5. 資料結構

這個章節將會更深入的介紹一些你已經學過的東西的細節上，並且加入一些你還沒有接觸過的部分。

5.1. 進一步了解 List（串列）

List（串列）這個資料型別具有更多方法。下面條列了 list 物件的所有 method：

list.append(value, /)

將一個新的項目加到 list 的尾端。與 a[len(a):] = [x] 類似。

list.extend(iterable, /)

將 iterable（可疊代物件）接到 list 的尾端。與 a[len(a):] = iterable 類似。

list.insert(index, value, /)

將一個項目插入至 list 中給定的位置。第一個引數為插入處前元素的索引值，所以 a.insert(0, x) 會插入在 list 首位，而 a.insert(len(a), x) 則相當於 a.append(x)。

list.remove(value, /)

刪除 list 中第一個值等於 value 的元素。若 list 中無此元素則會觸發 ValueError。

list.pop(index=-1, /)

移除 list 中給定位置的項目，並回傳它。如果沒有指定位置， a.pop() 將會移除 list 中最後的項目並回傳它。若 list 是空的或是索引值超出範圍，則會引發 IndexError 例外。

list.clear()

刪除 list 中所有項目。與 del a[:] 類似。

list.index(value[, start[, stop]])

回傳 list 中第一個出現 value 的（從零開始的）索引值。若 list 中無此項目，則丟出 ValueError 錯誤。

引數 start 和 end 的定義跟在 slice 表示法中相同，搜尋的動作被這兩個引數限定在 list 中特定的子序列。但要注意的是，回傳的索引值是從 list 的開頭開始算，而不是從 start 開始算。

list.count(value, /)

回傳 value 在 list 中所出現的次數。

list.sort(*, key=None, reverse=False)

將 list 中的項目排序。（可使用引數來進行客製化的排序，請參考 sorted() 部分的解釋）

list.reverse()

將 list 中的項目前後順序反過來。

list.copy()

回傳一個淺複製 (shallow copy) 的 list。與 a[:] 類似。

以下是一個使用到許多 list 物件方法的例子：

>>> fruits = ['orange', 'apple', 'pear', 'banana', 'kiwi', 'apple', 'banana']
>>> fruits.count('apple')
2
>>> fruits.count('tangerine')
0
>>> fruits.index('banana')
3
>>> fruits.index('banana', 4)  # 從位置 4 開始找到下一個 banana
6
>>> fruits.reverse()
>>> fruits
['banana', 'apple', 'kiwi', 'banana', 'pear', 'apple', 'orange']
>>> fruits.append('grape')
>>> fruits
['banana', 'apple', 'kiwi', 'banana', 'pear', 'apple', 'orange', 'grape']
>>> fruits.sort()
>>> fruits
['apple', 'apple', 'banana', 'banana', 'grape', 'kiwi', 'orange', 'pear']
>>> fruits.pop()
'pear'

你可能會注意到一些方法，像是 insert、remove 或者是 sort，並沒有印出回傳值，事實上，他們回傳預設值 None [1]。這是一個用於 Python 中所有可變資料結構的設計法則。

另外你可能也會發現，不是所有資料都可以被排序或比較。例如，[None, 'hello', 10] 就不可排序，因為整數不能與字串比較，而 None 不能與其他型別比較。有些型別根本就沒有被定義彼此之間的大小順序，例如，3+4j < 5+7j 就是一個無效的比較。

5.1.1. 將 List 作為 Stack（堆疊）使用

List 的操作方法使得它非常簡單可以用來實作 stack（堆疊）。Stack 為一個遵守最後加入元素最先被取回（後進先出，"last-in, first-out"）規則的資料結構。你可以使用方法 append() 將一個項目放到堆疊的頂層。而使用方法 pop() 且不給定索引值去取得堆疊最上面的項目。舉例而言：

>>> stack = [3, 4, 5]
>>> stack.append(6)
>>> stack.append(7)
>>> stack
[3, 4, 5, 6, 7]
>>> stack.pop()
7
>>> stack
[3, 4, 5, 6]
>>> stack.pop()
6
>>> stack.pop()
5
>>> stack
[3, 4]

5.1.2. 將 List 作為 Queue（佇列）使用

我們也可以將 list 當作 queue（佇列）使用，即最先加入元素最先被取回（先進先出，"first-in, first-out"）的資料結構。然而，list 在這種使用方式下效率較差。使用 append 和 pop 來加入和取出尾端的元素較快，而使用 insert 和 pop 來插入和取出頭端的元素較慢（因為其他元素都需要挪動一格）。

如果要實作 queue，請使用 collections.deque，其被設計成能快速的從頭尾兩端加入和取出。例如：

>>> from collections import deque
>>> queue = deque(["Eric", "John", "Michael"])
>>> queue.append("Terry")           # Terry 加進來
>>> queue.append("Graham")          # Graham 加進來
>>> queue.popleft()                 # 第一個加進來的現在離開
'Eric'
>>> queue.popleft()                 # 第二個加進來的現在離開
'John'
>>> queue                           # queue 裡剩下的會按照加進來的順序排列
deque(['Michael', 'Terry', 'Graham'])

5.1.3. List Comprehensions（串列綜合運算）

List comprehension（串列綜合運算）讓你可以用簡潔的方法建立 list。常見的應用是基於一個序列或 iterable（可疊代物件），將每一個元素經過某個運算的結果串接起來成為新的 list，或是建立一個子序列，其每一個元素皆滿足一個特定的條件。

