python应用：变量类型与数据结构

Posted 2020-12-21 freeself

如前所说，写程序如同给算法写壳，而算法就是流程，所以流程是程序的主角（但这个流程不一定要你来设计）。在程序中，为了配合流程（算法）的实现，除了顺序、分支与循环语句的使用，还要借助“变量”这个角色。变量是重要的角色，男二号。

变量表示可变化的值，但这个值是有范围的，并不是所有值都可以放置到同一个变量中，值的范围，由变量的类型决定。

变量的类型，决定两个事情，一是用多大的空间来存储这个变量值，二是这个变量值的范围是多少。好了，这个不重要，先不要管这个细节，先把变量用起来，并掌握一些基础知识即可。

变量有哪些类型呢？

（1）数字类型、bool与字符串

这三个是常见的内置类型。

注意，值，决定了变量的类型，你给变量赋什么值，它就是什么类型。比如：

a = 10 # int整数类型
a = 9.9 # float浮点类型。变量名还是a，但是值的变化，让它变成了一个新的变量
a = 987654321L # long长整数类型，值以‘L‘结束
a = 3+4j # complex复数类型

以上几个变量类型，分别是int、float、long跟complex类型，这几个类型可以归为数字类型。

除了数字类型，python中的值还有bool类型跟str字符串类型，比如：

a = False # bool类型，值要么为False，要么为True
a = "hellotype" # str字符串类型

如果想知道当前变量是什么类型，那可以使用内置函数（python提供的一组函数）type()来确认，比如可以这样，留意type()的输出：

所以，基本上，python的变量类型，包括数字类型（int/float/long/complex）、bool跟str。

其中，str，即字符串，对它的操作会经常遇到，比如：

a = "hellotype"
a[1:] # 第1个字符到最后（注意索引是从0开始的）
a[2:]
a = "123456"
a[1:5] # 第1个字符到第5个字符的内容，但不包括第5个字符，也就是左闭右开的区间
a[-1] # -1表示最后一个字符，-2就是倒数第二个，如此类推

执行效果：

（2）常见的数据结构

除了以上常见的内置变量类型，pyton还提供了一些常用的数据结构，这些数据结构也是变量类型。

数据结构服务于算法，但由于某些数据结构实在太常用了，以至于很多算法都有它们的身影，于是，把这些常用的数据结构抽离出来，做为一个独立的结识点来讲，也是很合理的，但明显不是本文的事情。

数据结构，就是数据的组织结构，各个数据结构一定会有自己的组织特点。python中有几个常见的内置的数据结构，因为经常使用，甚至已经被当作变量类型，跟数字类型、bool与str一样的存在。

这几个常见的数据结构，分别是：列表、元组、集合、字典。

同样，值决定类型（或数据结构）。

list即列表，也是由值定义出来（以[]来定义），比如：

a = [1,2,3,4] # list
type(a)

list的操作，跟字符串的类似，比如：

tuple即元组，是只读列表（以()来定义），也就是元组的内容不允许修改，比如：

a = (‘hellotuple‘, 123, True)
a[0]
a[1] = 100 # 试图修改元组的内容，会报错
a * 2 # 跟list的操作一致，内容重复2次，并产生新的元组
b = (1,2)
a + b # 元组相加是可以的，因为产生了新的元组，并没有修改原来的元组

执行的效果如下：

list跟tuple的特点，是可以存放任意类型的元素，内容有序、可重复。

另一种常见的数据结构是set，特点是，可以存放任意类型的元素，内容是无序的，而且不能重复，这个就是集合的特点。

set即集合的部分使用如下（以{}来定义）：

a = {2, True, ‘helloset‘}
a[2] # 集合set是无序，所以没有索引可言，试图使用索引会导致报错
b = set(‘helloset‘) # 使用构造函数来创建一个set，注意集合中的元素会去重（这里元素是字符）
b = {‘a‘, ‘a‘, 1} # 元素会被去重

执行的效果如下：

最后一种数据结构是dict，也就是字典。

dict也是一个集合，是键值对（key-value）的集合，同样以{}来定义，但包括key跟value，比如：

d = {‘k1‘:1, ‘k2‘:2}

dict跟set类似，内容无序，而且key不能重复。set只保留了key（无序且不重复），而去掉了value。

dict的部分使用如下：

d = {}
d[‘k1‘] = "hellodict"
d[2] = "this is int"
d[True] = "bool true"
a = {‘a‘:‘first one‘, ‘d‘:‘hellodict‘, 3:‘three‘, ‘e‘:34.45}

执行效果如下：

以上四种内置类型之间的转换，有可能在实际场景中应用到，操作上很简单，只需要用类型名去处理需要转换的值即可，比如：

a = list(set1) # type_name(xxx)

以上是list、tuple、set与dict的简单介绍，你可以根据实际场景去使用它们。

另外，我并没有介绍这四种数据结构的操作函数，实事上，被抽离封装的数据结构都有一系列操作函数，也就是对象的行为（对象不是指女朋友），比如以上几种数据结构，有对应的append()、pop()、remove()等一系列的操作，这个在实践中再去理解与运用了。

