Списки, кортежи и словари

Список

Для работы с наборами данных Python предоставляет такие встроенные типы как списки, кортежи и словари.

Список (list) представляет тип данных, который хранит набор или последовательность элементов. Во многих языках программирования есть аналогичная структура данных, которая называется массив.

Создание списка

Для создания списка применяются квадратные скобки [], внутри которых через запятую перечисляются элементы списка. Например, определим список чисел:

numbers = [1, 2, 3, 4, 5]

Подобным образом можно определять списки с данными других типов, например, определим список строк:

people = ["Tom", "Sam", "Bob"]

Также для создания списка можно использовать функцию-конструктор list():

numbers1 = []
numbers2 = list()

Оба этих определения списка аналогичны - они создают пустой список.

Список необязательно должен содержать только однотипные объекты. Мы можем поместить в один и тот же список одновременно строки, числа, объекты других типов данных:

objects = [1, 2.6, "Hello", True]

Для проверки элементов списка можно использовать стандартную функцию print, которая выводит содержимое списка в удобочитаемом виде:

numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
people = ["Tom", "Sam", "Bob"]

print(numbers)  # [1, 2, 3, 4, 5]
print(people)   # ["Tom", "Sam", "Bob"]

Конструктор list может принимать набор значений, на основе которых создается список:

numbers1 = [1, 2, 3, 4, 5]
numbers2 = list(numbers1)
print(numbers2)  # [1, 2, 3, 4, 5]

letters = list("Hello")
print(letters)      # ['H', 'e', 'l', 'l', 'o']

Если необходимо создать список, в котором повторяется одно и то же значение несколько раз, то можно использовать символ звездочки *, то есть фактически применить операцию умножения к уже существующему списку:

numbers = [5] * 6   # 6 раз повторяем 5
print(numbers)      # [5, 5, 5, 5, 5, 5]

people = ["Tom"] * 3    # 3 раза повторяем "Tom"
print(people)           # ["Tom", "Tom", "Tom"]

students = ["Bob", "Sam"] * 2   # 2 раза повторяем "Bob", "Sam"
print(students)                 # ["Bob", "Sam", "Bob", "Sam"]

Обращение к элементам списка

Для обращения к элементам списка надо использовать индексы, которые представляют номер элемента в списка. Индексы начинаются с нуля. То есть первый элемент будет иметь индекс 0, второй элемент - индекс 1 и так далее. Для обращения к элементам с конца можно использовать отрицательные индексы, начиная с -1. То есть у последнего элемента будет индекс -1, у предпоследнего - -2 и так далее.

people = ["Tom", "Sam", "Bob"]
# получение элементов с начала списка
print(people[0])   # Tom
print(people[1])   # Sam
print(people[2])   # Bob

# получение элементов с конца списка
print(people[-2])   # Sam
print(people[-1])   # Bob
print(people[-3])   # Tom

Для изменения элемента списка достаточно присвоить ему новое значение:

people = ["Tom", "Sam", "Bob"]

people[1] = "Mike"  # изменение второго элемента
print(people[1])    # Mike
print(people)       # ["Tom", "Mike", "Bob"]

Разложение списка

Python позволяет разложить список на отдельные элементы:

people = ["Tom", "Bob", "Sam"]

tom, bob, sam = people

print(tom)      # Tom
print(bob)      # Bob
print(sam)      # Sam

В данном случае переменным tom, bob и sam последовательно присваиваются элементы из списка people. Однако следует учитывать, что количество переменных должно быть равно числу элементов присваиваемого списка.

Перебор элементов

Для перебора элементов можно использовать как цикл for, так и цикл while.

Перебор с помощью цикла for:

people = ["Tom", "Sam", "Bob"]
for person in people:
    print(person)

Здесь будет производиться перебор списка people, и каждый его элемент будет помещаться в переменную person.

Перебор также можно сделать с помощью цикла while:

people = ["Tom", "Sam", "Bob"]
i = 0
while i < len(people):
    print(people[i])    # применяем индекс для получения элемента
    i += 1

Для перебора с помощью функции len() получаем длину списка. С помощью счетчика i выводит по элементу, пока значение счетчика не станет равно длине списка.

