python基础语法(二)

刺骨的言语ヽ痛彻心扉 2022-09-25 05:12 186阅读 0赞

**本文主要包括以下内容**

1.  函数
2.  切片
3.  迭代
4.  列表生成式
5.  生成器
6.  迭代器

### 函数 ###

#### 定义函数 ####

定义函数

在Python中，定义一个函数要使用def语句，依次写出函数名、括号、括号中的参数和冒号:，然后，在缩进块中编写函数体，函数的返回值用return语句返回。

我们以自定义一个求绝对值的my\_abs函数为例：

def my_abs(x):
        if x >= 0:
            return x
        else:
            return -x

#### 可变参数 ####

在Python函数中，还可以定义可变参数。顾名思义，可变参数就是传入的参数个数是可变的，可以是1个、2个到任意个，还可以是0个。

我们以数学题为例子，给定一组数字a，b，c……，请计算a2 + b2 + c2 + ……。

要定义出这个函数，我们必须确定输入的参数。由于参数个数不确定，我们首先想到可以把a，b，c……作为一个list或tuple传进来，这样，函数可以定义如下：

def calc(numbers):
        sum = 0
        for n in numbers:
            sum = sum + n * n
        return sum
    但是调用的时候，需要先组装出一个list或tuple：
    
    >>> calc([1, 2, 3])
    14
    >>> calc((1, 3, 5, 7))
    84

如果利用可变参数，调用函数的方式可以简化成这样：

>>> calc(1, 2, 3)
    14
    >>> calc(1, 3, 5, 7)
    84
    所以，我们把函数的参数改为可变参数：
    
    def calc(*numbers):
        sum = 0
        for n in numbers:
            sum = sum + n * n
        return sum

定义可变参数和定义一个list或tuple参数相比，仅仅在参数前面加了一个\*号。在函数内部，参数numbers接收到的是一个tuple，因此，函数代码完全不变。但是，调用该函数时，可以传入任意个参数，包括0个参数：

>>> calc(1, 2)
    5
    >>> calc()
    0

#### 关键字参数 ####

可变参数允许你传入0个或任意个参数，这些可变参数在函数调用时自动组装为一个tuple。而关键字参数允许你传入0个或任意个含参数名的参数，这些关键字参数在函数内部自动组装为一个dict。请看示例：

def person(name, age, **kw):
        print('name:', name, 'age:', age, 'other:', kw)
    函数person除了必选参数name和age外，还接受关键字参数kw。在调用该函数时，可以只传入必选参数：
    
    >>> person('Michael', 30)
    name: Michael age: 30 other: {}
    也可以传入任意个数的关键字参数：
    
    >>> person('Bob', 35, city='Beijing')
    name: Bob age: 35 other: {
       'city': 'Beijing'}
    >>> person('Adam', 45, gender='M', job='Engineer')
    name: Adam age: 45 other: {
       'gender': 'M', 'job': 'Engineer'}
    关键字参数有什么用？它可以扩展函数的功能。比如，在person函数里，我们保证能接收到name和age这两个参数，但是，如果调用者愿意提供更多的参数，我们也能收到。试想你正在做一个用户注册的功能，除了用户名和年龄是必填项外，其他都是可选项，利用关键字参数来定义这个函数就能满足注册的需求。
    
    和可变参数类似，也可以先组装出一个dict，然后，把该dict转换为关键字参数传进去：
    
    >>> extra = {
       'city': 'Beijing', 'job': 'Engineer'}
    >>> person('Jack', 24, city=extra['city'], job=extra['job'])
    name: Jack age: 24 other: {
       'city': 'Beijing', 'job': 'Engineer'}
    当然，上面复杂的调用可以用简化的写法：
    
    >>> extra = {
       'city': 'Beijing', 'job': 'Engineer'}
    >>> person('Jack', 24, **extra)
    name: Jack age: 24 other: {
       'city': 'Beijing', 'job': 'Engineer'}
    **extra表示把extra这个dict的所有key-value用关键字参数传入到函数的**kw参数，kw将获得一个dict，注意kw获得的dict是extra的一份拷贝，对kw的改动不会影响到函数外的extra。

#### 命名关键字参数 ####

对于关键字参数，函数的调用者可以传入任意不受限制的关键字参数。至于到底传入了哪些，就需要在函数内部通过kw检查。

仍以person()函数为例，我们希望检查是否有city和job参数：

def person(name, age, **kw):
        if 'city' in kw:
            # 有city参数
            pass
        if 'job' in kw:
            # 有job参数
            pass
        print('name:', name, 'age:', age, 'other:', kw)
    但是调用者仍可以传入不受限制的关键字参数：
    
