
  x3 = int('0b10',base=2)  #base=2，表二进制，与传入参数类型一致。
  x4 = int(3.14)
  print(type(x1), x1)
  print(type(x2), x2)
  print(type(x3), x3)
  print(type(x4), x4)
  
  # 输出结果如下：
  <class 'int'> 0
  <class 'int'> 1
  <class 'int'> 2
  <class 'int'> 3

• float 浮点类型

  说明 ：由整数和小数部分组成，传入的参数可以为 int 、 str 、 bytes 、 bytearray 。

  x1 = float(1)
  x2 = float('2')
  x3 = float(b'3')
  print(type(x1), x1)
  print(type(x2), x2)
  print(type(x3), x3)
  
  # 输出结果如下：
  <class 'float'> 1.0
  <class 'float'> 2.0
  <class 'float'> 3.0

• complex (复数类型)

  说明 ：由实数和虚数部分组成，都是浮点数。

  传入参数可以为 int 、 str ，如果传入两参，前面一个为实数部分，后一个参数为虚数部分。

  x1 = complex(1)
  x2 = complex(2,2)
  x3 = complex('3')
  print(type(x1), x1)
  print(type(x2), x2)
  print(type(x3), x3)
  
  # 输出结果如下：
  <class 'complex'> (1+0j)
  <class 'complex'> (2+2j)
  <class 'complex'> (3+0j)

• bool (布尔类型)

  说明 ：为int的子类，返回的是True和False，对应的是1和0。

  x1 = bool(0)
  x2 = bool(1)
  x3 = bool()
  x4 = 2 > 1
  print(type(x1), x1)
  print(type(x2), x2)
  print(type(x3), x3)
  print(type(x4), x4)
  
  # 输出结果如下：
  <class 'bool'> False
  <class 'bool'> True
  <class 'bool'> False
  <class 'bool'> True

2.2 序列(sequence)

2.2.1 list 列表

说明： 列表是由若干元素对象组成，且是 有序可变 的线性数据结构，使用中括号 [ ] 表示。

• 初始化

  lst = []  # 空列表方式1
  #或者
  lst = list()  # 空列表方式2
  print(type(lst),lst)
  
  # 输入结果如下：
  <class 'list'> []

• 索引

  说明： 使用正索引(从左至右)、负索引(从右至左)访问元素，时间复杂度为 O(1) ，效率极高的使用方式。

  按照给定区间获取到数据，叫做切片。

  正索引：

  从左至右，从0开始索引，区间为[0，长度-1]，左包右不包。

  lst = ['a','b','c','d']
  print(lst[0])  # 获取第一个元素
  print(lst[1:2])  # 获取第二个元素,左包右不包，切片
  print(lst[2:])  # 获取第三个元素到最后一个元素，切片
  print(lst[:])  # 获取所有元素，切片
  
  # 输出结果如下：
  a
  ['c']
  ['c', 'd']
  ['a', 'b', 'c', 'd']

  负索引：

  从右至左，从-1开始索引，区间为[-长度，-1]

  lst = ['a','b','c','d']
  print(lst[-1])
  print(lst[-2:])
  
  # 输出结果如下：
  d
  ['c', 'd']

• 查询

  index( )方法： L.index(value, [start, [stop]]) -> integer

  返回的是索引id，要迭代列表，时间复杂度为O(n)。

  lst = ['a','b','c','d']
  print(lst.index('a',0,4))  # 获取区间[0,4]的元素'a'的索引id
  
  # 输出结果如下：
  0

  备注：如果查询不到元素，则抛出 ValueError 。

  count( ) 方法：L.count(value) -> integer

  返回的是元素出现的次数，要迭代列表，时间复杂度为O(n)。

  lst = ['a','b','a','b']
  print(lst.count('a'))
  
  # 输出结果如下：
  2

  len( ) 方法：返回的是列表元素的个数，时间复杂度为O(1)。

  lst = ['a','b','c','d']
  print(len(lst))
  
  # 输出结果如下：
  4

  备注：所谓的O(n) 是指随着数据的规模越来越大，效率下降，而O(1)则相反，不会随着数据规模大而影响效率。

• 修改

  列表是有序可变，所以能够对列表中的元素进行修改。

  lst = ['a','b','c','d']
  lst[0] = 'A'
  print(lst)
  