（3）变量类型使用示例

不管是简单的变量类型（数字类型等）还是常见的数据结构（list等），你都可以把它们归为变量类型。这些变量类型经常被使用，因为变量是程序的重要配角。

我在这里举几个示例，都是以list作为栈来解决问题的例子，希望让你对变量类型有一个使用上的感知，然后在实际场景中灵活使用。

（a）判断左右符号是否配对

左符号：([{

右符号：)]}

配对的情况如：‘([]){()}‘，不配对的情况如：‘[{]}]‘。

用栈来理解就是：遍历所有字符。遇左符号则入栈；遇右符号则出栈（如果为空则直接返回False），出栈返回的字符如果与右符号不配对则返回False，如果配对则继续下一个字符。所有字符遍历完后，栈非空则返回False，否则返回True。

def sybol_match(str):
    L=[‘(‘,‘{‘,‘[‘];
    R=[‘)‘,‘}‘,‘]‘];
    s=[]
    for c in str:
        if c in L:
            s.append(c)
        else:
            if not s:
                return False
            a=s.pop()
            lp = L.index(a)
            rp = R.index(c)
            if lp!=rp:
                return False
    return not s

（b）计算后缀表达式

计算一个表达式时，表达式可以以中缀或后缀的方式录入，而后缀表达式由于不需要使用括号而简化了处理，所以是一个普遍的选择。

比如：

中缀：12(2/2) 后缀：12 2 2 / *
中缀：10-(23) 后缀：10 2 3 * -
中缀：(3-2)*(9/3)+5 后缀：3 2 - 9 3 / * 5 +

你可以画出树状图，再来理解（比如后缀遍历得到后缀表达式）。

用栈来理解就是：遍历所有分割项（以空格切分）。遇到数字则入栈；遇到操作符出栈两次（这里简化为都是二元操作，第一次出栈的为参数2，第二次为参数1），并进行运算，再把结果入栈。遍历完所有分割项后，返回栈中内容（只有一个值）。

operators = {
        ‘+‘ : lambda p1, p2: p1+p2,
        ‘-‘ : lambda p1, p2: p1-p2,
        ‘*‘ : lambda p1, p2: p1*p2,
        ‘/‘ : lambda p1, p2: p1/p2,
        }
def calc_postfix(str):
    expr = str.split()
    s = []
    for e in expr:
        if e.isdigit():
            s.append(int(e))
        else:
            f = operators[e]
            p2 = s.pop()
            p1 = s.pop()
            s.append(f(p1, p2))

    return s.pop()

（c）背包问题

有若干个物品，每一个物品都有重量。背包有最大容量限制，求刚好装满背包最大容量的所有解。

比如：

物品名称 重量
物品0 1kg
物品1 8kg
物品2 4kg
物品3 3kg
物品4 5kg
物品5 2kg
背包最大可以装10kg，那可能的解是：[0,2,3,5]、[1,5]等。

用栈来理解就是：尽情地装（按物品顺序，只要能装得下就装），如果剩余容量刚好为0或者之后的各个物品都装不下了，则出栈，即拿掉最后的一个物品k，再继续从k+1个物品开始装。在栈为空而且填装的物品的索引已经超出范围，则结束循环。由于，总会一直出栈到一个物品都没有，再从下一个物品开始填装，所以一定会出现栈为空且没有物品可装的情况。

def knapsack(w, ws):
    """
    w --背包容量
    ws --物品重量列表 [1, 3, ..]
    """
    ret = []
    s = []
    i = 0
    cnt = len(ws)
    rest = w
    while s or i < cnt:  # 栈不为空或者还有得装
        while i < cnt and rest > 0:  # 还有得装且还有容量
            if rest >= ws[i]:  # 装得下就装
                s.append(i)
                rest -= ws[i]
            i += 1   # 不管当前的是否装得下，都要尝试下一个
        if rest == 0:
            ret.append(s[:])  # one solution
        i = s.pop()
        rest += ws[i]
        i += 1
    return ret
        
if __name__ == ‘__main__‘:
    # print(sybol_match(‘[{()}]{}[()]()‘))
    # print(sybol_match(‘[({}])‘))
    # print(calc_postfix(‘12 2 2 / *‘))
    # print(calc_postfix(‘3 2 - 9 3 / * 5 +‘))
    ret = knapsack(10, [1, 8, 4, 3, 5, 2]) 
    print(ret)

以上是几个示例，你可不必关心算法的设计，因为这是另外的话题，重点关心代码中变量类型的使用，比如list、dict的使用等。

好了，本文介绍了python的变量类型跟常见的数据结构，你可以把内置的数据结构也当作变量类型。变量类型包括int、float、long、complex、bool、list、tuple、set、dict。文章最后还就list举了几个使用例子，希望可以帮助你理解变量类型的使用。有缘再见，see you。