Сравнение списков

Два списка считаются равными, если они содержат один и тот же набор элементов:

numbers1 = [1, 2, 3, 4, 5]
numbers2 = list([1, 2, 3, 4, 5])
if numbers1 == numbers2:
    print("numbers1 equal to numbers2")
else:
    print("numbers1 is not equal to numbers2")

В данном случае оба списка будут равны.

Получение части списка

Если необходимо получить какую-то определенную часть списка, то мы можем применять специальный синтаксис, который может принимать следующие формы:

• list[:end]: через параметр end передается индекс элемента, до которого нужно копировать список

• list[start:end]: параметр start указывает на индекс элемента, начиная с которого надо скопировать элементы

• list[start:end:step]: параметр step указывает на шаг, через который будут копироваться элементы из списка. По умолчанию этот параметр равен 1.

people = ["Tom", "Bob", "Alice", "Sam", "Tim", "Bill"]

slice_people1 = people[:3]   # с 0 по 3
print(slice_people1)   # ["Tom", "Bob", "Alice"]

slice_people2 = people[1:3]   # с 1 по 3
print(slice_people2)   # ["Bob", "Alice"]

slice_people3 = people[1:6:2]   # с 1 по 6 с шагом 2
print(slice_people3)   # ["Bob", "Sam", "Bill"]

Можно использовать отрицательные индексы, тогда отсчет будет идти с конца, например, -1 - предпоследний, -2 - третий сконца и так далее.

people = ["Tom", "Bob", "Alice", "Sam", "Tim", "Bill"]

slice_people1 = people[:-1]   # с предпоследнего по нулевой
print(slice_people1)   # ["Tom", "Bob", "Alice", "Sam", "Tim"]

slice_people2 = people[-3:-1]   # с третьего с конца по предпоследний
print(slice_people2)   # [ "Sam", "Tim"]

Методы и функции по работе со списками

Для управления элементами списки имеют целый ряд методов. Некоторые из них:

• append(item): добавляет элемент item в конец списка

• insert(index, item): добавляет элемент item в список по индексу index

• extend(items): добавляет набор элементов items в конец списка

• remove(item): удаляет элемент item. Удаляется только первое вхождение элемента. Если элемент не найден, генерирует исключение ValueError

• clear(): удаление всех элементов из списка

• index(item): возвращает индекс элемента item. Если элемент не найден, генерирует исключение ValueError

• pop([index]): удаляет и возвращает элемент по индексу index. Если индекс не передан, то просто удаляет последний элемент.

• count(item): возвращает количество вхождений элемента item в список

• sort([key]): сортирует элементы. По умолчанию сортирует по возрастанию. Но с помощью параметра key мы можем передать функцию сортировки.

• reverse(): расставляет все элементы в списке в обратном порядке

• copy(): копирует список

Кроме того, Python предоставляет ряд встроенных функций для работы со списками:

• len(list): возвращает длину списка

• sorted(list, [key]): возвращает отсортированный список

• min(list): возвращает наименьший элемент списка

• max(list): возвращает наибольший элемент списка

Добавление и удаление элементов

Для добавления элемента применяются методы append(), extend и insert, а для удаления - методы remove(), pop() и clear().

Использование методов:

people = ["Tom", "Bob"]

# добавляем в конец списка
people.append("Alice")  # ["Tom", "Bob", "Alice"]
# добавляем на вторую позицию
people.insert(1, "Bill")  # ["Tom", "Bill", "Bob", "Alice"]
# добавляем набор элементов ["Mike", "Sam"]
people.extend(["Mike", "Sam"])      # ["Tom", "Bill", "Bob", "Alice", "Mike", "Sam"]
# получаем индекс элемента
index_of_tom = people.index("Tom")
# удаляем по этому индексу
removed_item = people.pop(index_of_tom)     # ["Bill", "Bob", "Alice", "Mike", "Sam"]
# удаляем последний элемент
last_item = people.pop()     # ["Bill", "Bob", "Alice", "Mike"]
# удаляем элемент "Alice"
people.remove("Alice")      # ["Bill", "Bob", "Mike"]
print(people)       # ["Bill", "Bob", "Mike"]
# удаляем все элементы
people.clear()
print(people)       # []

Проверка наличия элемента

Если определенный элемент не найден, то методы remove и index генерируют исключение. Чтобы избежать подобной ситуации, перед операцией с элементом можно проверять его наличие с помощью ключевого слова in:

people = ["Tom", "Bob", "Alice", "Sam"]

if "Alice" in people:
    people.remove("Alice")
print(people)       # ["Tom", "Bob", "Sam"]

Выражение if "Alice" in people возвращает True, если элемент "Alice" имеется в списке people. Поэтому конструкция if "Alice" in people может выполнить последующий блок инструкций в зависимости от наличия элемента в списке.