  # 输出结果如下：
  ['A', 'b', 'c', 'd']

• 增加

  append( ) 方法： L.append(object) -> None

  尾部追加元素，就地修改，返回None。

  lst = ['a','b','c','d']
  lst.append('e')
  print(lst)
  
  # 输出结果如下：
  ['a', 'b', 'c', 'd', 'e']

  insert( )方法： L.insert(index, object) -> None ,

  在指定索引位置插入元素对象，返回None。

  lst = ['a','b','c','d']
  lst.insert(0,'A')  # 在索引0位置插入'A',原有的元素全部往后移，增加了复杂度
  print(lst)
  
  # 输出结果如下：
  ['A', 'a', 'b', 'c', 'd']

  extend( )方法： L.extend(iterable) -> None

  可以增加多个元素，将可迭代对象的元素追加进去，返回None。

  lst = ['a','b','c','d']
  lst.extend([1,2,3])
  print(lst)
  
  # 输出结果如下：
  ['a', 'b', 'c', 'd', 1, 2, 3]

  还可以将列表通过 + 和 * ，拼接成新的列表。

  lst1 = ['a','b','c','d']
  lst2 = ['e','f','g']
  print(lst1 + lst2)
  print(lst1 * 2)  # 将列表里面的元素各复制2份
  
  # 输出结果如下：
  ['a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g']
  ['a', 'b', 'c', 'd', 'a', 'b', 'c', 'd']

  这里还有一个特别要注意情况如下：

  lst1 = [[1]] * 3  # 结果：[[1], [1], [1]]
  print(lst1)
  lst1[0][0] = 10  # 结果：[[10], [1], [1]]，是这样嘛？？
  print(lst1)
  
  # 输出结果如下：
  [[1], [1], [1]]
  [[10], [10], [10]]  # 为什么结果会是这个？请往下看列表复制章节，找答案！

• 删除

  remove()方法： L.remove(value) -> None

  从左至右遍历查找，找到就删除该元素，返回None，找不到则抛出 ValueError 。

  lst = ['a','b','c','d']
  lst.remove('d')
  print(lst)
  
  # 输出结果如下：
  ['a', 'b', 'c']  # 元素'd'已经被删除

  pop() 方法： L.pop([index]) -> item

  缺省删除尾部元素，可指定索引删除元素，索引越界抛出 IndexError 。

  lst = ['a','b','c','d']
  lst.pop()
  print(lst)
  
  # 输出结果如下：
  ['a', 'b', 'c']

  clear() 方法： L.clear() -> None

  清空列表所有元素，慎用。

  lst = ['a','b','c','d']
  lst.clear()
  print(lst)
  
  # 输出结果如下：
  []  # 空列表了

• 反转

  reverse( ) 方法： L.reverse()

  将列表中的元素反转，返回None。

  lst = ['a','b','c','d']
  lst.reverse()
  print(lst)
  
  # 输出结果如下：
  ['d', 'c', 'b', 'a']

• 排序

  sort() 方法： L.sort(key=None, reverse=False) -> None

  对列表元素进行排序，缺省为升序，reverse=True为降序。

  lst = ['a','b','c','d']
  lst.sort(reverse=True)
  print(lst)
  
  # 输出结果如下：
  ['d', 'c', 'b', 'a']

• in成员操作

  判断成员是否在列表里面，有则返回True、无则返回False。

  lst = ['a','b','c','d']
  print('a' in lst)
  print('e' in lst)
  
  # 输出结果如下：
  True
  False

• 列表复制

  说明： 列表复制指的是列表元素的复制，可分为浅copy和深copy两种。列表元素对象如列表、元组、字典、类、实例这些归为引用类型(指向内存地址)，而数字、字符串先归为简单类型，好让大家理解。

  示例一：这是属于拷贝嘛？

  lst1 = [1,[2,3],4]
  lst2 = lst1
  print(id(lst1),id(lst2),lst1 == lst2, lst2)  # id() 查看内存地址
  
  # 输出结果如下：
  1593751168840 1593751168840 True [1, [2, 3], 4]

  

  显然不是属于任何copy，说白了都是指向同一个内存地址。

  示例二：浅拷贝copy

  说明： 浅拷贝对于 引用类型 对象是不会copy的，地址指向仍是一样。

  

  lst1 = [1,[2,3],4]
  lst2 = lst1.copy()
  print(id(lst1),id(lst2),lst1 == lst2, lst2)
  print('=' * 30)
  lst1[1][0] = 200  # 修改列表的引用类型，所有列表都会改变
  print(lst1, lst2)
  
