Python 数据结构全解析，从基础到实战

Python 作为一门强大的编程语言，其丰富的数据结构是其受欢迎的关键原因之一。掌握这些数据结构不仅能提高代码效率，更能解决复杂问题。本文将系统梳理 Python 数据结构体系，从原始类型到复杂的自定义结构，并通过简洁案例展示其应用精髓。

以下是对Python数据结构的详细讲解：

一、列表（List）

（一）定义和特点

列表是Python中最常用的数据结构之一。它是一个有序的元素序列，用方括号[]表示，元素之间用逗号分隔。列表中的元素可以是不同类型的数据，如整数、字符串、浮点数等。

# 创建一个列表
my_list = [1, "hello", 3.14, True]

列表具有以下特点：

• 可变性：列表是可变的（Mutable），即可以在创建后对其进行修改，如添加、或删除修改元素。
• 有序性：列表中的元素是有顺序的，可以通过索引来访问特定位置的元素。
• 允许重复元素：列表中可以包含重复的元素。

（二）常见操作

1. 访问元素：通过索引访问列表中的元素，索引从0开始。

   print(my_list[0])  # 输出 1
   

2. 添加元素：

   • 使用append()方法在列表末尾添加一个元素。

     my_list.append(100)
     

   • 使用insert()方法在指定位置插入一个元素。

     my_list.insert(1, "Python")
     

3. 删除元素：

   • 使用remove()方法删除列表中第一个匹配的元素。

     my_list.remove("hello")
     

   • 使用pop()方法删除指定索引位置的元素，并返回该元素。

     popped_element = my_list.pop(2)
     

4. 修改元素：直接通过索引赋值来修改指定位置的元素。

   my_list[0] = 2
   

5. 列表连接：使用+运算符可以将两个列表连接成一个新列表。

   list1 = [1, 2, 3]
   list2 [ =4, 5, 6]
   combined_list = list1 + list2  # 结果为 [1, 2, 3, 4, 5, 6]
   

二、元组（Tuple）

（一）定义和特点

元组与列表类似，也是一个有序的元素序列，用圆括号()表示。元组中的元素也可以是不同类型的数据，但元组是不可变的（Immutable），即一旦创建后，不能对其进行修改。

# 创建一个元组
my_tuple = (1, "hello", 3.14, True)

元组具有以下特点：

• 不可变性：元组不能被修改，不能添加、删除或修改元素。
• 有序性：元组中的元素是有顺序的，可以通过索引来访问特定位置的元素。
• 允许重复元素：元组中可以包含重复的元素。

（二）常见操作

1. 访问元素：与列表类似，通过索引访问元组中的元素。

   print(my_tuple[1])  # 输出 "hello"
   

2. 元组解包：可以将元组中的元素解包到多个变量中。

   a, b, c, d = my_tuple
   print(a, b, c, d)  # 输出 1 hello 3.14 True
   

三、字典（Dictionary）

（一）定义和特点

字典是一个无序的键值对（Key-Value Pair）集合，用大括号{}表示。每个键值对由一个键和一个值组成，键和值之间用冒号:分隔，键值对之间用逗号分隔。

# 创建一个字典
my_dict = {"name": "Alice", "age": 25, "city": "New York"}

字典具有以下特点：

• 无序性：字典中的元素是无序的，不能通过索引来访问元素。
• 可变性：字典是可变的，可以在创建后添加、删除或修改键值对。
• 键的唯一性：字典中的键必须是唯一的，不能有重复的键。

（二）常见操作

1. 访问元素：通过键来访问字典中的值。

   print(my_dict["name"])  # 输出 "Alice"
   

2. 添加键值对：直接通过新的键赋值来添加键值对。

   my_dict["country"] = "USA"
   

3. 删除键值对：

   • 使用del语句删除指定的键值对。

     del my_dict["age"]
     

   • 使用pop()方法删除指定键值对，并返回该值。

     removed_value = my_dict.pop("city")
     

4. 获取所有键、值或键值对：

   • 使用keys()方法获取所有键。

     keys = my_dict.keys()
     

   • 使用values()方法获取所有值。

     values = my_dict.values()
     

   • 使用items()方法获取所有键值对。

     items = my_dict.items()
     

四、集合（Set）

（一）定义和特点

集合是一个无序的不重复元素集合，用大括号{}或set()函数表示。集合中的元素是唯一的，不能有重复的元素。

# 创建一个集合
my_set = {1, 2, 3, 4, 5}

集合具有以下特点：

• 无序性：集合中的元素是无序的，不能通过索引来访问元素。
• 可变性：集合是可变的，可以在创建后添加、删除元素。
• 元素唯一性：集合中的元素必须是唯一的，不能有重复的元素。