    >>> person('Jack', 24, city='Beijing', addr='Chaoyang', zipcode=123456)
    如果要限制关键字参数的名字，就可以用命名关键字参数，例如，只接收city和job作为关键字参数。这种方式定义的函数如下：
    
    def person(name, age, *, city, job):
        print(name, age, city, job)
    和关键字参数**kw不同，命名关键字参数需要一个特殊分隔符*，*后面的参数被视为命名关键字参数。
    
    调用方式如下：
    
    >>> person('Jack', 24, city='Beijing', job='Engineer')
    Jack 24 Beijing Engineer
    如果函数定义中已经有了一个可变参数，后面跟着的命名关键字参数就不再需要一个特殊分隔符*了：
    
    def person(name, age, *args, city, job):
        print(name, age, args, city, job)
    命名关键字参数必须传入参数名，这和位置参数不同。如果没有传入参数名，调用将报错：
    
    >>> person('Jack', 24, 'Beijing', 'Engineer')
    Traceback (most recent call last):
      File "<stdin>", line 1, in <module>
    TypeError: person() takes 2 positional arguments but 4 were given
    由于调用时缺少参数名city和job，Python解释器把这4个参数均视为位置参数，但person()函数仅接受2个位置参数。
    
    命名关键字参数可以有缺省值，从而简化调用：
    
    def person(name, age, *, city='Beijing', job):
        print(name, age, city, job)
    由于命名关键字参数city具有默认值，调用时，可不传入city参数：
    
    >>> person('Jack', 24, job='Engineer')
    Jack 24 Beijing Engineer
    使用命名关键字参数时，要特别注意，如果没有可变参数，就必须加一个*作为特殊分隔符。如果缺少*，Python解释器将无法识别位置参数和命名关键字参数：
    
    def person(name, age, city, job):
        # 缺少 *，city和job被视为位置参数
        pass

#### 参数组合 ####

在Python中定义函数，可以用必选参数、默认参数、可变参数、关键字参数和命名关键字参数，这5种参数都可以组合使用。但是请注意，参数定义的顺序必须是：必选参数、默认参数、可变参数、命名关键字参数和关键字参数。

比如定义一个函数，包含上述若干种参数：

def f1(a, b, c=0, *args, **kw):
        print('a =', a, 'b =', b, 'c =', c, 'args =', args, 'kw =', kw)
    
    def f2(a, b, c=0, *, d, **kw):
        print('a =', a, 'b =', b, 'c =', c, 'd =', d, 'kw =', kw)
    在函数调用的时候，Python解释器自动按照参数位置和参数名把对应的参数传进去。
    
    >>> f1(1, 2)
    a = 1 b = 2 c = 0 args = () kw = {}
    >>> f1(1, 2, c=3)
    a = 1 b = 2 c = 3 args = () kw = {}
    >>> f1(1, 2, 3, 'a', 'b')
    a = 1 b = 2 c = 3 args = ('a', 'b') kw = {}
    >>> f1(1, 2, 3, 'a', 'b', x=99)
    a = 1 b = 2 c = 3 args = ('a', 'b') kw = {
       'x': 99}
    >>> f2(1, 2, d=99, ext=None)
    a = 1 b = 2 c = 0 d = 99 kw = {
       'ext': None}
    最神奇的是通过一个tuple和dict，你也可以调用上述函数：
    
    >>> args = (1, 2, 3, 4)
    >>> kw = {
       'd': 99, 'x': '#'}
    >>> f1(*args, **kw)
    a = 1 b = 2 c = 3 args = (4,) kw = {
       'd': 99, 'x': '#'}
    >>> args = (1, 2, 3)
    >>> kw = {
       'd': 88, 'x': '#'}
    >>> f2(*args, **kw)
    a = 1 b = 2 c = 3 d = 88 kw = {
       'x': '#'}

所以，对于任意函数，都可以通过类似func(\*args, \*\*kw)的形式调用它，无论它的参数是如何定义的。

### 切片 ###

对这种经常取指定索引范围的操作，用循环十分繁琐，因此，Python提供了切片（Slice）操作符，能大大简化这种操作。
    
    对应上面的问题，取前3个元素，用一行代码就可以完成切片：
    
    >>> L[0:3]
    ['Michael', 'Sarah', 'Tracy']
    L[0:3]表示，从索引0开始取，直到索引3为止，但不包括索引3。即索引0，1，2，正好是3个元素。
    
