Python進(jìn)階 | 詳解collections工具庫(kù)，一篇文章全搞定！

前言

大家好，今天為大家介紹Python當(dāng)中一個(gè)很好用也是很基礎(chǔ)的工具庫(kù)，叫做collections

collection在英文當(dāng)中有容器的意思，所以顧名思義，這是一個(gè)容器的集合。這個(gè)庫(kù)當(dāng)中的容器很多，有一些不是很常用，本篇文章選擇了其中最常用的幾個(gè)，一起介紹給大家。

defaultdict

defaultdict可以說(shuō)是這個(gè)庫(kù)當(dāng)中使用最簡(jiǎn)單的一個(gè)，并且它的定義也很簡(jiǎn)單，我們從名稱基本上就能看得出來(lái)。它解決的是我們使用dict當(dāng)中最常見的問題，就是key為空的情況。

在正常情況下，我們?cè)赿ict中獲取元素的時(shí)候，都需要考慮key為空的情況。如果不考慮這點(diǎn)，那么當(dāng)我們獲取了一個(gè)不存在的key，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)拋出異常。我們當(dāng)然可以在每次get之前寫一個(gè)if判斷，但是這很麻煩，比如：

if?key?in?dict:
????return?dict[key]
else:
????return?None

當(dāng)然，這是最笨的方法，dict當(dāng)中為我們提供了帶默認(rèn)值的get方法。比如，我們可以寫成：

return?dict.get(key,?None)

這樣，當(dāng)key不在dict當(dāng)中存在的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)返回我們?cè)O(shè)置的默認(rèn)值。這個(gè)省去了很多麻煩的判斷，但是在一些特殊情況下仍然存在一點(diǎn)問題。舉個(gè)例子，比如當(dāng)key存在重復(fù)，我們希望將key相同的value存進(jìn)一個(gè)list當(dāng)中，而不是只保留一個(gè)。這種情況下寫成代碼就會(huì)比較復(fù)雜：

data?=?[(1,?3),?(2,?1),?(1,?4),?(2,?5),?(3,?7)]
d?=?{}
for?k,?v?in?data:
????if?k?in?d:
????????d[k].append(v)
????else:
????????d[k]?=?[v]

由于dict的value是一個(gè)list，所以我們還是需要判斷是否為空，不能直接使用默認(rèn)值，間接操作當(dāng)然可以，但是還是不夠簡(jiǎn)單：

for?k,?v?in?data:
????cur?=?d.get(k,?[])
????cur.append(v)
????d[k]?=?v

這和使用if區(qū)別并不大，為了完美解決這個(gè)問題，我們可以使用collections當(dāng)中的defaultdict：

from?collections?import?defaultdict
d?=?defaultdict(list)

for?k,?v?in?data:
????d[k].append(v)

使用defaultdict之后，如果key不存在，容器會(huì)自動(dòng)返回我們預(yù)先設(shè)置的默認(rèn)值。需要注意的是defaultdict傳入的默認(rèn)值可以是一個(gè)類型也可以是一個(gè)方法。如果我們傳入int，那么默認(rèn)值會(huì)被設(shè)置成int()的結(jié)果，也就是0，如果我們想要自定義或者修改，我們可以傳入一個(gè)方法，比如：

d?=?defaultdict(lambda:?3)

for?k,?v?in?data:
????d[k]?+=?v

Counter

這是一個(gè)非常常用和非常強(qiáng)大的工具，我們經(jīng)常用到。

在我們實(shí)際的編程當(dāng)中，我們經(jīng)常遇到一個(gè)問題，就是數(shù)數(shù)和排序。比如說(shuō)我們?cè)诜治鑫谋镜臅r(shí)候，會(huì)得到一堆單詞。其中可能有大量的長(zhǎng)尾詞，在整個(gè)文本當(dāng)中可能只出現(xiàn)過(guò)寥寥幾次。于是我們希望計(jì)算一下這些單詞出現(xiàn)過(guò)的數(shù)量，只保留出現(xiàn)次數(shù)最高的若干個(gè)。

這個(gè)需求讓我們自己實(shí)現(xiàn)當(dāng)然也不困難，我們完全可以創(chuàng)建一個(gè)dict，然后對(duì)這些單詞一個(gè)一個(gè)遍歷。原本我們還需要考慮單詞之前沒有出現(xiàn)過(guò)的情況，如果我們上面說(shuō)的defaultdict，又要簡(jiǎn)單許多。但是我們還是少不了計(jì)數(shù)然后排序的步驟，如果使用Counter這個(gè)步驟會(huì)縮減成一行代碼。

舉個(gè)例子：

words?=?['apple',?'apple',?'pear',?'watermelon',?'pear',?'peach']
from?collections?import?Counter
counter?=?Counter(words)

>>>?print(counter)

Counter({'apple':?2,?'pear':?2,?'watermelon':?1,?'peach':?1})

我們直接將一個(gè)list傳入Counter中作為參數(shù)，它會(huì)自動(dòng)為我們替當(dāng)中的每個(gè)元素計(jì)數(shù)。

如果我們要篩選topK，也非常簡(jiǎn)單，它為我們提供了most_common方法，我們只需要傳入需要求的K即可：

counter.most_common(1)

[('apple',?2)]

除此之外，它的構(gòu)造函數(shù)還接收dict類型。我們可以直接通過(guò)一個(gè)value是int類型的dict來(lái)初始化一個(gè)Counter，比如：

c?=?Counter({'apple':?5,?'pear':?4})
c?=?Counter(apple=4,?pear=3)