（二）常见操作

1. 添加元素：

   • 使用add()方法添加一个元素。

     my_set.add(6)
     

   • 使用update()方法添加多个元素。

     my_set.update([7, 8, 9])
     

2. 删除元素：

   • 使用remove()方法删除指定元素。如果元素不存在，会引发错误。

     my_set.remove(3)
     

   • 使用discard()方法删除指定元素。如果元素不存在，不会引发错误。

     my_set.discard(10)
     

3. 集合运算：

   • 并集：使用union()方法或|运算符获取两个集合的并集。

     set1 = {1, 2, 3}
     set2 = {3, 4, 5}
     union_set = set1.union(set2)  # 或 set1 | set2
     

   • 交集：使用intersection()方法或&运算符获取两个集合的交集。

     intersection_set = set1.intersection(set2)  # 或 set1 & set2
     

   • 差集：使用difference()方法或-运算符获取两个集合的差集。

     difference_set = set1.difference(set2)  # 或 set1 - set2
     

五、字符串（String）

（一）定义和特点

字符串是由字符组成的序列，用单引号' '或双引号" "表示。字符串是不可变的（Immutable），即一旦创建后，不能对其进行修改。

# 创建一个字符串
my_string = "Hello, World!"

字符串具有以下特点：

• 不可变性：字符串不能被修改，不能添加、删除或修改字符。
• 有序性：字符串中的字符是有顺序的，可以通过索引来访问特定位置的字符。
• 允许重复字符：字符串中可以包含重复的字符。

（二）常见操作

1. 访问字符：通过索引访问字符串中的字符。

   print(my_string[0])  # 输出 'H'
   

2. 字符串拼接：使用+运算符可以将两个字符串拼接成一个新字符串。

   str1 = "Hello"
   str2 = "World"
   combined_str = str1 + " " + str2  # 结果为 "Hello World"
   

3. 字符串长度：使用len()函数获取字符串的长度。

   length = len(my_string)
   

4. 字符串方法：

   • 查找子字符串：使用find()方法查找子字符串的位置。

     index = my_string.find("World")
     

   • 替换子字符串：使用replace()方法替换子字符串。

     new_string = my_string.replace("World", "Python")
     

   • 分割字符串：使用split()方法将字符串分割成列表。

     words = my_string.split(" ")
     

六、数组（Array）

（一）定义和特点

数组是一种线性数据结构，用于存储相同类型的元素。在Python中，数组可以通过array模块来创建，数组中的元素必须是相同类型的数据。

import array as arr# 创建一个整数数组
my_array = arr.array('i', [1, 2, 3, 4, 5])

数组具有以下特点：

• 相同类型元素：数组中的元素必须是相同类型的数据。
• 可变性：数组是可变的，可以在创建后添加、删除或修改元素。
• 有序性：数组中的元素是有顺序的，可以通过索引来访问特定位置的元素。

（二）常见操作

1. 访问元素：通过索引访问数组中的元素。

   print(my_array[2])  # 输出 3
   

2. 添加元素：

   • 使用append()方法在数组末尾添加一个元素。

     my_array.append(6)
     

   • 使用extend()方法在数组末尾添加多个元素。

     my_array.extend([7, 8, 9])
     

3. 删除元素：

   • 使用remove()方法删除数组中第一个匹配的元素。

     my_array.remove(3)
     

   • 使用pop()方法删除指定索引位置的元素，并返回该元素。

     popped_element = my_array.pop(1)
     

4. 修改元素：直接通过索引赋值来修改指定位置的元素。

   my_array[0] = 10
   

七、数据结构的比较和选择

在选择合适的数据结构时，需要考虑以下因素：

• 数据的有序性：如果需要保持元素的顺序，可以选择列表或字符串；如果不需要保持顺序，可以选择集合或字典。
• 数据的可变性：如果需要在创建后修改数据，可以选择列表、字典、集合或数组；如果不需要修改，可以选择元组或字符串。
• 数据的唯一性：如果需要存储唯一的元素，可以选择集合；如果允许重复元素，可以选择列表、元组、字符串或数组。
• 数据的类型：如果需要存储相同类型的元素，可以选择数组；如果允许不同类型的元素，可以选择列表、元组、字典或集合。

通过合理选择和使用不同的数据结构，可以有效地组织和操作数据，提高程序的性能和可读性。
文章来源于zlibrary图书馆中《python入门》书的Python数据结构全解析章节内容