【Python】字典

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正文

1. 字典概述

在 Python 里，字典（Dictionary）是一种极为重要且强大的数据结构，它属于可变容器模型，可存储任意数量的 Python
对象。字典以键 - 值对（key - value
pairs）的形式组织数据，每个键必须是唯一的，而值可以是任意类型的数据，包括数字、字符串、列表、元组，甚至是其他字典。这种数据结构在处理具有映射关系的数据时表现出色，能够高效地通过键来快速查找对应的值。

字典的独特价值
字典的独特之处在于其基于哈希表（Hash Table）实现，这使得通过键来查找值的操作速度极快，平均时间复杂度为 $O(1)$。这一特性让字典在处理大规模数据的查找、统计和存储时具有显著优势，广泛应用于各种实际场景，如数据缓存、配置管理、数据库查询结果处理等。

2. 字典的创建与初始化

2.1 直接使用花括号创建

# 创建一个空字典
empty_dict = {}
print(empty_dict)

# 创建包含键值对的字典
student = {
    "name": "Alice",
    "age": 20,
    "major": "Computer Science"
}
print(student)

上述代码展示了两种使用花括号创建字典的方式。首先创建了一个空字典 empty_dict，然后创建了一个名为 student 的字典，其中包含了学生的姓名、年龄和专业等信息。

2.2 使用 dict() 构造函数创建

# 通过传入键值对参数创建字典
teacher = dict(name="Bob", age=35, subject="Math")
print(teacher)

# 通过可迭代对象创建字典，可迭代对象中的每个元素应为包含两个元素的可迭代对象（如元组）
pairs = [("city", "New York"), ("country", "USA")]
address = dict(pairs)
print(address)

这里展示了使用 dict() 构造函数创建字典的两种常见方式。第一种是直接传入键值对参数，第二种是传入一个可迭代对象，该可迭代对象中的每个元素都是一个包含两个元素的可迭代对象，分别作为键和值。

2.3 字典推导式创建

# 从已有的数据中通过字典推导式创建字典
numbers = [1, 2, 3, 4]
squares = {x: x**2 for x in numbers}
print(squares)

字典推导式提供了一种简洁的方式来创建字典。上述代码通过对列表 numbers 中的每个元素进行平方运算，创建了一个键为原元素、值为其平方的字典 squares。

3. 字典的基本操作

3.1 访问字典中的值

student = {
    "name": "Alice",
    "age": 20,
    "major": "Computer Science"
}

# 使用键来访问对应的值
name = student["name"]
print(name)

# 使用 get() 方法访问值，当键不存在时可指定默认值
grade = student.get("grade", "N/A")
print(grade)

可以使用方括号 [] 直接通过键来访问字典中的值，但如果键不存在会引发 KeyError 异常。而 get() 方法则更为安全，当键不存在时，它会返回指定的默认值（若未指定则返回 None）。

3.2 修改和添加键值对

student = {
    "name": "Alice",
    "age": 20,
    "major": "Computer Science"
}

# 修改已有键的值
student["age"] = 21
print(student)

# 添加新的键值对
student["grade"] = "A"
print(student)

直接使用方括号 [] 并结合赋值语句，既可以修改已有键对应的值，也可以添加新的键值对。如果键已经存在，赋值操作会更新该键对应的值；如果键不存在，则会创建一个新的键值对。

3.3 删除键值对

student = {
    "name": "Alice",
    "age": 20,
    "major": "Computer Science"
}

# 使用 del 语句删除指定键的键值对
del student["major"]
print(student)

# 使用 pop() 方法删除指定键的键值对，并返回该键对应的值
age = student.pop("age")
print(age)
print(student)

# 使用 popitem() 方法随机删除并返回一个键值对（在 Python 3.7 及以后版本中，按插入顺序删除最后一个）
item = student.popitem()
print(item)
print(student)

del 语句可以直接删除指定键的键值对。pop() 方法不仅能删除指定键的键值对，还会返回该键对应的值。popitem() 方法则用于随机删除并返回一个键值对（在 Python 3.7 及以后版本中，按插入顺序删除最后一个）。

4. 字典的遍历

4.1 遍历键

student = {
    "name": "Alice",
    "age": 20,
    "major": "Computer Science"
}

# 使用 keys() 方法遍历键
for key in student.keys():
    print(key)

# 直接遍历字典时，默认遍历键
for key in student:
    print(key)

keys() 方法会返回一个包含字典所有键的视图对象，可用于遍历键。实际上，直接对字典进行遍历操作时，默认就是遍历其键。

4.2 遍历值

student = {
    "name": "Alice",
    "age": 20,
    "major": "Computer Science"
}

# 使用 values() 方法遍历值
for value in student.values():
    print(value)

values() 方法会返回一个包含字典所有值的视图对象，通过该对象可以遍历字典中的所有值。

4.3 遍历键值对

student = {
    "name": "Alice",
    "age": 20,
    "major": "Computer Science"
}