Удаление с помощью del

Python также поддерживает еще один способ удаления элементов списка - с помощью оператора del. В качестве параметра этому оператору передается удаляемый элемент или набор элементов:

people = ["Tom", "Bob", "Alice", "Sam", "Bill", "Kate", "Mike"]

del people[1]   # удаляем второй элемент
print(people)   # ["Tom", "Alice", "Sam", "Bill", "Kate", "Mike"]
del people[:3]   # удаляем  по четвертый элемент не включая
print(people)   # ["Bill", "Kate", "Mike"]
del people[1:]   # удаляем  со второго элемента
print(people)   # ["Bill"]

Изменение подсписка

Для изменения подсписка - набора элементов в списке можно использовать вышерассмотренный синтаксис [start:end]:

nums = [10, 20, 30, 40, 50]
nums[1:4]=[11, 22]
print(nums)     # [10, 11, 22, 50]

Здесь выражение nums[1:4] фактически обращается к подсписку [20, 30, 40]. Присвоение этому подсписку списка [11, 22] позволяет заменить элемента с 1 по 4 индекс не включая на элементы [11, 22]. И после изменения получим список [10, 11, 22, 50]

Подсчет вхождений

Если необходимо узнать, сколько раз в списке присутствует тот или иной элемент, то можно применить метод count():

people = ["Tom", "Bob", "Alice", "Tom", "Bill", "Tom"]

people_count = people.count("Tom")
print(people_count)      # 3

Сортировка

Для сортировки по возрастанию применяется метод sort():

people = ["Tom", "Bob", "Alice", "Sam", "Bill"]

people.sort()
print(people)      # ["Alice", "Bill", "Bob", "Sam", "Tom"]

Если необходимо отсортировать данные в обратном порядке, то мы можем после сортировки применить метод reverse():

people = ["Tom", "Bob", "Alice", "Sam", "Bill"]

people.sort()
people.reverse()
print(people)      # ["Tom", "Sam", "Bob", "Bill", "Alice"]

При сортировке фактически сравниваются два объекта, и который из них "меньше", ставится перед тем, который "больше". Понятия "больше" и "меньше" довольно условны. И если для чисел все просто - числа расставляются в порядке возрастания, то для строк и других объектов ситуация сложнее. В частности, строки оцениваются по первым символам. Если первые символы равны, оцениваются вторые символы и так далее. При чем цифровой символ считается "меньше", чем алфавитный заглавный символ, а заглавный символ считается меньше, чем строчный.

Таким образом, если в списке сочетаются строки с верхним и нижним регистром, то мы можем получить не совсем корректные результаты, так как для нас строка "bob" должна стоять до строки "Tom". И чтобы изменить стандартное поведение сортировки, мы можем передать в метод sort() в качестве параметра функцию:

people = ["Tom", "bob", "alice", "Sam", "Bill"]

people.sort()       # стандартная сортировка
print(people)      # ["Bill", "Sam", "Tom", "alice", "bob"]

people.sort(key=str.lower)  # сортировка без учета регистра
print(people)      # ["alice", "Bill", "bob", "Sam", "Tom"]

Кроме метода sort мы можем использовать встроенную функцию sorted, которая имеет две формы:

• sorted(list): сортирует список list

• sorted(list, key): сортирует список list, применяя к элементам функцию key

people = ["Tom", "bob", "alice", "Sam", "Bill"]

sorted_people = sorted(people, key=str.lower)
print(sorted_people)      # ["alice", "Bill", "bob", "Sam", "Tom"]

При использовании этой функции следует учитывать, что эта функция не изменяет сортируемый список, а все отсортированные элементы она помещает в новый список, который возвращается в качестве результата.

Фильтрация списка

Для фильтрации списка применяется функция filter(), в которую передается функция-условие и фильтруемый список:

filter(fun, iter)

Функция принимает два параметра:

• fun: функция-условие, в которую передается каждый элемент коллекции и которая возвращает True, если элемент соответствует условию. Иначе возвращается False.

