Python序列類型

在本博客中，我們將學(xué)習(xí)探討Python的各種“序列”類，內(nèi)置的三大常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——列表類（list）、元組類（tuple）和字符串類（str）。

不知道你發(fā)現(xiàn)沒(méi)有，這些類都有一個(gè)很明顯的共性，都可以用來(lái)保存多個(gè)數(shù)據(jù)元素，最主要的功能是：每個(gè)類都支持下標(biāo)（索引）訪問(wèn)該序列的元素，比如使用語(yǔ)法 Seq[i]。其實(shí)上面每個(gè)類都是使用 數(shù)組 這種簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示。

但是熟悉Python的讀者可能知道這3種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)又有一些不同：比如元組和字符串是不能修改的，列表可以修改。

計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的數(shù)組結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，我們知道計(jì)算機(jī)主存由位信息組成，這些位通常被歸類成更大的單元，這些單元?jiǎng)t取決于精準(zhǔn)的系統(tǒng)架構(gòu)。一個(gè)典型的單元就是一個(gè)字節(jié)，相當(dāng)于8位。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)擁有龐大數(shù)量的存儲(chǔ)字節(jié)，那么如何才能找到我們的信息存在哪個(gè)字節(jié)呢？答案就是大家平時(shí)熟知的 存儲(chǔ)地址 。基于存儲(chǔ)地址，主存中的任何字節(jié)都能被有效的訪問(wèn)。實(shí)際上，每個(gè)存儲(chǔ)字節(jié)都和一個(gè)作為其地址的唯一二進(jìn)制數(shù)字相關(guān)聯(lián)。如下圖中，每個(gè)字節(jié)均被指定了存儲(chǔ)地址：

一般來(lái)說(shuō)，編程語(yǔ)言記錄標(biāo)識(shí)符和其關(guān)聯(lián)值所存儲(chǔ)的地址之間的關(guān)系。比如，當(dāng)我們聲明標(biāo)識(shí)符 xx 就有可能和存儲(chǔ)器中的某一值相關(guān)聯(lián)，而標(biāo)識(shí)符 yy就可能和其他的值相關(guān)聯(lián)。一組相關(guān)的變量能夠一個(gè)接一個(gè)地存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的一塊連續(xù)區(qū)域內(nèi)。我們將這種方式稱為 數(shù)組。

我們來(lái)看Python中的例子，一個(gè)文本字符串 HELLO 是以一列有序字符的形式存儲(chǔ)的，假定該字符串的每個(gè)Unicode字符需要兩個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間。最下面的數(shù)字就是該字符串的索引值。

我們可以看到，數(shù)組可以存儲(chǔ)多個(gè)值而無(wú)需構(gòu)造具有特定索引的多個(gè)變量來(lái)指定其中的每個(gè)項(xiàng)目，并且?guī)缀踉谒芯幊陶Z(yǔ)言（例如C、Java、C#、C++）中使用，但是Python更具有優(yōu)勢(shì)。Python在構(gòu)建列表時(shí)，熟悉的讀者可能知道，不需要預(yù)先定義數(shù)組或列表的大小，相反，在Python中，列表具有動(dòng)態(tài)性質(zhì)，我們可以不斷的往列表中添加我們想要的數(shù)據(jù)元素。接下來(lái)，讓我們看看Python列表的知識(shí)（已經(jīng)熟悉的讀者可以快速瀏覽或者跳過(guò)）。

Python列表

Python列表的操作

創(chuàng)建列表的語(yǔ)法格式：

[ele1, ele2, ele3, ele4, ...]

創(chuàng)建元組的語(yǔ)法格式：

(ele1, ele2, ele3, ele4, ...)

元組比列表的內(nèi)存空間利用率更高，因?yàn)樵M是固定不變的，所以沒(méi)有必要?jiǎng)?chuàng)建擁有剩余空間的動(dòng)態(tài)數(shù)組。

我們先在Python的IDE中創(chuàng)建一個(gè)列表，然后大致了解一下列表部分內(nèi)置操作，我們先創(chuàng)建了一個(gè)名為test_list的列表，然后修改（插入或刪除）元素，反轉(zhuǎn)或清空列表，具體如下：