    如果第一个索引是0，还可以省略：
    
    >>> L[:3]
    ['Michael', 'Sarah', 'Tracy']
    也可以从索引1开始，取出2个元素出来：
    
    >>> L[1:3]
    ['Sarah', 'Tracy']
    类似的，既然Python支持L[-1]取倒数第一个元素，那么它同样支持倒数切片，试试：
    
    >>> L[-2:]
    ['Bob', 'Jack']
    >>> L[-2:-1]
    ['Bob']
    记住倒数第一个元素的索引是-1。
    
    切片操作十分有用。我们先创建一个0-99的数列：
    
    >>> L = list(range(100))
    >>> L
    [0, 1, 2, 3, ..., 99]
    可以通过切片轻松取出某一段数列。比如前10个数：
    
    >>> L[:10]
    [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
    后10个数：
    
    >>> L[-10:]
    [90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99]
    前11-20个数：
    
    >>> L[10:20]
    [10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19]
    前10个数，每两个取一个：
    
    >>> L[:10:2]
    [0, 2, 4, 6, 8]
    所有数，每5个取一个：
    
    >>> L[::5]
    [0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95]
    甚至什么都不写，只写[:]就可以原样复制一个list：
    
    >>> L[:]
    [0, 1, 2, 3, ..., 99]
    tuple也是一种list，唯一区别是tuple不可变。因此，tuple也可以用切片操作，只是操作的结果仍是tuple：
    
    >>> (0, 1, 2, 3, 4, 5)[:3]
    (0, 1, 2)
    字符串'xxx'也可以看成是一种list，每个元素就是一个字符。因此，字符串也可以用切片操作，只是操作结果仍是字符串：
    
    >>> 'ABCDEFG'[:3]
    'ABC'
    >>> 'ABCDEFG'[::2]
    'ACEG'
    在很多编程语言中，针对字符串提供了很多各种截取函数（例如，substring），其实目的就是对字符串切片。Python没有针对字符串的截取函数，只需要切片一个操作就可以完成，非常简单。

### 迭代 ###

迭代

如果给定一个list或tuple，我们可以通过for循环来遍历这个list或tuple，这种遍历我们称为迭代（Iteration）。

在Python中，迭代是通过for … in来完成的，而很多语言比如C或者Java，迭代list是通过下标完成的，比如Java代码：

for (i=0; i<list.length; i++) {
        n = list[i];
    }

可以看出，Python的for循环抽象程度要高于Java的for循环，因为Python的for循环不仅可以用在list或tuple上，还可以作用在其他可迭代对象上。

list这种数据类型虽然有下标，但很多其他数据类型是没有下标的，但是，只要是可迭代对象，无论有无下标，都可以迭代，比如dict就可以迭代：

>>> d = {
       'a': 1, 'b': 2, 'c': 3}
    >>> for key in d:
    ...     print(key)
    ...
    a
    c
    b
    因为dict的存储不是按照list的方式顺序排列，所以，迭代出的结果顺序很可能不一样。
    
    默认情况下，dict迭代的是key。如果要迭代value，可以用for value in d.values()，如果要同时迭代key和value，可以用for k, v in d.items()。
    
    由于字符串也是可迭代对象，因此，也可以作用于for循环：
    
    >>> for ch in 'ABC':
    ...     print(ch)
    ...
    A
    B
    C
    所以，当我们使用for循环时，只要作用于一个可迭代对象，for循环就可以正常运行，而我们不太关心该对象究竟是list还是其他数据类型。
    
    那么，如何判断一个对象是可迭代对象呢？方法是通过collections模块的Iterable类型判断：
    
    >>> from collections import Iterable
    >>> isinstance('abc', Iterable) # str是否可迭代
    True
    >>> isinstance([1,2,3], Iterable) # list是否可迭代
    True
    >>> isinstance(123, Iterable) # 整数是否可迭代
    False
    最后一个小问题，如果要对list实现类似Java那样的下标循环怎么办？Python内置的enumerate函数可以把一个list变成索引-元素对，这样就可以在for循环中同时迭代索引和元素本身：
    
    >>> for i, value in enumerate(['A', 'B', 'C']):
    ...     print(i, value)
    ...
    0 A
    1 B
    2 C
    上面的for循环里，同时引用了两个变量，在Python里是很常见的，比如下面的代码：
    
    >>> for x, y in [(1, 1), (2, 4), (3, 9)]:
    ...     print(x, y)
    ...
    1 1
    2 4
    3 9

