2、常用数据结构-1

列表

在Python中，列表是由一系元素按特定顺序构成的数据序列，这样就意味着定义一个列表类型的变量，可以保存多个数据，而且允许有重复的数据。跟上一课我们讲到的字符串类型一样，列表也是一种结构化的、非标量类型，操作一个列表类型的变量，除了可以使用运算符还可以使用它的方法。

在Python中，可以使用[]字面量语法来定义列表，列表中的多个元素用逗号进行分隔，代码如下所示。

items1 = [35, 12, 99, 68, 55, 87]
items2 = ['Python', 'Java', 'Go', 'Kotlin']

除此以外，还可以通过Python内置的list函数将其他序列变成列表。准确的说，list并不是一个普通的函数，它是创建列表对象的构造器（后面会讲到对象和构造器这两个概念）。

items1 = list(range(1, 10))
print(items1)    # [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
items2 = list('hello')
print(items2)    # ['h', 'e', 'l', 'l', 'o']

需要说明的是，列表是一种可变数据类型，也就是说列表可以添加元素、删除元素、更新元素，这一点跟我们上一课讲到的字符串有着鲜明的差别。字符串是一种不可变数据类型，也就是说对字符串做拼接、重复、转换大小写、修剪空格等操作的时候会产生新的字符串，原来的字符串并没有发生任何改变。

定义和使用列表

列表的运算符

和字符串类型一样，列表也支持拼接、重复、成员运算、索引和切片以及比较运算，对此我们不再进行赘述，请大家参考下面的代码。

items1 = [35, 12, 99, 68, 55, 87]
items2 = [45, 8, 29]

# 列表的拼接
items3 = items1 + items2
print(items3)    # [35, 12, 99, 68, 55, 87, 45, 8, 29]

# 列表的重复
items4 = ['hello'] * 3
print(items4)    # ['hello', 'hello', 'hello']

# 列表的成员运算
print(100 in items3)        # False
print('hello' in items4)    # True

# 获取列表的长度(元素个数)
size = len(items3)
print(size)                 # 9

# 列表的索引
print(items3[0], items3[-size])        # 35 35
items3[-1] = 100
print(items3[size - 1], items3[-1])    # 100 100

# 列表的切片
print(items3[:5])          # [35, 12, 99, 68, 55]
print(items3[4:])          # [55, 87, 45, 8, 100]
print(items3[-5:-7:-1])    # [55, 68]
print(items3[::-2])        # [100, 45, 55, 99, 35]

# 列表的比较运算
items5 = [1, 2, 3, 4]
items6 = list(range(1, 5))
# 两个列表比较相等性比的是对应索引位置上的元素是否相等
print(items5 == items6)    # True
items7 = [3, 2, 1]
# 两个列表比较大小比的是对应索引位置上的元素的大小
print(items5 <= items7)    # True

值得一提的是，由于列表是可变类型，所以通过索引操作既可以获取列表中的元素，也可以更新列表中的元素。对列表做索引操作一样要注意索引越界的问题，对于有N个元素的列表，正向索引的范围是0到N-1，负向索引的范围是-1到-N，如果超出这个范围，将引发IndexError异常，错误信息为：list index out of range。

列表元素的遍历

如果想逐个取出列表中的元素，可以使用for循环的，有以下两种做法。

方法一：

items = ['Python', 'Java', 'Go', 'Kotlin']

for index in range(len(items)):
    print(items[index])

方法二：

items = ['Python', 'Java', 'Go', 'Kotlin']

for item in items:
    print(item)

用列表的知识来“掷色子统计每个点数出现次数”的代码。

import random

counters = [0] * 6
for _ in range(6000):
    face = random.randint(1, 6)
    counters[face - 1] += 1
for face in range(1, 7):
    print(f'{face}点出现了{counters[face - 1]}次')

上面的代码中，我们用counters列表中的六个元素分别表示1到6的点数出现的次数，最开始的时候六个元素的值都是0。接下来用随机数模拟掷色子，如果摇出1点counters[0]的值加1，如果摇出2点counters[1]的值加1，以此类推。

列表的方法

和字符串一样，列表类型的方法也很多，下面为大家讲解比较重要的方法。

添加和删除元素

items = ['Python', 'Java', 'Go', 'Kotlin']

# 使用append方法在列表尾部添加元素
items.append('Swift')
print(items)    # ['Python', 'Java', 'Go', 'Kotlin', 'Swift']
# 使用insert方法在列表指定索引位置插入元素
items.insert(2, 'SQL')
print(items)    # ['Python', 'Java', 'SQL', 'Go', 'Kotlin', 'Swift']