并且，它還支持加減法的操作，比如我們可以將兩個(gè)Counter相加，它會(huì)自動(dòng)將兩個(gè)Counter合并，相同的key對(duì)應(yīng)的value累加。相減也是同理，會(huì)將能對(duì)應(yīng)的value做減法，被減的key對(duì)應(yīng)不上的會(huì)保留，而減數(shù)中對(duì)應(yīng)不上的key則會(huì)被丟棄。并且需要注意，Counter支持value為負(fù)數(shù)。

deque

我們都知道queue是隊(duì)列，deque也是隊(duì)列，不過(guò)稍稍特殊一些，是雙端隊(duì)列。對(duì)于queue來(lái)說(shuō)，只允許在隊(duì)尾插入元素，在隊(duì)首彈出元素。而deque既然稱為雙端隊(duì)列，那么說(shuō)明它的隊(duì)首和隊(duì)尾都支持元素的插入和彈出。相比于普通的隊(duì)列，要更加靈活一些。

除了常用的clear、copy、count、extend等api之外，deque當(dāng)中最常用也是最核心的api還有append、pop、appendleft和popleft。從名字上我們就看得出來(lái)，append和pop和list的append和pop一樣，而appendleft和popleft則是在隊(duì)列左側(cè)，也就是頭部進(jìn)行pop和append的操作。非常容易理解。

在日常的使用當(dāng)中，真正用到雙端隊(duì)列的算法其實(shí)不太多。大多數(shù)情況下我們使用deque主要有兩個(gè)原因，第一個(gè)原因是deque收到GIL的管理，它是線程安全的。而list則沒有GIL鎖，因此不是線程安全的。也就是說(shuō)在并發(fā)場(chǎng)景下，list可能會(huì)導(dǎo)致一致性問題，而deque不會(huì)。另一個(gè)原因是deque支持固定長(zhǎng)度，當(dāng)長(zhǎng)度滿了之后，當(dāng)我們繼續(xù)append時(shí)，它會(huì)自動(dòng)彈出最早插入的數(shù)據(jù)。

比如說(shuō)當(dāng)我們擁有海量的數(shù)據(jù)，我們不知道它的數(shù)量，但是想要保留最后出現(xiàn)的指定數(shù)量的數(shù)據(jù)的時(shí)候，就可以使用deque。

from?collections?import?deque
dque?=?deque(maxlen=10)
#?假設(shè)我們想要從文件當(dāng)中獲取最后10條數(shù)據(jù)
for?i?in?f.read():
????dque.append(i)

namedtuple

namedtuple很特殊，它涉及到元編程的概念。簡(jiǎn)單介紹一下元編程的概念，我們不做過(guò)多的深入。簡(jiǎn)而言之，就是在常見的面向?qū)ο螽?dāng)中。我們都是定義類，然后通過(guò)類的構(gòu)造函數(shù)來(lái)創(chuàng)建實(shí)例。而元編程指的是我們定義元類，根據(jù)元類創(chuàng)建出來(lái)的并不是一個(gè)實(shí)例，而是一個(gè)類。如果用模具和成品來(lái)分別比喻類和實(shí)例的話，元類相當(dāng)于是模具的模具。

namedtuple是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的元類，通過(guò)它我們可以非常方便地定義我們想要的類。

它的用法很簡(jiǎn)單，我們直接來(lái)看例子。比如如果我們想要定義一個(gè)學(xué)生類，這個(gè)類當(dāng)中有name、score、age這三個(gè)字段，那么這個(gè)類會(huì)寫成：

class?Student:
????def?__init__(self,?name=None,?score=None,?age=None):
????????self.name?=?name
????????self.score?=?score
????????self.age?=?age

這還只是粗略的寫法，如果考慮規(guī)范，還需要定義property等注解，又需要很多代碼。如果我們使用namedtuple可以簡(jiǎn)化這個(gè)工作，我們來(lái)看代碼：

from?collections?import?namedtuple
#?這個(gè)是類，columns也可以寫成'name?score?age'，即用空格分開
Student?=?namedtuple('Student',?['name',?'score',?'age'])

#?這個(gè)是實(shí)例
student?=?Student(name='xiaoming',?score=99,?age=10)
print(student.name)

通過(guò)使用namedtuple，我們只需要一行就定義了一個(gè)類，但是這樣定義的類是沒有缺失值的，但是namedtuple很強(qiáng)大，我們可以通過(guò)傳入defaults參數(shù)來(lái)定義缺失值。

Student?=?namedtuple('Student',?['name',?'score',?'age'],?defaults=(0,?0))

可以注意到，雖然我們定義了三個(gè)字段，但是我們只設(shè)置了兩個(gè)缺失值。在這種情況下，namedtuple會(huì)自動(dòng)將缺失值匹配上score和age兩個(gè)字段。因?yàn)樵赑ython的規(guī)范當(dāng)中，必選參數(shù)一定在可選參數(shù)前面。所以nuamdtuple會(huì)自動(dòng)右對(duì)齊。

細(xì)數(shù)一下，我們今天的文章當(dāng)中介紹了defaultdict、Counter、deque和namedtuple這四種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的用法。除了這四個(gè)之外，collections庫(kù)當(dāng)中還有一些其他的工具類，只是我們用的頻率稍稍低一些，加上由于篇幅的原因，這里就不多做贅述了。感興趣的同學(xué)可以自行查看相關(guān)的api和文檔。

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