### 列表生成式 ###

列表生成式即List Comprehensions，是Python内置的非常简单却强大的可以用来创建list的生成式。

举个例子，要生成list \[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10\]可以用list(range(1, 11))：

>>> list(range(1, 11))
    [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]
    但如果要生成[1x1, 2x2, 3x3, ..., 10x10]怎么做？方法一是循环：
    
    >>> L = []
    >>> for x in range(1, 11):
    ...    L.append(x * x)
    ...
    >>> L
    [1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81, 100]
    但是循环太繁琐，而列表生成式则可以用一行语句代替循环生成上面的list：
    
    >>> [x * x for x in range(1, 11)]
    [1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81, 100]
    写列表生成式时，把要生成的元素x * x放到前面，后面跟for循环，就可以把list创建出来，十分有用，多写几次，很快就可以熟悉这种语法。
    
    for循环后面还可以加上if判断，这样我们就可以筛选出仅偶数的平方：
    
    >>> [x * x for x in range(1, 11) if x % 2 == 0]
    [4, 16, 36, 64, 100]
    还可以使用两层循环，可以生成全排列：
    
    >>> [m + n for m in 'ABC' for n in 'XYZ']
    ['AX', 'AY', 'AZ', 'BX', 'BY', 'BZ', 'CX', 'CY', 'CZ']
    三层和三层以上的循环就很少用到了。
    
    运用列表生成式，可以写出非常简洁的代码。例如，列出当前目录下的所有文件和目录名，可以通过一行代码实现：
    
    >>> import os # 导入os模块，模块的概念后面讲到
    >>> [d for d in os.listdir('.')] # os.listdir可以列出文件和目录
    ['.emacs.d', '.ssh', '.Trash', 'Adlm', 'Applications', 'Desktop', 'Documents', 'Downloads', 'Library', 'Movies', 'Music', 'Pictures', 'Public', 'VirtualBox VMs', 'Workspace', 'XCode']
    for循环其实可以同时使用两个甚至多个变量，比如dict的items()可以同时迭代key和value：
    
    >>> d = {
       'x': 'A', 'y': 'B', 'z': 'C' }
    >>> for k, v in d.items():
    ...     print(k, '=', v)
    ...
    y = B
    x = A
    z = C
    因此，列表生成式也可以使用两个变量来生成list：
    
    >>> d = {
       'x': 'A', 'y': 'B', 'z': 'C' }
    >>> [k + '=' + v for k, v in d.items()]
    ['y=B', 'x=A', 'z=C']
    最后把一个list中所有的字符串变成小写：
    
    >>> L = ['Hello', 'World', 'IBM', 'Apple']
    >>> [s.lower() for s in L]
    ['hello', 'world', 'ibm', 'apple']

### 生成器 ###

通过列表生成式，我们可以直接创建一个列表。但是，受到内存限制，列表容量肯定是有限的。而且，创建一个包含100万个元素的列表，不仅占用很大的存储空间，如果我们仅仅需要访问前面几个元素，那后面绝大多数元素占用的空间都白白浪费了。

所以，如果列表元素可以按照某种算法推算出来，那我们是否可以在循环的过程中不断推算出后续的元素呢？这样就不必创建完整的list，从而节省大量的空间。在Python中，这种一边循环一边计算的机制，称为生成器：generator。

要创建一个generator，有很多种方法。第一种方法很简单，只要把一个列表生成式的\[\]改成()，就创建了一个generator：

>>> L = [x * x for x in range(10)]
    >>> L
    [0, 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81]
    >>> g = (x * x for x in range(10))
    >>> g
    <generator object <genexpr> at 0x1022ef630>

创建L和g的区别仅在于最外层的\[\]和()，L是一个list，而g是一个generator。

我们可以直接打印出list的每一个元素，但我们怎么打印出generator的每一个元素呢？

如果要一个一个打印出来，可以通过next()函数获得generator的下一个返回值：

当然，上面这种不断调用next(g)实在是太变态了，正确的方法是使用for循环，因为generator也是可迭代对象：

>>> g = (x * x for x in range(10))
    >>> for n in g:
    ...     print(n)
    ...