舉例來說，假設我們要建立一個「平方的 list」：

>>> squares = []
>>> for x in range(10):
...     squares.append(x**2)
...
>>> squares
[0, 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81]

注意這是建立（或覆寫）一個變數叫 x，其在迴圈結束後仍然存在。我們可以這樣產生平方串列而不造成任何 side effects（副作用）：

squares = list(map(lambda x: x**2, range(10)))

或與此相等的：

squares = [x**2 for x in range(10)]

這樣更簡潔和易讀。

一個 list comprehension 的組成，是在一對方括號內，放入一個 expression（運算式）、一個 for 子句、再接著零個或多個 for 或 if 子句。結果會是一個新的 list，內容是在後面的 for 和 if 子句情境下，對前面運算式求值的結果。例如，這個 list comprehension 組合了兩個 list 中彼此相異的元素：

>>> [(x, y) for x in [1,2,3] for y in [3,1,4] if x != y]
[(1, 3), (1, 4), (2, 3), (2, 1), (2, 4), (3, 1), (3, 4)]

而它就等於：

>>> combs = []
>>> for x in [1,2,3]:
...     for y in [3,1,4]:
...         if x != y:
...             combs.append((x, y))
...
>>> combs
[(1, 3), (1, 4), (2, 3), (2, 1), (2, 4), (3, 1), (3, 4)]

注意 for 和 if 在這兩段程式裡的順序是相同的。

如果 expression 是一個 tuple（例如上面例子中的 (x, y)），它必須加上括號：

>>> vec = [-4, -2, 0, 2, 4]
>>> # 建立一個值加倍的新串列
>>> [x*2 for x in vec]
[-8, -4, 0, 4, 8]
>>> # 過濾串列以排除負數
>>> [x for x in vec if x >= 0]
[0, 2, 4]
>>> # 對所有元素套用函式
>>> [abs(x) for x in vec]
[4, 2, 0, 2, 4]
>>> # 對每個元素呼叫方法
>>> freshfruit = ['  banana', '  loganberry ', 'passion fruit  ']
>>> [weapon.strip() for weapon in freshfruit]
['banana', 'loganberry', 'passion fruit']
>>> # 建立像 (數字, 平方) 的 2-元組串列
>>> [(x, x**2) for x in range(6)]
[(0, 0), (1, 1), (2, 4), (3, 9), (4, 16), (5, 25)]
>>> # 元組必須加上括號，否則會產生錯誤
>>> [x, x**2 for x in range(6)]
  File "<stdin>", line 1
    [x, x**2 for x in range(6)]
     ^^^^^^^
SyntaxError: did you forget parentheses around the comprehension target?
>>> # flatten a list using a listcomp with two 'for'
>>> vec = [[1,2,3], [4,5,6], [7,8,9]]
>>> [num for elem in vec for num in elem]
[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

List comprehensions 可以含有複雜的 expression 和巢狀的函式：

>>> from math import pi
>>> [str(round(pi, i)) for i in range(1, 6)]
['3.1', '3.14', '3.142', '3.1416', '3.14159']

5.1.4. 巢狀的 List Comprehensions

在 list comprehesion 中開頭的 expression 可以是任何形式的 expression，包括再寫一個 list comprehension。

考慮以下表示 3x4 矩陣的範例，使用 list 包含 3 個長度為 4 的 list ：

>>> matrix = [
...     [1, 2, 3, 4],
...     [5, 6, 7, 8],
...     [9, 10, 11, 12],
... ]

以下的 list comprehesion 會將矩陣的行與列作轉置：

>>> [[row[i] for row in matrix] for i in range(4)]
[[1, 5, 9], [2, 6, 10], [3, 7, 11], [4, 8, 12]]

如同我們在上一節看到的，內部的 list comprehension 會依據後面的 for 環境被求值，所以這個例子就等於：

>>> transposed = []
>>> for i in range(4):
...     transposed.append([row[i] for row in matrix])
...
>>> transposed
[[1, 5, 9], [2, 6, 10], [3, 7, 11], [4, 8, 12]]

而它也和這一段相同：

>>> transposed = []
>>> for i in range(4):
...     # 下面這三行實作了巢狀的 listcomp
...     transposed_row = []
...     for row in matrix:
...         transposed_row.append(row[i])
...     transposed.append(transposed_row)
...
>>> transposed
[[1, 5, 9], [2, 6, 10], [3, 7, 11], [4, 8, 12]]

在實際運用上，我們傾向於使用內建函式 (built-in functions) 而不是複雜的流程控制陳述式。在這個例子中，使用 zip() 函式會非常有效率：

>>> list(zip(*matrix))
[(1, 5, 9), (2, 6, 10), (3, 7, 11), (4, 8, 12)]

關於星號的更多細節，請參考拆解引數列表（Unpacking Argument Lists）。

5.2. del 陳述式

有一個方法可以藉由索引而不是值來刪除 list 中的項目：del 陳述式。這和 pop() method 傳回一個值不同，del 陳述式可以用來刪除 list 中的片段或者清空整個 list（我們之前藉由指派一個空的 list 給想刪除的片段來完成這件事）。例如：

>>> a = [-1, 1, 66.25, 333, 333, 1234.5]
>>> del a[0