# 使用 items() 方法遍历键值对
for key, value in student.items():
    print(f"Key: {key}, Value: {value}")

items() 方法会返回一个包含所有键值对的视图对象，每个键值对以元组的形式呈现。通过解包元组，可以方便地同时遍历键和值。

5. 字典的常用方法

5.1 update() 方法

dict1 = {"a": 1, "b": 2}
dict2 = {"b": 3, "c": 4}

# 使用 update() 方法将 dict2 中的键值对更新到 dict1 中
dict1.update(dict2)
print(dict1)

update() 方法用于将另一个字典中的键值对更新到当前字典中。如果有相同的键，会用新字典中的值覆盖原字典中的值；如果是新的键，则会添加到原字典中。

5.2 setdefault() 方法

student = {
    "name": "Alice",
    "age": 20
}

# 使用 setdefault() 方法获取键对应的值，如果键不存在则设置默认值并返回
major = student.setdefault("major", "Undecided")
print(major)
print(student)

setdefault() 方法用于获取指定键对应的值。如果键存在，直接返回该值；如果键不存在，则会将该键和指定的默认值添加到字典中，并返回默认值。

5.3 clear() 方法

student = {
    "name": "Alice",
    "age": 20,
    "major": "Computer Science"
}

# 使用 clear() 方法清空字典
student.clear()
print(student)

clear() 方法用于清空字典中的所有键值对，使字典变为空字典。

6. 字典的嵌套

6.1 字典嵌套字典

# 一个班级的学生信息，每个学生信息以字典形式存储在班级字典中
classroom = {
    "student1": {
        "name": "Alice",
        "age": 20,
        "major": "Computer Science"
    },
    "student2": {
        "name": "Bob",
        "age": 21,
        "major": "Mathematics"
    }
}

# 访问嵌套字典中的值
print(classroom["student1"]["name"])

字典可以嵌套其他字典，形成复杂的数据结构。通过多级键的访问，可以获取嵌套字典中的具体值。

6.2 字典嵌套列表

# 一个学生的课程成绩信息，课程成绩以列表形式存储在学生字典中
student = {
    "name": "Alice",
    "grades": [85, 90, 78]
}

# 访问嵌套列表中的值
print(student["grades"][1])

字典也可以嵌套列表，这种结构适合存储一个键对应多个值的情况。通过键和列表索引的组合，可以访问嵌套列表中的具体元素。

7. 字典的应用场景

7.1 数据缓存

# 模拟一个简单的数据缓存
cache = {}

def get_data(key):
    if key in cache:
        return cache[key]
    # 模拟从数据库或其他数据源获取数据
    data = f"Data for {key}"
    cache[key] = data
    return data

# 第一次获取数据
result1 = get_data("item1")
print(result1)

# 第二次获取相同数据，直接从缓存中获取
result2 = get_data("item1")
print(result2)

字典可用于实现简单的数据缓存机制。当需要频繁获取相同的数据时，先检查字典中是否已存在该数据，如果存在则直接返回，避免重复的计算或数据查询操作，提高程序的性能。

7.2 统计字符频率

text = "hello world"
char_frequency = {}

for char in text:
    if char in char_frequency:
        char_frequency[char] += 1
    else:
        char_frequency[char] = 1

print(char_frequency)

字典可以方便地用于统计文本中字符的出现频率。通过遍历文本中的每个字符，将字符作为键，出现次数作为值，不断更新字典中的统计信息。

7.3 配置管理

# 模拟一个应用程序的配置信息
config = {
    "database": {
        "host": "localhost",
        "port": 3306,
        "username": "root",
        "password": "password"
    },
    "app": {
        "debug": True,
        "timeout": 10
    }
}

# 访问配置信息
db_host = config["database"]["host"]
print(db_host)

在实际开发中，字典常用于存储和管理应用程序的配置信息。通过将配置信息组织成字典形式，可以方便地进行读取和修改操作。

8. 字典的性能考虑

8.1 查找性能

字典基于哈希表实现，在大多数情况下，查找操作的平均时间复杂度为 $O(1)$，这使得字典在处理大规模数据的查找时非常高效。但在极端情况下，如哈希冲突严重时，查找性能可能会下降。

8.2 内存占用

字典需要额外的内存来维护哈希表结构，因此在存储大量数据时，内存占用相对较高。同时，随着键值对的插入和删除，字典可能会进行动态扩容和缩容操作，这也会对内存使用产生影响。

8.3 排序问题

字典本身是无序的（在 Python 3.7 及以后版本中，字典会保持插入顺序）。如果需要对字典进行排序，通常需要将字典的键或值提取出来，转换为列表后再进行排序操作。

student = {
    "name": "Alice",
    "age": 20,
    "major": "Computer Science"
}

# 按键排序
sorted_keys = sorted(student.keys())
for key in sorted_keys:
    print(f"Key: {key}, Value: {student[key]}")

# 按值排序
sorted_items = sorted(student.items(), key=lambda item: item[1])
for key, value in sorted_items:
    print(f"Key: {key}, Value: {value}")

以上代码展示了如何对字典的键和键值对进行排序操作。对于键的排序，使用 sorted() 函数对 keys() 方法返回的视图对象进行排序；对于键值对的排序，使用 sorted() 函数并通过 key 参数指定排序的依据。

通过深入理解字典的创建、操作、方法、嵌套、应用场景以及性能特点，开发者可以在 Python 编程中更加灵活、高效地使用字典，解决各种实际问题。

结语
感谢您的阅读！期待您的一键三连！欢迎指正！