generator非常强大。如果推算的算法比较复杂，用类似列表生成式的for循环无法实现的时候，还可以用函数来实现。

比如，著名的斐波拉契数列（Fibonacci），除第一个和第二个数外，任意一个数都可由前两个数相加得到：

1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, …

斐波拉契数列用列表生成式写不出来，但是，用函数把它打印出来却很容易：

def fib(max):
        n, a, b = 0, 0, 1
        while n < max:
            print(b)
            a, b = b, a + b
            n = n + 1
        return 'done'
    注意，赋值语句：
    
    a, b = b, a + b
    相当于：
    
    t = (b, a + b) # t是一个tuple
    a = t[0]
    b = t[1]
    但不必显式写出临时变量t就可以赋值。
    
    上面的函数可以输出斐波那契数列的前N个数：
    
    >>> fib(6)
    1
    1
    2
    3
    5
    8
    'done'
    仔细观察，可以看出，fib函数实际上是定义了斐波拉契数列的推算规则，可以从第一个元素开始，推算出后续任意的元素，这种逻辑其实非常类似generator。

也就是说，上面的函数和generator仅一步之遥。要把fib函数变成generator，只需要把print(b)改为yield b就可以了：

def fib(max):
        n, a, b = 0, 0, 1
        while n < max:
            yield b
            a, b = b, a + b
            n = n + 1
        return 'done'
    这就是定义generator的另一种方法。如果一个函数定义中包含yield关键字，那么这个函数就不再是一个普通函数，而是一个generator：
    
    >>> f = fib(6)
    >>> f
    <generator object fib at 0x104feaaa0>

这里，最难理解的就是generator和函数的执行流程不一样。函数是顺序执行，遇到return语句或者最后一行函数语句就返回。而变成generator的函数，在每次调用next()的时候执行，遇到yield语句返回，再次执行时从上次返回的yield语句处继续执行。

举个简单的例子，定义一个generator，依次返回数字1，3，5：

def odd():
        print('step 1')
        yield 1
        print('step 2')
        yield(3)
        print('step 3')
        yield(5)
    调用该generator时，首先要生成一个generator对象，然后用next()函数不断获得下一个返回值：
    
    >>> o = odd()
    >>> next(o)
    step 1
    1
    >>> next(o)
    step 2
    3
    >>> next(o)
    step 3
    5
    >>> next(o)
    Traceback (most recent call last):
      File "<stdin>", line 1, in <module>
    StopIteration

可以看到，odd不是普通函数，而是generator，在执行过程中，遇到yield就中断，下次又继续执行。执行3次yield后，已经没有yield可以执行了，所以，第4次调用next(o)就报错。

回到fib的例子，我们在循环过程中不断调用yield，就会不断中断。当然要给循环设置一个条件来退出循环，不然就会产生一个无限数列出来。

同样的，把函数改成generator后，我们基本上从来不会用next()来获取下一个返回值，而是直接使用for循环来迭代：

>>> for n in fib(6):
    ...     print(n)
    ...
    1
    1
    2
    3
    5
    8
    但是用for循环调用generator时，发现拿不到generator的return语句的返回值。如果想要拿到返回值，必须捕获StopIteration错误，返回值包含在StopIteration的value中：
    
    >>> g = fib(6)
    >>> while True:
    ...     try:
    ...         x = next(g)
    ...         print('g:', x)
    ...     except StopIteration as e:
    ...         print('Generator return value:', e.value)
    ...         break
    ...
    g: 1
    g: 1
    g: 2
    g: 3
    g: 5
    g: 8
    Generator return value: done

### 迭代器 ###

我们已经知道，可以直接作用于for循环的数据类型有以下几种：

一类是集合数据类型，如list、tuple、dict、set、str等；

一类是generator，包括生成器和带yield的generator function。

这些可以直接作用于for循环的对象统称为可迭代对象：Iterable。

可以使用isinstance()判断一个对象是否是Iterable对象：

而生成器不但可以作用于for循环，还可以被next()函数不断调用并返回下一个值，直到最后抛出StopIteration错误表示无法继续返回下一个值了。

可以被next()函数调用并不断返回下一个值的对象称为迭代器：Iterator。

可以使用isinstance()判断一个对象是否是Iterator对象：

生成器都是Iterator对象，但list、dict、str虽然是Iterable，却不是Iterator。

把list、dict、str等Iterable变成Iterator可以使用iter()函数：

你可能会问，为什么list、dict、str等数据类型不是Iterator？

这是因为Python的Iterator对象表示的是一个数据流，Iterator对象可以被next()函数调用并不断返回下一个数据，直到没有数据时抛出StopIteration错误。可以把这个数据流看做是一个有序序列，但我们却不能提前知道序列的长度，只能不断通过next()函数实现按需计算下一个数据，所以Iterator的计算是惰性的，只有在需要返回下一个数据时它才会计算。

Iterator甚至可以表示一个无限大的数据流，例如全体自然数。而使用list是永远不可能存储全体自然数的。