# 删除指定的元素
items.remove('Java')
print(items)    # ['Python', 'SQL', 'Go', 'Kotlin', 'Swift']
# 删除指定索引位置的元素
items.pop(0)
items.pop(len(items) - 1)
print(items)    # ['SQL', 'Go', 'Kotlin']

# 清空列表中的元素
items.clear()
print(items)    # []

需要提醒大家，在使用remove方法删除元素时，如果要删除的元素并不在列表中，会引发ValueError异常，错误消息是：list.remove(x): x not in list。在使用pop方法删除元素时，如果索引的值超出了范围，会引发IndexError异常，错误消息是：pop index out of range。

从列表中删除元素其实还有一种方式，就是使用Python中的del关键字后面跟要删除的元素，这种做法跟使用pop方法指定索引删除元素没有实质性的区别，但后者会返回删除的元素，前者在性能上略优（del对应字节码指令是DELETE_SUBSCR，而pop对应的字节码指令是CALL_METHOD和POP_TOP，不理解就跳过，不用管它！！！）。

items = ['Python', 'Java', 'Go', 'Kotlin']
del items[1]
print(items)    # ['Python', 'Go', 'Kotlin']

元素位置和次数

列表类型的index方法可以查找某个元素在列表中的索引位置；因为列表中允许有重复的元素，所以列表类型提供了count方法来统计一个元素在列表中出现的次数。请看下面的代码。

items = ['Python', 'Java', 'Java', 'Go', 'Kotlin', 'Python']

# 查找元素的索引位置
print(items.index('Python'))       # 0
print(items.index('Python', 2))    # 5
# 注意：虽然列表中有'Java'，但是从索引为3这个位置开始后面是没有'Java'的
print(items.index('Java', 3))      # ValueError: 'Java' is not in list

再来看看下面这段代码。

items = ['Python', 'Java', 'Java', 'Go', 'Kotlin', 'Python']

# 查找元素出现的次数
print(items.count('Python'))    # 2
print(items.count('Go'))        # 1
print(items.count('Swfit'))     # 0

元素排序和反转

列表的sort操作可以实现列表元素的排序，而reverse操作可以实现元素的反转，代码如下所示。

items = ['Python', 'Java', 'Go', 'Kotlin', 'Python']

# 排序
items.sort()
print(items)    # ['Go', 'Java', 'Kotlin', 'Python', 'Python']
# 反转
items.reverse()
print(items)    # ['Python', 'Python', 'Kotlin', 'Java', 'Go']

列表的生成式

在Python中，列表还可以通过一种特殊的字面量语法来创建，这种语法叫做生成式。我们给出两段代码，大家可以做一个对比，看看哪一种方式更加简单优雅。

通过for循环为空列表添加元素。

# 创建一个由1到9的数字构成的列表
items1 = []
for x in range(1, 10):
    items1.append(x)
print(items1)

# 创建一个由'hello world'中除空格和元音字母外的字符构成的列表
items2 = []
for x in 'hello world':
    if x not in ' aeiou':
        items2.append(x)
print(items2)

# 创建一个由个两个字符串中字符的笛卡尔积构成的列表
items3 = []
for x in 'ABC':
    for y in '12':
        items3.append(x + y)
print(items3)

通过生成式创建列表。

# 创建一个由1到9的数字构成的列表
items1 = [x for x in range(1, 10)]
print(items1)    # [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

# 创建一个由'hello world'中除空格和元音字母外的字符构成的列表
items2 = [x for x in 'hello world' if x not in ' aeiou']
print(items2)    # ['h', 'l', 'l', 'w', 'r', 'l', 'd']

# 创建一个由个两个字符串中字符的笛卡尔积构成的列表
items3 = [x + y for x in 'ABC' for y in '12']
print(items3)    # ['A1', 'A2', 'B1', 'B2', 'C1', 'C2']

下面这种方式不仅代码简单优雅，而且性能也优于上面使用for循环和append方法向空列表中追加元素的方式。可以简单跟大家交待下为什么生成式拥有更好的性能，那是因为Python解释器的字节码指令中有专门针对生成式的指令（LIST_APPEND指令）；而for循环是通过方法调用（LOAD_METHOD和CALL_METHOD指令）的方式为列表添加元素，方法调用本身就是一个相对耗时的操作。对这一点不理解也没有关系，记住“强烈建议用生成式语法来创建列表”这个结论就可以了。

嵌套的列表

Python语言没有限定列表中的元素必须是相同的数据类型，也就是说一个列表中的元素可以任意的数据类型，当然也包括列表。如果列表中的元素又是列表，那么我们可以称之为嵌套的列表。嵌套的列表可以用来表示表格或数学上的矩阵，例如：我们想保存5个学生3门课程的成绩，可以定义一个保存5个元素的列表保存5个学生的信息，而每个列表元素又是3个元素构成的列表，分别代表3门课程的成绩。但是，一定要注意下面的代码是有问题的。

scores = [[0] * 3] * 5
print(scores)    # [[0, 0, 0], [0, 0, 0], [0, 0, 0], [0, 0, 0], [0, 0, 0]]