  # 输出结果如下：
  1922175854408 1922175854344 True [1, [2, 3], 4]
  ==============================
  [1, [200, 3], 4] [1, [200, 3], 4]

  示例三：深拷贝deepcopy

  说明： 深拷贝对于 引用类型 对象也会copy成另外一份，地址指向不一样。

  

  import copy
  
  lst1 = [1,[2,3],4]
  lst2 = copy.deepcopy(lst1)
  print(id(lst1),id(lst2),lst1 == lst2, lst2)
  print('=' * 30)  
  lst1[1][0] = 200  # 修改列表的引用类型，不会影响其他列表
  print(lst1, lst2)
  
  # 输出结果如下：
  2378580158344 2378580158280 True [1, [2, 3], 4]
  ==============================
  [1, [200, 3], 4] [1, [2, 3], 4]

2.2.2 tuple 元组

说明： 元组是由若干元素对象组成，且是 有序不可变 的数据结构，使用小括号 ( ) 表示。

• 初始化

  t1 = ()  # 空元素方式1，一旦创建将不可改变
  t2 = tuple()  # 空元素方式2，一旦创建将不可改变
  t3 = ('a',)  # 元组只有一个元素，一定要加逗号','
  t4 = (['a','b','c'])  # 空列表方式2

  备注： 元组如果只有一个元素对象， 一定 要在后面加逗号 , 否则变为其他数据类型。

• 索引

  同列表一样，不再过多举例。

  t = ('a','b','c','d')
  print(t[0])
  print(t[-1])
  # 输出结果如下：
  a
  d

• 查询

  同列表一样，不再过多举例。

  t = ('a','b','c','d')
  print(t.index('a'))
  print(t.count('a'))
  print(len(t))
  
  # 输出结果如下：
  0
  1
  4

• 增删改

  元组是 不可变 类型，不能增删改元素对象。

  但是要注意如下场景：

  元组中的元素对象(内存地址)不可变，引用类型可变。----这里又出现引用类型的情况了。

  # 元组的元组不可修改(即内存地址)
  t = ([1],)
  t[0]= 100
  print(t)
  # 结果报错了
  TypeError: 'tuple' object does not support item assignment
      
  ############################################
  
  # 元组里面的引用类型对象可以修改（如嵌套了列表）
  t = ([1],2,3)
  t[0][0] = 100  # 对元组引用类型对象的元素作修改
  print(t)
  
  # 输出结果如下：
  ([100], 2, 3)

2.2.3 string 字符串

说明： 字符串是由若干字符组成，且是 有序不可变 的数据结构，使用引号表示。

• 初始化

  多种花样，使用单引号、双引号、三引号等。

  name = 'tom'
  age = 18
  str1 = 'abc'  # 单引号字符串
  str2 = "abc"  # 双引号字符串
  str3 = """I'm python"""  # 三引号字符串
  str4 = r"c:\windows\note"  # r前缀，没有转义(转义字符不生效)
  str5 = f'{name} is {age} age.'  # f前缀，字符串格式化，v3.6支持
  print(type(str1), str1)
  print(type(str2), str2)
  print(type(str3), str3)
  print(type(str4), str4)
  print(type(str5), str5)
  
  # 输出结果如下：
  <class 'str'> abc
  <class 'str'> abc
  <class 'str'> I'm python
  <class 'str'> c:\windows\note
  <class 'str'> tom is 18 age.

• 索引

  同列表一样，不再过多举例。

  str = "abcdefg"
  print(str[0])
  print(str[-1])
  
  # 输出结果如下：
  a
  g

• 连接

  通过加号 + 将多个字符串连接起来，返回一个新的字符串。

  str1 = "abcd"
  str2 = "efg"
  print(str1 + str2)
  
  # 输出结果如下：
  abcdefg

  join( ) 方法： S.join(iterable) -> str

  s表示分隔符字符串，iterable为可迭代对象 字符串 ，结果返回字符串。

  str = "abcdefg"
  print('->'.join(str))
  
  # 输出结果如下：
  a->b->c->d->e->f->g

• 字符查找

  find( ) 方法： S.find(sub[, start[, end]]) -> int

  从左至右查找子串sub，也可指定区间，找到返回正索引，找不到则返回 -1 。

  str = "abcdefg"
  print(str.find('a',0,7))
  print(str.find('A'))
  
