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容器資料型態 collections

Python 的標準函式「 collections」是一個可以創建特別「容器資料型態」的函式庫,所創建的容器可以用來替代 Python 一般內建的容器,例如 dict、list、set 和 tuple,熟練應用後不僅能提升程式碼的可讀性,更能提高程式執行的效率。

本篇使用的 Python 版本為 3.7.12,所有範例可使用 Google Colab 實作,不用安裝任何軟體 ( 參考:使用 Google Colab )

collections 的方法

下方列出 collections 模組常用的幾個方法 ( 參考 Python 官方文件:collections ):

方法 說明
namedtuple() 創建一個自定義的 tuple 容器,並用「屬性」的方式引用項目。
deque 創建一個類似 list 的物件,可以快速的在頭尾加入或取出元素。
ChainMap 創建一個類似 dict 的物件,可以將多個 dict 串接成單一的物件。
Counter 創建一個 dict 計數器物件,用來計算可迭代物件中每個物件的數量。
OrderedDict 創建一個可以記錄 key 順序的 dict 物件。
defaultdict 創建一個可以使用可以預設值的 dict 物件。

import collections

要使用 collections 必須先 import collections 模組,或使用 from 的方式,單獨 import 特定的類型。

import collections
from collections import namedtuple

namedtuple()

namedtuple() 可以創建一個自定義的 tuple 容器,並用「屬性」的方式引用 tuple 的某個項目,不僅具備 tuple 的不可變性,又具有引用屬性的彈性。

下方的例子使用 namedtuple 定義了一個 circle 對象,包含 x、y 和 r ( 中心點 xy 座標和半徑 r ) 三個屬性,使用時就可以像字典用法一般,讀取指定的屬性。

from collections import namedtuple

circle = namedtuple('Point', ['x', 'y', 'r'])
c = circle(10,20,50)

print(c)                 # Point(x=10, y=20, r=50)
print(c.x, c.y, c.r)     # 10 20 50
print(c[0], c[1], c[2])  # 10 20 50

deque

雖然 Python 的 list 已經具有插入和刪除元素的功能,但如果要處理「大量的」項目,就會產生效能不足的狀況,然而使用 collections 將項目轉換為類似 list 的 deque 物件,就能以高效率的方式處理 list 資料,當資料變成 deque 物件後,可使用下列的方法操作:

方法 參數 說明
append() x 從最右邊插入元素。
append()left x 從最左邊插入元素。
extend() iter 從最右邊插入可迭代元素。
extendleft() iter 最左邊插入可迭代元素 ( 注意 iter 插入的元素順序是相反的 )。
count() x 計算某個元素在 deque 物件中出現的次數。
copy() 淺拷貝 deque 物件。
index() i 取得某個位置的元素。
insert() i,x 在某個位置插入元素。
pop() x 取出並移除最右邊的元素。
popleft() x 取出並移除最左邊的元素。
remove() x 移除第一個找到的元素
reverse() 反轉 deque 物件。
rotate() i 將元素往右移動多少格 ( 負值左移動 )。
clear() 清除 deque 物件。
from collections import deque

a = deque(['a','b','c','d','e'])   # 建立 deque 物件

a.append('x')
a.append('y')        # 在最右邊加入元素
print(a)             # deque(['a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'x', 'y'])

a.appendleft('x')
a.appendleft('y')    # 在最左邊加入元素
print(a)             # deque(['y', 'x', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'x', 'y'])

b = a.copy()         # 淺拷貝
print(b)             # deque(['y', 'x', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'x', 'y'])

print(a.count('x'))  # 2,計算 x 出現的次數

a.extend(['m','n'])  # 在最右邊加入 ['m','n']
print(a)             # deque(['y', 'x', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'x', 'y', 'm', 'n'])

a.extendleft(['m','n'])  # 在最左邊加入 ['m','n']
print(a)                 # deque(['n', 'm', 'y', 'x', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'x', 'y', 'm', 'n'])

print(a[5])      # b,取出第六個元素 ( 第一個為 0 )

a.insert(1,'k')  # 在第二個位置插入 k
print(a)         # deque(['n', 'k', 'm', 'y', 'x', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'x', 'y', 'm', 'n'])

a.pop()          # 移除最右邊的元素
print(a)         # deque(['n', 'k', 'm', 'y', 'x', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'x', 'y', 'm'])

a.popleft()      # 移除最左邊的元素
print(a)         # deque(['k', 'm', 'y', 'x', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'x', 'y', 'm'])

a.remove('x')    # 移除第一個 x
print(a)         # deque(['k', 'm', 'y', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'x', 'y', 'm'])

a.reverse()      # 反轉
print(a)         # deque(['m', 'y', 'x', 'e', 'd', 'c', 'b', 'a', 'y', 'm', 'k'])

a.rotate(5)      # 往右邊移動五格
print(a)         # deque(['b', 'a', 'y', 'm', 'k', 'm', 'y', 'x', 'e', 'd', 'c'])

a.clear()        # 清空項目
print(a)         # deque([])

ChainMap

ChainMap 可以創建一個類似 dict 的物件,可以將多個 dict 串接成單一的物件,串接後只要讀取指定的屬性,就能取得對應的內容 ( 屬性相同的會取第一個屬性 ),ChainMap 有下列幾個方法:

方法 參數 說明|
maps 一個可以更新的串列。
new_child dict 加入一個 dict 並返回一個新的 ChainMap 物件。
parents 返回一個新的、除了第一個項目以外的 ChainMap 物件。
from collections import ChainMap

a = {'x': 1, 'y': 2}
b = {'m': 3, 'n': 4}
c = {'i': 5, 'j': 6}
d = ChainMap(a, b, c)    # 根據 a、b、c 建立一個 ChainMap 物件
print(d['m'], d['j'])    # 3 6 讀取 ChainMap 物件中的 'm' 和 'j'
print(d.maps)            # [{'x': 1, 'y': 2}, {'m': 3, 'n': 4}, {'i': 5, 'j': 6}]
print(d.maps[0])         # {'x': 1, 'y': 2}

e = d.new_child()           # 加入一個空 dict 成為新的 ChainMap 物件
print(e)                    # ChainMap({}, {'x': 1, 'y': 2}, {'m': 3, 'n': 4}, {'i': 5, 'j': 6})
f = d.new_child({'z':100})  # 加入一個 'z':100} 成為新的 ChainMap 物件
print(f)                    # ChainMap({'z': 100}, {'x': 1, 'y': 2}, {'m': 3, 'n': 4}, {'i': 5, 'j': 6})
g = d.parents     # 去除第一個項目,成為新的 ChainMap 物件
h = g.parents     # 去除第一個項目,成為新的 ChainMap 物件
print(g)          # ChainMap({'m': 3, 'n': 4}, {'i': 5, 'j': 6})
print(h)          # ChainMap({'i': 5, 'j': 6})

Counter

Counter 可以創建一個 dict 計數器物件,用來計算可迭代物件中每個物件的數量,Counter 有下列幾種方法:

方法 參數 說明|
elements() 獨立每個元素成為可迭代物件。
new_child n 取出數量前 n 多的項目。
update 將原本的數量加上新的數量。
subtract 將原本的數量減去新的數量。
total 計算全部數量的總和 ( 3.10 才支援 )。
from collections import Counter

t1 = 'hello world'
a = Counter(t1)     # 創建一個計數器物件
print(a)            # Counter({'l': 3, 'o': 2, 'h': 1, 'e': 1, ' ': 1, 'w': 1, 'r': 1, 'd': 1})

b = list(a.elements())   # 取出每個項目成為串列
print(b)                 # ['h', 'e', 'l', 'l', 'l', 'o', 'o', ' ', 'w', 'r', 'd']
print(sorted(b))         # 排序 [' ', 'd', 'e', 'h', 'l', 'l', 'l', 'o', 'o', 'r', 'w']

c = a.most_common(3)     # 取出前三多的項目
print(c)                 # [('l', 3), ('o', 2), ('h', 1)]

t2 = 'hello'
e = Counter(t2)          # 建立新的計數器物件
a.update(e)              # 加上新物件中的數量
print(a)                 # Counter({'l': 5, 'o': 3, 'h': 2, 'e': 2, ' ': 1, 'w': 1, 'r': 1, 'd': 1})
a.subtract(e)            # 減去新物件中的數量
print(a)                 # Counter({'l': 3, 'o': 2, 'h': 1, 'e': 1, ' ': 1, 'w': 1, 'r': 1, 'd': 1})

OrderedDict

通常建立一個 dict 物件時無法決定 key 的順序,如果使用 OrderedDict 可以創建一個能記錄 key 順序 ( 先進先出 ) 的 dict 物件

from collections import OrderedDict

a = OrderedDict()
a['x'] = 2
a['y'] = 3
a['z'] = 1
print(a)   rderedDict([('x', 2), ('y', 3), ('z', 1)])

defaultdict

通常在使用 dict 字典時,如果引用的 key 不存在會出現錯誤訊息,如果使用 defaultdict,就能創建一個可以使用可以預設值的 dict 物件

from collections import defaultdict

a = 'hello world'
b = defaultdict(lambda: 0)   # 創建一個空的使用預設值 0 的 dict 物件
for i in a:
    b[i] += 1    # 依序將 a 的字母設為 key,如果有 key 就將數值增加 1
print(b)       # faultdict(<function <lambda> at 0x10d7d5290>, {'h': 1, 'e': 1, 'l': 3, 'o': 2, ' ': 1, 'w': 1, 'r': 1, 'd': 1})

c = defaultdict(lambda: 'no')   # 如果 key 不存在,就回傳 no
for i in a:
    c[i] = i      # 依序將 a 的字母設為 key 和值
print(c['h'])   # h
print(c['a'])   # no

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語法觀念

縮排和註解 運算子 operator 邏輯判斷 ( if、elif、else ) 邏輯判斷 ( and 和 or ) 重複迴圈 ( for、while ) 例外處理 ( try、except ) 生成式 comprehension 物件類別 class 物件繼承 inheritance 匯入模組 import

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內建函式/方法

輸入與輸出 數學計算 字串操作與轉換 迭代物件轉換 迭代物件操作 檔案讀寫 ( open ) eval() 與 exec()

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數學範例

兩個數字的四則運算 計算多個數字的總和 費波那契數列 九九乘法表 質因數分解 快速找出質數 最小公倍數 ( 多個數字 ) 最大公因數 ( 多個數字 )

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