看上去我们好像创建了一个5 * 3的嵌套列表，但实际上当我们录入第一个学生的第一门成绩后，你就会发现问题来了，我们看看下面代码的输出。

# 嵌套的列表需要多次索引操作才能获取元素
scores[0][0] = 95
print(scores)
# [[95, 0, 0], [95, 0, 0], [95, 0, 0], [95, 0, 0], [95, 0, 0]]

我们不去过多的解释为什么会出现这样的问题，如果想深入研究这个问题，可以通过Python Tutor网站的可视化代码执行功能，看看创建列表时计算机内存中发生了怎样的变化，下面的图就是在这个网站上生成的。建议大家不去纠结这个问题，现阶段只需要记住不能用[[0] * 3] * 5]这种方式来创建嵌套列表就行了。那么创建嵌套列表的正确做法是什么呢，下面的代码会给你答案。

scores = [[0] * 3 for _ in range(5)]
scores[0][0] = 95
print(scores)
# [[95, 0, 0], [0, 0, 0], [0, 0, 0], [0, 0, 0], [0, 0, 0]]

简单的总结

Python中的列表底层是一个可以动态扩容的数组，列表元素在内存中也是连续存储的，所以可以实现随机访问（通过一个有效的索引获取到对应的元素且操作时间与列表元素个数无关）。我们暂时不去触碰这些底层存储细节以及列表每个方法的渐近时间复杂度（执行这个方法耗费的时间跟列表元素个数的关系），等需要的时候再告诉大家。现阶段，大家只需要知道列表是容器，可以保存各种类型的数据，可以通过索引操作列表元素，知道这些就足够了。

元组

定义和使用元组

在Python中，元组也是多个元素按照一定的顺序构成的序列。元组和列表的不同之处在于，元组是不可变类型，这就意味着元组类型的变量一旦定义，其中的元素不能再添加或删除，而且元素的值也不能进行修改。定义元组通常使用()字面量语法，也建议大家使用这种方式来创建元组。元组类型支持的运算符跟列表是一样。下面的代码演示了元组的定义和运算。

# 定义一个三元组
t1 = (30, 10, 55)
# 定义一个四元组
t2 = ('骆昊', 40, True, '四川成都')

# 查看变量的类型
print(type(t1), type(t2))    # <class 'tuple'> <class 'tuple'>
# 查看元组中元素的数量
print(len(t1), len(t2))      # 3 4

# 通过索引运算获取元组中的元素
print(t1[0], t1[-3])         # 30 30
print(t2[3], t2[-1])         # 四川成都 四川成都

# 循环遍历元组中的元素
for member in t2:
    print(member)

# 成员运算
print(100 in t1)    # False
print(40 in t2)     # True

# 拼接
t3 = t1 + t2
print(t3)           # (30, 10, 55, '骆昊', 40, True, '四川成都')

# 切片
print(t3[::3])      # (30, '骆昊', '四川成都')

# 比较运算
print(t1 == t3)    # False
print(t1 >= t3)    # False
print(t1 < (30, 11, 55))    # True

一个元组中如果有两个元素，我们就称之为二元组；一个元组中如果五个元素，我们就称之为五元组。需要提醒大家注意的是，()表示空元组，但是如果元组中只有一个元素，需要加上一个逗号，否则()就不是代表元组的字面量语法，而是改变运算优先级的圆括号，所以('hello', )和(100, )才是一元组，而('hello')和(100)只是字符串和整数。我们可以通过下面的代码来加以验证。

# 空元组
a = ()
print(type(a))    # <class 'tuple'>
# 不是元组
b = ('hello')
print(type(b))    # <class 'str'>
c = (100)
print(type(c))    # <class 'int'>
# 一元组
d = ('hello', )
print(type(d))    # <class 'tuple'>
e = (100, )
print(type(e))    # <class 'tuple'>

元组的应用场景

讲到这里，相信大家一定迫切的想知道元组有哪些应用场景，我们给大家举几个例子。

例子1：打包和解包操作。

当我们把多个用逗号分隔的值赋给一个变量时，多个值会打包成一个元组类型；当我们把一个元组赋值给多个变量时，元组会解包成多个值然后分别赋给对应的变量，如下面的代码所示。