  # 输出结果如下：
  0
  -1

  rfind( ) 方法： S.rfind(sub[, start[, end]]) -> int

  从右至左查找子串sub，也可指定区间，找到返回正索引，找不到则返回 -1 。

  str = "abcdefg"
  print(str.rfind('a'))
  print(str.rfind('A'))
  
  # 输出结果如下：
  0
  -1

  还有 index() 和 find() 类似，不过找不到会抛异常，不建议使用。

  像 s.count() 还可以统计字符出现的次数。

  像 len(s) 还可以统计字符串的长度。

• 分割

  split( ) 方法： S.split(sep=None, maxsplit=-1) -> list of strings

  sep表示分隔符，缺省为空白字符串，maxsplit=-1表示遍历整个字符串，最后返回列表。

  str = "a,b,c,d,e,f,g"
  print(str.split(sep=','))
  
  # 输出结果如下：
  ['a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g']

  rsplit( ) 方法与上面不同就是，从右至左遍历。

  splitlines() 方法： S.splitlines([keepends]) -> list of strings

  按行来切割字符串，keepends表示是否保留行分隔符，最后返回列表。

  str = "a\nb\nc\r\nd"
  print(str.splitlines())
  print(str.splitlines(keepends=True))
  
  # 输出结果如下：
  ['a', 'b', 'c', 'd']
  ['a\n', 'b\n', 'c\r\n', 'd']

  partition() 方法： S.partition(sep) -> (head, sep, tail)

  从左至右查询分隔符，遇到就分割成头、分隔符、尾的三元组，返回的是一个元组tuple。

  str = "a*b*c*d"
  print(str.partition('*'))
  # 输出结果如下：
  ('a', '*', 'b*c*d')

  rpartition() 方法： S.rpartition(sep) -> (head, sep, tail)

  与上方法不同，就是从右至左，不过这个比较常用，可以获取后缀部分信息。

  str1 = "http://www.python.org:8843"
  str2 = str1.rpartition(':')
  port = str2[-1]
  print(port)

• 替换

  replace() 方法： S.replace(old, new[, count]) -> str

  遍历整个字符串，找到全部替换，count表示替换次数，缺省替换全部，最后返回一个 新的字符串 。

  str = "www.python.org"
  print(str.replace('w','m'))  # 返回的是一个新的字符串
  print(str)  # 字符串不可变，保持原样
  
  # 输出结果如下：
  mmm.python.org
  www.python.org

• 移除

  strip() 方法： S.strip([chars]) -> str

  在字符串两端移除指定的 字符集chars , 缺省移除空白字符。

  str = " * www.python.org  *"
  print(str.strip("* "))  # 去掉字符串首尾带有星号'*' 和 空白' '
  
  # 输出结果如下：
  www.python.org

  还有 lstrip() 和 rstrip 分别是移除字符串左边和右边字符集。

• 首尾判断

  startswith() 方法： S.startswith(prefix[, start[, end]]) -> bool

  缺省判断字符串开头是否有指定的字符prefix,也可指定区间。

  str = "www.python.org"
  print(str.startswith('www',0,14))
  print(str.startswith('p',0,14))
  # 输出结果如下：
  True
  False

  endswith() 方法： S.endswith(suffix[, start[, end]]) -> bool

  缺省判断字符串结尾是否有指定的字符suffix,也可指定区间。

  str = "www.python.org"
  print(str.startswith('www',0,14))
  print(str.startswith('p',0,14))
  # 输出结果如下：
  True
  False

  str = "www.python.org"
  print(str.endswith('g',11,14))
  # 输出结果如下：
  True

• 格式化

  c风格格式化：

  

  格式字符串：使用%s(对应值为字符串)，%d(对应值为数字)等等，还可以在中间插入修饰符%03d。

  被格式的值：只能是一个对象，可以是元组或是字典。

  name = "Tom"
  age = 18
  print("%s is %d age." % (name,age))
  # 输出结果如下：
  Tom is 18 age.

  format格式化：

  

  格式字符串：使用花括号{ }, 花括号里面可以使用修饰符。

  被格式的值：*args为可变位置参数，**kwargs为可变关键字参数。

  # 位置传参
  print("IP={} PORT={}".format('8.8.8.8',53))  # 位置传参
  print("{Server}: IP={1} PORT={0}".format(53, '8.8.8.8', Server='DNS Server'))  # 位置和关键字传参传参
  