• iter: фильтруемая коллекция

В качестве результата функция возвращает отфильтрованные элементы. Например, получим из списка чисел все значения больше 1:

numbers = [-5, -4, -3 ,-2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5]

def condition(number): return number > 1

result = filter(condition, numbers)

for n in result: print(n, end=" ")      # 2 3 4 5

Здесь фильтруется список numbers. Для фильтрации определяем функцию condition, в которую в качестве параметра передается каждый элемент списка numbers. Результатом функции являет True, если число больше 1, либо False, если число меньше 2.

Результатом функции filter является отфильтрованные значения из списка, то есть те числа, которые больше 1.

Вместо определения отдельной функции-условия, если условие короткое, удобно в подобных случаях использовать лямбда-выражения:

numbers = [-5, -4, -3 ,-2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5]

result = filter(lambda n: n > 1, numbers)

for n in result: print(n, end=" ")      # 2 3 4 5

Аналогичным образом можно отфильтровать списки более сложных объектов:

class Person:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age 
        
people = [ Person("Tom", 38), Person("Kate", 31), Person("Bob", 42), 
        Person("Alice", 34),  Person("Sam", 25) ]

# фильтрация элементов, у которых age > 33
view = filter(lambda p: p.age > 33, people)
 
for person in view:
    print(f"Name: {person.name} Age: {person.age}")

В данном случае фильтруем список объектов Person, поэтому в функцию-условие/лямбда-выражение в качестве параметра передается каждый объект Person из списка. Каждый объект Person хранит имя (Name) и возраст (Age), и здесь выбираем всех Person, у которых возраст больше 33.

Проекция списка

Для проекции/преобразования элементов списка применяется функция map(), в которую передается функция-условие и список, элементы которого надо преобразовать:

map(fun, iter)

Функция принимает два параметра:

• fun: функция преобразования, в которую передается каждый элемент коллекции.

• iter: перебираемая коллекция

Из результата функции мы получим преобразованные элементы списка. Например, преобразуем список чисел в квадраты этих чисел:

numbers = [ 1, 2, 3, 4, 5]

def square(number): return number * number

result = map(square, numbers)

for n in result: print(n, end=" ")      # 1 4 9 16 25

В качестве функции преобразования здесь выступает функция square, в которую передается число из списка и которая возвращает его квадрат.

Также в качестве функции преобразования можно использовать лямбда-выражения:

numbers = [ 1, 2, 3, 4, 5]

result = map(lambda n: n * n, numbers)

for n in result: print(n, end=" ")      # 1 4 9 16 25

Аналогичным образом можно преобразовывать коллекции более сложных объектов:

class Person:
    def __init__(self, name, age):
        self.name = name
        self.age = age 
        
people = [ Person("Tom", 38), Person("Kate", 31), Person("Bob", 42), 
        Person("Alice", 34),  Person("Sam", 25) ]

# получаем из Person строку с именем
view = map(lambda p: p.name, people)
 
for person in view:
    print(person)

Здесь проекция применяется к списку объектов Person. Функция преобразование получает каждый объект Person и возвращает значение его атрибута name. То есть в результате мы получим набор строк (атрибуты name всех объектов Person). Консольный вывод:

Tom
Kate
Bob
Alice
Sam

Минимальное и максимальное значения

Встроенный функции Python min() и max() позволяют найти минимальное и максимальное значения соответственно:

numbers = [9, 21, 12, 1, 3, 15, 18]
print(min(numbers))     # 1
print(max(numbers))     # 21

Копирование списков

При копировании списков следует учитывать, что списки представляют изменяемый (mutable) тип, поэтому если обе переменных будут указывать на один и тот же список, то изменение одной переменной, затронет и другую переменную:

people1 = ["Tom", "Bob", "Alice"]
people2 = people1
people2.append("Sam")   # добавляем элемент во второй список
# people1 и people2 указывают на один и тот же список
print(people1)   # ["Tom", "Bob", "Alice", "Sam"]
print(people2)   # ["Tom", "Bob", "Alice", "Sam"]