>>> test_list = [] # 創(chuàng)建名為test_list的空列表
>>> test_list.append("Hello")
>>> test_list.append("World")
>>> test_list
['Hello', 'World']
>>> test_list = ["Hello", "Array", 2019, "easy learning", "DataStructure"] # 重新給test_list賦值
>>> len(test_list) # 求列表的長(zhǎng)度
5
>>> test_list[2] = 1024 # 修改列表元素
>>> test_list
['Hello', 'Array', 1024, 'easy learning', 'DataStructure']
>>>
>>> test_list.insert(1, "I love")  # 向列表中指定位置中插入一個(gè)元素
>>> test_list
['Hello', 'I love', 'Array', 1024, 'easy learning', 'DataStructure']
>>> test_list.append(2020) # 向列表末尾增加一個(gè)元素
>>> test_list
['Hello', 'I love', 'Array', 1024, 'easy learning', 'DataStructure', 2020]
>>>
>>> test_list.pop(1)  # 刪除指定位置的元素
'I love'
>>> test_list.remove(2020) # 刪除指定元素
>>> 
>>> test_list.index('Hello')  # 查找某個(gè)元素的索引值
0
>>> test_list.index('hello')  # 如果查找某個(gè)元素不在列表中，返回ValueError錯(cuò)誤
Traceback (most recent call last):
 File "<pyshell#11>", line 1, in <module>
  test_list.index('hello')
ValueError: 'hello' is not in list
>>> 
>>> test_list.reverse() # 反轉(zhuǎn)整個(gè)列表
>>> test_list
['DataStructure', 'easy learning', 2019, 'Array', 'Hello']
>>> test_list.clear()  # 清空列表
>>> test_list
[]

我們看上面的代碼，可以看到list的相關(guān)操作——增刪改查，已經(jīng)很強(qiáng)大了，還有一些內(nèi)置方法這里并沒(méi)有做展示，留給讀者自己去發(fā)現(xiàn)并體驗(yàn)。

那么Python內(nèi)置的list類是如何被實(shí)現(xiàn)的呢？

好吧，答案是動(dòng)態(tài)數(shù)組。說(shuō)到這里，不知道大家學(xué)Python列表的時(shí)候是不是這樣想的——列表很簡(jiǎn)單嘛，就是list()類、用中括號(hào)[]括起來(lái)，然后指導(dǎo)書籍或文檔上的各類方法append、insert、pop...在IDE或者Pycharm一頓操作過(guò)后，是的我學(xué)會(huì)了。

但其實(shí)真的很不簡(jiǎn)單，比如我舉個(gè)例子：A[-1]這個(gè)操作怎么實(shí)現(xiàn)？列表切片功能怎么實(shí)現(xiàn)？如何自己寫pop()默認(rèn)刪除列表最右邊的元素(popleft刪除最左邊簡(jiǎn)單)？...這些功能用起來(lái)爽，但真的自己實(shí)現(xiàn)太難了（我也還在學(xué)習(xí)中，大佬們請(qǐng)輕噴?。┤绻覀兡軐W(xué)習(xí)并理解，肯定可以加強(qiáng)我們對(duì)數(shù)組這一結(jié)構(gòu)的理解。

動(dòng)態(tài)數(shù)組

什么是動(dòng)態(tài)數(shù)組

動(dòng)態(tài)數(shù)組是內(nèi)存的連續(xù)區(qū)域，其大小隨著插入新數(shù)據(jù)而動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)。在靜態(tài)數(shù)組中，我們需要在分配時(shí)指定大小。在定義數(shù)組的時(shí)候，其實(shí)計(jì)算機(jī)已經(jīng)幫我們分配好了內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)，實(shí)際上我們不能擴(kuò)展數(shù)組，因?yàn)樗拇笮∈枪潭ǖ?。比如：我們分配一個(gè)大小為10的數(shù)組，則不能插入超過(guò)10個(gè)項(xiàng)目。

但是動(dòng)態(tài)數(shù)組會(huì)在需要的時(shí)候自動(dòng)調(diào)整其大小。這一點(diǎn)有點(diǎn)像我們使用的Python列表，可以存儲(chǔ)任意數(shù)量的項(xiàng)目，而無(wú)需在分配時(shí)指定大小。

所以實(shí)現(xiàn)一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)組的實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是——如何擴(kuò)展數(shù)組？當(dāng)列表list1的大小已滿時(shí)，而此時(shí)有新的元素要添加進(jìn)列表，我們會(huì)執(zhí)行一下步驟來(lái)克服其大小限制的缺點(diǎn)：

• 分配具有更大容量的新數(shù)組 list2
• 設(shè)置 list2[i] = list1[i] (i=0,1,2,...，n-1)，其中n是該項(xiàng)目的當(dāng)前編號(hào)
• 設(shè)置list1 = list2，也就是說(shuō)，list2正在作為新的數(shù)組來(lái)引用我們的新列表。
• 然后，只要將新的元素插入（添加）到我們的列表list1即可。

接下來(lái)要思考的問(wèn)題是，新數(shù)組應(yīng)該多大？通常我們得做法是：新數(shù)組的大小是已滿的舊數(shù)組的2倍。我們將在Python中編程實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)組的概念，并創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的代碼，很多功能不及Python強(qiáng)大。