  # 输出结果如下：
  IP=8.8.8.8 PORT=53
  DNS Server: IP=8.8.8.8 PORT=53

  # 浮点数
  print("{}".format(0.123456789))
  print("{:f}".format(0.123456789))    #  小数点默认为6位
  print("{:.2f}".format(0.123456789))  # 取小数点后两位
  print("{:15}".format(0.123456789))   # 宽度为15，右对齐
  
  # 输出结果如下：
  0.123456789
  0.123457     # 为什么是这个值？大于5要进位
  0.12
      0.123456789  # 左边有4个空格

• 其他常用函数

  str = "DianDiJiShu"
  print(str.upper())  # 字母全部转化为大写
  print(str.lower())  # 字母全部转化为小写
  
  # 输出结果如下：
  DIANDIJISHU
  diandijishu

2.2.4 bytes 字节

bytes 和 bytearray 从python3引入的两种数据类型。

在计算机的世界里，机器是以 0 和 1 组成的，也叫二进制(字节)来通信的，这套编码我们叫做 ASCII 编码。

所以机器通信的语言就叫做机器语言。然而我们人类想要跟机器通信，那么需要怎么做呢？

• 把人类的语言编码成机器能够识别的语言，通常叫做编码（字符串转换为ASCII码）。
• 把机器的语言解码成人类能够识别的语言，通常叫做解码（ASCII码转换为字符串）。

至今现代编码的发展史过程大概是这样的：ASCII(1字节) -> unicode(2~4字节) -> utf-8(1 _{6字节)，utf8是多字节编码，一般使用1} 3字节，特殊使用4字节(一般中文使用3字节)，向下兼容ASCII编码。

中国也有属于自己的编码：gbk

ASCII码表常用的必须牢记(整理部分)：

详细ASCII码下载链接：

链接：https://pan.baidu.com/s/1fWVl57Kqmv-tkjrDKwPvSw 提取码：tuyz

所以，机器上的进制就是字节，1字节等于8位，例如：十进制2，用2进制和16进制表示：

# 二进制
0000 0010  # 一个字节bytes

# 16进制，机器基本都是显示16进制
0x2

bytes 是不可变类型

bytes()     # 空bytes，一旦创建不可改变
bytes(int)  # 指定字节的大小，用0填充
bytes(iterable_of_ints)  # [0.255]整数的可迭代对象
bytes(string, encoding[, errors])  # 等价于string.encoding(),字符串编码成字节
bytes(bytes_or_buffer)  # 复制一份新的字节对象

• 初始化

  b1 = bytes()
  b2 = bytes(range(97,100))
  b3 = bytes(b2)
  b4 = bytes('123',encoding='utf-8')
  b5 = b'ABC'
  b6 = b'\xe4\xbd\xa0\xe5\xa5\xbd'.decode('utf-8')
  print(b1, b2, b3, b4, b5, b6, sep='\n')
  
  # 输出结果如下：
  b''
  b'abc'
  b'abc'
  b'123'
  b'ABC'
  你好

2.2.5 bytearray 字节数组

bytearray是可变数组，可以进行增删改操作，类似列表。

bytearray()  # 空bytearray,可改变
bytearray(iterable_of_ints)  # [0.255]整数的可迭代对象
bytearray(string, encoding[, errors])  # 等价于string.encoding(),字符串编码成字节
bytearray(bytes_or_buffer)   # 复制一份新的字节数组对象
bytearray(int)  # 指定字节的大小，用0填充

• 增删改

  # 初始化
  b = bytearray()
  print(b)
  # 输出结果如下：
  bytearray(b'')
  #--------------------------
  # 增加元素对象
  b.append(97)
  print(b)
  b.extend([98,99])
  print(b)
  # 输出结果如下：
  bytearray(b'a')
  bytearray(b'abc')
  #--------------------------
  # 插入元素对象
  b.insert(0,65)
  print(b)
  # 输出结果如下：
  bytearray(b'Aabc')
  #--------------------------
  # 删除元素对象
  b.pop()
  print(b)
  # 输出结果如下：
  bytearray(b'Aab')

今天就到这了，下一回合咱再接着唠嗑 set (集合) 和 dict (字典) ，敬请耐心等待。

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