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python进阶,详解collections工具库!

2020-09-04

作者:梁唐

来源:早起Python

大家好,今天为大家介绍python当中一个很好用也是很基础的工具库,叫做collections。collection在英文当中有容器的意思,所以顾名思义,这是一个容器的集合。这个库当中的容器很多,有一些不是很常用,本篇文章选择了其中最常用的几个,一起介绍给大家。

defaultdict

defaultdict可以说是这个库当中使用最简单的一个,并且它的定义也很简单,我们从名称基本上就能看得出来。它解决的是我们使用dict当中最常见的问题,就是key为空的情况。

在正常情况下,我们在dict中获取元素的时候,都需要考虑key为空的情况。如果不考虑这点,那么当我们获取了一个不存在的key,会导致系统抛出异常。我们当然可以在每次get之前写一个if判断,但是这很麻烦,比如:

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

当然,这是最笨的方法,dict当中为我们提供了带默认值的get方法。比如,我们可以写成:

return dict.get(key, None)

这样,当key不在dict当中存在的时候,会自动返回我们设置的默认值。这个省去了很多麻烦的判断,但是在一些特殊情况下仍然存在一点问题。举个例子,比如当key存在重复,我们希望将key相同的value存进一个list当中,而不是只保留一个。这种情况下写成代码就会比较复杂:

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是一个list,所以我们还是需要判断是否为空,不能直接使用默认值,间接操作当然可以,但是还是不够简单:

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

这和使用if区别并不大,为了完美解决这个问题,我们可以使用collections当中的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,容器会自动返回我们预先设置的默认值。需要注意的是defaultdict传入的默认值可以是一个类型也可以是一个方法。如果我们传入int,那么默认值会被设置成int()的结果,也就是0,如果我们想要自定义或者修改,我们可以传入一个方法,比如:

d = defaultdict(lambda: 3)

for k, v in data:
    d[k] += v

Counter

这是一个非常常用和非常强大的工具,我们经常用到。

在我们实际的编程当中,我们经常遇到一个问题,就是数数和排序。比如说我们在分析文本的时候,会得到一堆单词。其中可能有大量的长尾词,在整个文本当中可能只出现过寥寥几次。于是我们希望计算一下这些单词出现过的数量,只保留出现次数最高的若干个。

这个需求让我们自己实现当然也不困难,我们完全可以创建一个dict,然后对这些单词一个一个遍历。原本我们还需要考虑单词之前没有出现过的情况,如果我们上面说的defaultdict,又要简单许多。但是我们还是少不了计数然后排序的步骤,如果使用Counter这个步骤会缩减成一行代码。

举个例子:

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})

我们直接将一个list传入Counter中作为参数,它会自动为我们替当中的每个元素计数。

如果我们要筛选topK,也非常简单,它为我们提供了most_common方法,我们只需要传入需要求的K即可:

counter.most_common(1)
[('apple', 2)]

除此之外,它的构造函数还接收dict类型。我们可以直接通过一个value是int类型的dict来初始化一个Counter,比如:

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

并且,它还支持加减法的操作,比如我们可以将两个Counter相加,它会自动将两个Counter合并,相同的key对应的value累加。相减也是同理,会将能对应的value做减法,被减的key对应不上的会保留,而减数中对应不上的key则会被丢弃。并且需要注意,Counter支持value为负数。

deque

我们都知道queue是队列,deque也是队列,不过稍稍特殊一些,是双端队列。对于queue来说,只允许在队尾插入元素,在队首弹出元素。而deque既然称为双端队列,那么说明它的队首和队尾都支持元素的插入和弹出。相比于普通的队列,要更加灵活一些。

除了常用的clear、copy、count、extend等api之外,deque当中最常用也是最核心的api还有append、pop、appendleft和popleft。从名字上我们就看得出来,append和pop和list的append和pop一样,而appendleft和popleft则是在队列左侧,也就是头部进行pop和append的操作。非常容易理解。

在日常的使用当中,真正用到双端队列的算法其实不太多。大多数情况下我们使用deque主要有两个原因,第一个原因是deque收到GIL的管理,它是线程安全的。而list则没有GIL锁,因此不是线程安全的。也就是说在并发场景下,list可能会导致一致性问题,而deque不会。另一个原因是deque支持固定长度,当长度满了之后,当我们继续append时,它会自动弹出最早插入的数据。

比如说当我们拥有海量的数据,我们不知道它的数量,但是想要保留最后出现的指定数量的数据的时候,就可以使用deque。

from collections import deque
dque = deque(maxlen=10)
# 假设我们想要从文件当中获取最后10条数据
for i in f.read():
    dque.append(i)

namedtuple

namedtuple很特殊,它涉及到元编程的概念。简单介绍一下元编程的概念,我们不做过多的深入。简而言之,就是在常见的面向对象当中。我们都是定义类,然后通过类的构造函数来创建实例。而元编程指的是我们定义元类,根据元类创建出来的并不是一个实例,而是一个类。如果用模具和成品来分别比喻类和实例的话,元类相当于是模具的模具

namedtuple是一个非常简单的元类,通过它我们可以非常方便地定义我们想要的类。

它的用法很简单,我们直接来看例子。比如如果我们想要定义一个学生类,这个类当中有name、score、age这三个字段,那么这个类会写成:

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

这还只是粗略的写法,如果考虑规范,还需要定义property等注解,又需要很多代码。如果我们使用namedtuple可以简化这个工作,我们来看代码:

from collections import namedtuple
# 这个是类,columns也可以写成'name score age',即用空格分开
Student = namedtuple('Student', ['name', 'score', 'age'])

# 这个是实例
student = Student(name='xiaoming', score=99, age=10)
print(student.name)

通过使用namedtuple,我们只需要一行就定义了一个类,但是这样定义的类是没有缺失值的,但是namedtuple很强大,我们可以通过传入defaults参数来定义缺失值。

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

可以注意到,虽然我们定义了三个字段,但是我们只设置了两个缺失值。在这种情况下,namedtuple会自动将缺失值匹配上score和age两个字段。因为在Python的规范当中,必选参数一定在可选参数前面。所以nuamdtuple会自动右对齐。

细数一下,我们今天的文章当中介绍了defaultdict、Counter、deque和namedtuple这四种数据结构的用法。除了这四个之外,collections库当中还有一些其他的工具类,只是我们用的频率稍稍低一些,加上由于篇幅的原因,这里就不多做赘述了。感兴趣的同学可以自行查看相关的api和文档。

完 谢谢观看

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