Коллекции в Python

Категория

Структуры данных

Уровень

Начальный

Связанные темы

Типы данных, for, индексы

Зачем это знать

Хранить и обрабатывать группы значений

§1Зачем нужны коллекции

Пока значений два-три, хватает обычных переменных. Но задача «сохранить температуру за неделю» на отдельных переменных выглядит так:

temperature_1 = 18
temperature_2 = 21
temperature_3 = 17
# ...и так далее

Такой код невозможно обработать циклом, нельзя посчитать среднее одной строкой и нельзя расширить до тридцати дней, не переписав всю программу. Коллекция решает это одним именем:

temperatures = [18, 21, 17, 23]

print(sum(temperatures))
print(max(temperatures))

79
23

Количество значений при этом больше не влияет на длину кода: те же две строки работают и для четырёх, и для тысячи измерений.

§2Что такое коллекция

Коллекция — структура для хранения нескольких элементов. С коллекцией можно добавлять и удалять значения, искать их, изменять и перебирать циклом — конкретные возможности зависят от её типа.

одно значение:   temperature  = 18
группа значений: temperatures = [18, 21, 17, 23]

Имя коллекции по традиции ставят во множественное число: temperatures, names, prices. Это сразу подсказывает читателю кода, что внутри не одно значение.

§3Четыре основных вида

Скобки различаются: квадратные у списка, круглые у кортежа, фигурные у множества и словаря. Дополнительные структуры, например deque и namedtuple, находятся в стандартной библиотеке и изучаются после основных коллекций.

Основной инструмент начинающего — список. Дальше в главе разбирается прежде всего он.

§4Список и индексы

Список — упорядоченная изменяемая коллекция. Каждый элемент занимает позицию с числовым индексом, а первый индекс равен нулю.

numbers = [10, 20, 30, 40]
индекс:     0   1   2   3

Индекс — это не номер по счёту, а смещение от начала. Поэтому третий по счёту элемент лежит под индексом 2.

numbers = [10, 20, 30, 40]

print(numbers[0])
print(numbers[2])

10
30

§5Отрицательные индексы

Python умеет отсчитывать позиции с конца. Индекс -1 означает последний элемент, -2 — предпоследний.

letters   = [ "a",  "b",  "c",  "d" ]
слева:         0     1     2     3
справа:       -4    -3    -2    -1

letters = ["a", "b", "c", "d"]

print(letters[-1])
print(letters[-2])

d
c

Это избавляет от вычислений вида «длина минус один» там, где нужен просто последний элемент. Нуля с минусом не существует: -0 — это тот же 0, то есть первый элемент.

§6len(): длина коллекции

len() — встроенная функция, которая возвращает количество элементов. Она понадобится почти в каждой задаче с коллекциями.

temperatures = [18, 21, 17, 23]

print(len(temperatures))
print(temperatures[len(temperatures) - 1])

4
23

У пустого списка [] длина равна 0, и обращаться по любому индексу к нему нельзя. Проверка if len(items) > 0 — стандартный способ убедиться, что данные вообще есть.

§7Изменение списка

Элемент списка можно заменить по индексу. Сам список после этого остаётся той же коллекцией, но его содержимое меняется.

numbers = [10, 20, 30]
numbers[1] = 50
print(numbers)

[10, 50, 30]

Слева от знака = запись numbers[1] означает не «взять значение», а «указать ячейку для записи». Подробно этот механизм разбирается в главе 3.6.

§8Перебор циклом

Главная причина складывать данные в коллекцию — возможность обработать их одним циклом, независимо от количества. Сам цикл подробно разбирается в главах 3.2–3.4; здесь достаточно увидеть, ради чего он нужен.

temperatures = [18, 21, 17, 23]

for temperature in temperatures:
    print(temperature)

18
21
17
23

Переменная цикла получает значение очередного элемента. Имя для неё берут в единственном числе — temperature при списке temperatures, — и код читается как фраза: «для каждой температуры из температур».

Если нужны не значения, а позиции, используют форму for index in range(len(items)) — ей посвящена глава 3.6.

§9Порядок и доступ

У словаря порядок добавления сохраняется, но запись dictionary[0] означает поиск ключа 0, а не первого элемента. У множества индексов нет вовсе: {1, 2, 3}[0] вызовет TypeError.

§10Изменяемость

Изменяемые коллекции можно обновлять после создания. Неизменяемые нельзя менять по частям — для другого содержимого создают новый объект.

point = (10, 20)
print(point[0])

# point[0] = 5  →  TypeError

10

Неизменяемость — не ограничение, а гарантия. Кортеж уместен там, где данные не должны меняться случайно: координаты точки, дата, пара «широта и долгота».

§11Разные типы элементов

Список может хранить значения разных типов одновременно.

data = [10, "Python", True, 3.14]
print(data)

[10, 'Python', True, 3.14]

Это допустимо, но однородный список обычно проще обрабатывать: все температуры или все имена можно передать в sum() или отсортировать, а смешанный — нет.

Исключение — записи, где позиции имеют разный смысл: ["Иванов", 17, True]. Для таких данных обычно лучше подходят словарь или кортеж.

§12Вложенные коллекции

Элементом списка может быть другая коллекция. Так представляют таблицы и составные записи.

matrix = [
    [1, 2],
    [3, 4]
]

print(len(matrix))
print(matrix[1])

2
[3, 4]

Длина внешнего списка равна 2: в нём лежат не четыре числа, а два списка. Запись matrix[1] даёт целую строку таблицы.

Чтобы добраться до конкретного числа, к результату применяют индекс ещё раз. Двойные скобки читаются слева направо:

matrix[1][0]
      │  └ ② из полученного списка [3, 4] взять элемент 0 → 3
      └ ① из matrix взять элемент 1 → [3, 4]

row = matrix[1]
print(row[0])
print(matrix[1][0])

3
3

Первый индекс выбирает строку, второй — позицию внутри неё. Такой порядок сохраняется и на большей глубине вложенности.

§13Строка как последовательность

Строка тоже упорядоченная коллекция — из символов. К ней применимы индексы, отрицательные индексы, len() и перебор циклом.

word = "Python"

print(word[0])
print(word[-1])
print(len(word))

P
n
6

Отличие одно, но важное: строка неизменяема. Запись word[0] = "J" вызовет TypeError — вместо изменения создают новую строку.

§14Как выбрать коллекцию

При сомнениях начинают со списка: он покрывает большинство учебных задач, а перейти к другому типу можно позже.

§15Частые ошибки

§16Проверьте себя

§17Шпаргалка

Итог главы

Коллекции хранят группы данных под одним именем и потому позволяют обрабатывать любое количество значений одним циклом. Список изменяем и поддерживает доступ по позиции, кортеж неизменяем, множество хранит уникальные элементы, а словарь связывает ключи со значениями. Индексы начинаются с нуля, отрицательные отсчитывают с конца, а len() даёт количество элементов.