實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)組Python代碼

在Python中，我們利用ctypes的內(nèi)置庫(kù)來(lái)創(chuàng)建自己的動(dòng)態(tài)數(shù)組類，因?yàn)閏types模塊提供對(duì)原始數(shù)組的支持，為了更快的對(duì)數(shù)組進(jìn)行學(xué)習(xí)，所以對(duì)ctypes的知識(shí)可以查看官方文檔進(jìn)行學(xué)習(xí)。關(guān)于Python的公有方法與私有方法，我們?cè)诜椒Q前使用雙下劃線**__**使其保持隱藏狀態(tài)，代碼如下：

# -*- coding: utf-8 -*-
# @Time   : 2019-11-01 17:10
# @Author  : yuzhou_1su
# @ContactMe : https://blog.csdn.net/yuzhou_1shu
# @File   : DynamicArray.py
# @Software : PyCharm

import ctypes


class DynamicArray:
  """A dynamic array class akin to a simplified Python list."""

  def __init__(self):
    """Create an empty array."""
    self.n = 0       # count actual elements
    self.capacity = 1   # default array capacity
    self.A = self._make_array(self.capacity)   # low-level array

  def is_empty(self):
    """ Return True if array is empty"""
    return self.n == 0

  def __len__(self):
    """Return numbers of elements stored in the array."""
    return self.n

  def __getitem__(self, i):
    """Return element at index i."""
    if not 0 <= i < self.n:
      # Check it i index is in bounds of array
      raise ValueError('invalid index')
    return self.A[i]

  def append(self, obj):
    """Add object to end of the array."""
    if self.n == self.capacity:
      # Double capacity if not enough room
      self._resize(2 * self.capacity)
    self.A[self.n] = obj  # Set self.n index to obj
    self.n += 1

  def _resize(self, c):
    """Resize internal array to capacity c."""
    B = self._make_array(c)   # New bigger array
    for k in range(self.n):  # Reference all existing values
      B[k] = self.A[k]
    self.A = B     # Call A the new bigger array
    self.capacity = c  # Reset the capacity

  @staticmethod
  def _make_array(c):
    """Return new array with capacity c."""
    return (c * ctypes.py_object)()

  def insert(self, k, value):
    """Insert value at position k."""
    if self.n == self.capacity:
      self._resize(2 * self.capacity)
    for j in range(self.n, k, -1):
      self.A[j] = self.A[j-1]
    self.A[k] = value
    self.n += 1

  def pop(self, index=0):
    """Remove item at index (default first)."""
    if index >= self.n or index < 0:
      raise ValueError('invalid index')
    for i in range(index, self.n-1):
      self.A[i] = self.A[i+1]
    self.A[self.n - 1] = None
    self.n -= 1

  def remove(self, value):
    """Remove the first occurrence of a value in the array."""
    for k in range(self.n):
      if self.A[k] == value:
        for j in range(k, self.n - 1):
          self.A[j] = self.A[j+1]
        self.A[self.n - 1] = None
        self.n -= 1
        return
    raise ValueError('value not found')

  def _print(self):
    """Print the array."""
    for i in range(self.n):
      print(self.A[i], end=' ')
    print()

測(cè)試動(dòng)態(tài)數(shù)組Python代碼

上面我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)組的類，相信都很激動(dòng)，接下來(lái)讓我們來(lái)測(cè)試一下，看能不能成功呢？在同一個(gè)文件下，寫的測(cè)試代碼如下：

def main():
  # Instantiate
  mylist = DynamicArray()

  # Append new element
  mylist.append(10)
  mylist.append(9)
  mylist.append(8)
  # Insert new element in given position
  mylist.insert(1, 1024)
  mylist.insert(2, 2019)
  # Check length
  print('The array length is: ', mylist.__len__())
  # Print the array
  print('Print the array：')
  mylist._print()
  # Index
  print('The element at index 1 is :', mylist[1])
  # Remove element
  print('Remove 2019 in array:')
  mylist.remove(2019)
  mylist._print()
  # Pop element in given position
  print('Pop pos 2 in array:')
  # mylist.pop()
  mylist.pop(2)
  mylist._print()
if __name__ == '__main__':
  main()

測(cè)試結(jié)果

激動(dòng)人心的時(shí)刻揭曉，測(cè)試結(jié)果如下。請(qǐng)結(jié)合測(cè)試代碼和數(shù)組的結(jié)構(gòu)進(jìn)行理解，如果由疏漏，歡迎大家指出。

The array length is: 5
Print the array：
10 1024 2019 9 8 
The element at index 1 is : 1024
Remove 2019 in array:
10 1024 9 8 
Pop pos 2 in array:
10 1024 8 

總結(jié)

通過(guò)以上的介紹，我們知道了數(shù)組存在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)類型。而在本博客中，我們著重介紹了什么是動(dòng)態(tài)數(shù)組，并通過(guò)Python代碼進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。希望你能從此以復(fù)雜的方式學(xué)會(huì)數(shù)組。

總結(jié)發(fā)言，其實(shí)越是簡(jiǎn)單的操作，背后實(shí)現(xiàn)原理可能很復(fù)雜。

以上就是本文的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。