И чтобы происходило копирование элементов, но при этом переменные указывали на разные списки, можно использовать метод copy():

people1 = ["Tom", "Bob", "Alice"]
people2 = people1.copy()    # копируем элементы из people1 в people2
people2.append("Sam")   # добавляем элемент ТОЛЬКО во второй список
# people1 и people2 указывают на разные списки
print(people1)   # ["Tom", "Bob", "Alice"]
print(people2)   # ["Tom", "Bob", "Alice", "Sam"]

Соединение списков

Для объединения списков применяется операция сложения (+):

people1 = ["Tom", "Bob", "Alice"]
people2 = ["Tom", "Sam", "Tim", "Bill"]
people3 = people1 + people2
print(people3)   # ["Tom", "Bob", "Alice", "Tom", "Sam", "Tim", "Bill"]

Списки списков

Списки кроме стандартных данных типа строк, чисел, также могут содержать другие списки. Подобные списки можно ассоциировать с таблицами, где вложенные списки выполняют роль строк. Например:

people = [
    ["Tom", 29],
    ["Alice", 33],
    ["Bob", 27]
]

print(people[0])         # ["Tom", 29]
print(people[0][0])      # Tom
print(people[0][1])      # 29

Чтобы обратиться к элементу вложенного списка, необходимо использовать пару индексов: people[0][1] - обращение ко второму элементу первого вложенного списка.

Добавление, удаление и изменение общего списка, а также вложенных списков аналогично тому, как это делается с обычными (одномерными) списками:

people = [
    ["Tom", 29],
    ["Alice", 33],
    ["Bob", 27]
]

# создание вложенного списка
person = list()
person.append("Bill")
person.append(41)
# добавление вложенного списка
people.append(person)

print(people[-1])         # ["Bill", 41]

# добавление во вложенный список
people[-1].append("+79876543210")

print(people[-1])         # ["Bill", 41, "+79876543210"]

# удаление последнего элемента из вложенного списка
people[-1].pop()
print(people[-1])         # ["Bill", 41]

# удаление всего последнего вложенного списка
people.pop(-1)

# изменение первого элемента
people[0] = ["Sam", 18]
print(people)            # [ ["Sam", 18], ["Alice", 33], ["Bob", 27]]

Перебор вложенных списков:

people = [
    ["Tom", 29],
    ["Alice", 33],
    ["Bob", 27]
]

for person in people:
    for item in person:
        print(item, end=" | ")

Консольный вывод:

Tom | 29 | Alice | 33 | Bob | 27 | 

Списки и алгоритмы

Списки нередко используются для решения различных задач, в которых, на первый взгляд, в применении списков нет смысла, тем не менее списки позволяют упростить написание алгоритма, либо просто предоставить альтернативное решение. Например, возьмем задачу по нахождению факториала числа:

fact = lambda n: [1,0] [n>1] or fact(n-1) * n
print(fact(4))

Для вычисления факториала здесь определена переменная fact, которая хранит лямбда-выражение. Рассмотрим его по частям. Вначале идет определение списка из двух элементов:

[1,0]

Дальше идет обращение к элементу списка с помощью индекса:

[1,0] [n>1]

Здесь результат выражения n>1 и будет представлять индекс в списке. То есть, если аргумент лямбда-выражения n больше 1, то выражение n>1 равно True или 1, а все выражение [1,0] [n>1] возвратит 0 (элемент по индексу 1). Если же n равно или меньше 1, то выражение n>1 равно False или 0, а все выражение [1,0] [n>1] возвратит 1 (элемент по индексу 0)

Дальше идет оператор or. Если выражение [1,0] [n>1] возвратит 1 (в случае если n<=1), то оператор or возвращает это число 1. Если же выражение [1,0] [n>1] возвратит 0 (в случае если n>1), то оператор or возвращает результат выражения fact(n-1) * n, которое рекурсивно вызывает функцию fact, передавая в нее число n-1. В итоге, если n=4, мы получим следующую последовательность действий:

• [1,0] [4>1] or fact(4-1) * 4

• 0 or fact(4-1) * 4

• ([1,0] [3>1] or fact(3-1)) * 4

• (0 or fact(3-1)) * 4

• (([1,0] [2>1] or fact(2-1)) * 3) * 4

• ((0 or fact(2-1)) * 3) * 4

• ((([1,0] [1>1] or fact(1-1)) * 2) * 3) * 4

• (((1 or fact(1-1)) * 2) * 3) * 4

• (((1) * 2) * 3) * 4