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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