# 打包
a = 1, 10, 100
print(type(a), a)    # <class 'tuple'> (1, 10, 100)
# 解包
i, j, k = a
print(i, j, k)       # 1 10 100

在解包时，如果解包出来的元素个数和变量个数不对应，会引发ValueError异常，错误信息为：too many values to unpack（解包的值太多）或not enough values to unpack（解包的值不足）。

a = 1, 10, 100, 1000
# i, j, k = a             # ValueError: too many values to unpack (expected 3)
# i, j, k, l, m, n = a    # ValueError: not enough values to unpack (expected 6, got 4)

有一种解决变量个数少于元素的个数方法，就是使用星号表达式，我们之前讲函数的可变参数时使用过星号表达式。有了星号表达式，我们就可以让一个变量接收多个值，代码如下所示。需要注意的是，用星号表达式修饰的变量会变成一个列表，列表中有0个或多个元素。还有在解包语法中，星号表达式只能出现一次。

a = 1, 10, 100, 1000
i, j, *k = a
print(i, j, k)          # 1 10 [100, 1000]
i, *j, k = a
print(i, j, k)          # 1 [10, 100] 1000
*i, j, k = a
print(i, j, k)          # [1, 10] 100 1000
*i, j = a
print(i, j)             # [1, 10, 100] 1000
i, *j = a
print(i, j)             # 1 [10, 100, 1000]
i, j, k, *l = a
print(i, j, k, l)       # 1 10 100 [1000]
i, j, k, l, *m = a
print(i, j, k, l, m)    # 1 10 100 1000 []

需要说明一点，解包语法对所有的序列都成立，这就意味着对列表以及我们之前讲到的range函数返回的范围序列都可以使用解包语法。大家可以尝试运行下面的代码，看看会出现怎样的结果。

a, b, *c = range(1, 10)
print(a, b, c)
a, b, c = [1, 10, 100]
print(a, b, c)
a, *b, c = 'hello'
print(a, b, c)

例子2：交换两个变量的值。

交换两个变量的值是编程语言中的一个经典案例，在很多编程语言中，交换两个变量的值都需要借助一个中间变量才能做到，如果不用中间变量就需要使用比较晦涩的位运算来实现。在Python中，交换两个变量a和b的值只需要使用如下所示的代码。

a, b = b, a

同理，如果要将三个变量a、b、c的值互换，即b赋给a，c赋给b，a赋给c，也可以如法炮制。

a, b, c = b, c, a

需要说明的是，上面并没有用到打包和解包语法，Python的字节码指令中有ROT_TWO和ROT_THREE这样的指令可以实现这个操作，效率是非常高的。但是如果有多于三个变量的值要依次互换，这个时候没有直接可用的字节码指令，执行的原理就是我们上面讲解的打包和解包操作。

元组和列表的比较

这里还有一个非常值得探讨的问题，Python中已经有了列表类型，为什么还需要元组这样的类型呢？这个问题对于初学者来说似乎有点困难，不过没有关系，我们先抛出观点，大家可以一边学习一边慢慢体会。

  1. 元组是不可变类型，不可变类型更适合多线程环境，因为它降低了并发访问变量的同步化开销。关于这一点，我们会在后面讲解多线程的时候为大家详细论述。

  2. 元组是不可变类型，通常不可变类型在创建时间和占用空间上面都优于对应的可变类型。我们可以使用sys模块的getsizeof函数来检查保存相同元素的元组和列表各自占用了多少内存空间。我们也可以使用timeit模块的timeit函数来看看创建保存相同元素的元组和列表各自花费的时间，代码如下所示。

    import sys
import timeit

a = list(range(100000))
b = tuple(range(100000))
print(sys.getsizeof(a), sys.getsizeof(b))    # 900120 800056

print(timeit.timeit('[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]'))
print(timeit.timeit('(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9)'))

  3. Python中的元组和列表是可以相互转换的，我们可以通过下面的代码来做到。

    # 将元组转换成列表
info = ('骆昊', 175, True, '四川成都')
print(list(info))       # ['骆昊', 175, True, '四川成都']
# 将列表转换成元组
fruits = ['apple', 'banana', 'orange']
print(tuple(fruits))    # ('apple', 'banana', 'orange')

简单的总结

列表和元组都是容器型的数据类型，即一个变量可以保存多个数据。列表是可变数据类型，元组是不可变数据类型，所以列表添加元素、删除元素、清空、排序等方法对于元组来说是不成立的。但是列表和元组都可以进行拼接、成员运算、索引和切片这些操作，后面我们要讲到的字符串类型也是这样，因为字符串就是字符按一定顺序构成的序列，在这一点上三者并没有什么区别。我们推荐大家使用列表的生成式语法来创建列表，它很好用，也是Python中非常有特色的语法。

最后修改：2024 年 06 月 11 日
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