选择合适的数据结构

Python 提供了四种主要的内置集合类型：列表（lists）、元组（tuples）、字典（dictionaries）和集合（sets）。每种类型都提供了一种存储多个项目的方式，但它们有各自的特点，适用于不同的任务。选择合适的数据结构是程序设计中常见的考量，因为正确的选择可以使代码更清晰、更高效、更易读。反之，使用不合适的结构可能会使你的代码变得笨拙或运行不佳。

如何决定使用哪种？请考虑以下因素：

1. 顺序： 项目的顺序重要吗？如果元素的位置很重要（例如，第一个项目、最后一个项目），你需要一个有序类型，如列表或元组。字典（在现代 Python 版本中保留了插入顺序）和集合其设计和主要用途本身是无序的。
2. 可变性： 集合创建后，你需要添加、删除或修改项目吗？如果是，你需要一个可变类型，如列表、字典或集合。如果集合创建后应保持固定不变，那么不可变类型（如元组）是正确的选择。
3. 唯一性： 集合需要确保只包含唯一项目吗？集合就是为此而设计的。列表和元组允许重复项目。字典强制要求键唯一，但值可以重复。
4. 访问方式： 你通常会如何从集合中获取项目？如果你需要按位置（索引）访问项目，请使用列表或元组。如果你需要根据特定标识符（键）查找项目，请使用字典。集合主要用于检查集合中是否存在某个项目（成员资格测试），而不是根据位置或键获取特定项目。

帮助你选择

以下是一个你可以遵循的简单思考过程：

选择 Python 集合类型的简化决策流程图。

用例总结

让我们通过典型场景来强化理解：

• 何时使用 list (列表)：

  • 你需要一个有序的项目序列时。
  • 你可能需要在以后添加、删除或修改项目时。
  • 允许有重复项时。
  • 示例：待办事项列表中的项目、游戏分数、从文件中读取的数据行。

  # 示例：一周内的每日步数记录
  daily_steps = [7502, 8123, 6988, 10050, 7800, 9150, 8567]
  daily_steps.append(11020) # 添加另一天的记录
  print(daily_steps[3])     # 访问第4天的步数
  

• 何时使用 tuple (元组)：

  • 你需要一个有序的项目序列时。
  • 项目在创建后不应改变（不可变性）时。
  • 允许有重复项时。
  • 对于固定集合，它们可能比列表稍节省内存。
  • 它们可以用作字典的键（因为它们是不可变的）。
  • 示例：坐标 (x, y, z)、RGB 颜色值、固定配置参数 (parameter)、表示数据库记录。

  # 示例：RGB 颜色表示
  red_color = (255, 0, 0)
  # red_color[0] = 200 # 这会引发 TypeError！
  print(f"红色分量: {red_color[0]}")
  

• 何时使用 dict (字典)：

  • 你需要将唯一的键与值关联（一种映射）时。
  • 插入顺序可能相关（Python 3.7+），但主要通过键而不是位置来访问。
  • 你需要基于键快速查找时。
  • 示例：存储用户设置（设置名称 -> 值）、表示 JSON 数据、计算单词频率（单词 -> 计数）。

  # 示例：存储文件属性
  file_info = {
      "name": "report.txt",
      "size_kb": 1024,
      "type": "text/plain"
  }
  print(f"文件大小: {file_info['size_kb']} KB")
  file_info['modified'] = '2023-10-27' # 添加新的键值对
  

• 何时使用 set (集合)：

  • 你需要存储一组唯一项目时。
  • 顺序不重要时。
  • 你需要执行高效的成员资格测试（检查项目是否存在）时。
  • 你需要执行集合操作，如并集、交集或差集时。
  • 示例：在一个列表中查找唯一元素、对照用户权限检查所需权限、追踪网站的独立访客。

  # 示例：查找博文的唯一标签
  tags = ['python', 'data', 'code', 'python', 'tutorial', 'code']
  unique_tags = set(tags)
  print(unique_tags) # 输出: {'data', 'code', 'python', 'tutorial'} (顺序可能不同)
  print('python' in unique_tags) # 快速检查：True
  

快速比较表

特性	列表	元组	字典	集合
顺序	有序	有序	保留插入顺序 (3.7+)*	无序
可变性	可变	不可变	可变	可变
元素	允许重复	允许重复	键唯一	项目唯一
语法	[item1, item2]	(item1, item2)	{key1: val1, key2: val2}	{item1, item2}
访问	索引 (my_list[0])	索引 (my_tuple[0])	键 (my_dict['key'])	成员资格 (item in my_set)
主要用途	通用、灵活的序列	固定序列、字典键	键值映射、快速查找	唯一性、集合运算、成员资格

虽然自 Python 3.7 起字典保留了插入顺序，但你主要应依赖此特性来预测迭代顺序，而不是像列表或元组那样进行按位置访问。访问仍然是以键为基础的。

通过练习，做出正确的选择会变得更自然。当你编写更多 Python 代码时，你将逐渐体会到哪种数据结构最适合你尝试解决的问题。考虑你最常需要执行的操作（添加项目、查找项目、检查重复项），并选择最自然、最有效地支持这些操作的结构。