【Python】S1 基礎篇 P5 字典模塊指南

字典的本質與底層實現
- 基礎語法結構
使用字典
- 訪問字典中的值
- 添加鍵值對
- 修改字典中的值
- 刪除鍵值對
- 使用 get() 來訪問值
遍歷字典
- 遍歷所有鍵值對
- 遍歷字典中的所有鍵
- 遍歷字典中的所有值
嵌套
- 字典列表
- 在字典中存儲列表

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字典（Dictionary）是Python中靈活且強大的內置數據結構之一。作為一個映射類型（mapping type），它以鍵值對的形式存儲數據，為復雜的真實物體場景提供了理想的建模解決方案。總結來說，字典不僅提供了高效的數據存儲方式，更是構建復雜應用架構的基礎。

字典的本質與底層實現

在 Python 中，字典是基于哈希表（Hash Table）實現的數據結構，提供 $O (1)$ 時間復雜度的查找、插入和刪除操作。字典使用鍵（key）來索引值（value），其中鍵必須是不可變類型，而值可以是任意 Python 對象。

基礎語法結構

字典用放在花括號 {} 中的一系列鍵值對表示，每個鍵值對通過冒號 : 連接，多個鍵值對之間用逗號 , 分隔。

# 基本字典結構
person = {'name': '張三','age': 28,'city': '北京','active': True
}

字典的鍵必須是不可變類型（如字符串、數字、元組），而值可以是任意 Python 對象。這種設計確保了鍵的唯一性和哈希計算的穩定性。

使用字典

Python 字典是一種關聯數組，實現了鍵到值的映射關系。作為可變數據類型，字典支持動態添加、修改和刪除操作。字典中的鍵值對是無序的，通過鍵來快速訪問對應的值，這種訪問方式比列表的索引訪問更加語義化和靈活。

鍵值對體現了現實世界中實體與屬性的關聯關系。當指定一個鍵時，Python 的哈希算法會快速定位并返回與之關聯的值。這種映射機制使得字典成為數據建模和配置管理的理想選擇。

# 復合數據類型的字典
employee = {'id': 'E001','name': '李明','skills': ['Python', 'Django'],'contact': {'email': 'li@company.com', 'phone': '138xxxx'}
}

訪問字典中的值

字典提供了直接通過鍵訪問值的機制。使用方括號語法 dict[key] 是最直接的訪問方式，但需要確保鍵的存在性，否則會拋出 KeyError 異常。

print(employee['name'])  # 輸出: 李明
print(employee['contact']['email'])  # 訪問嵌套字典

添加鍵值對

字典的動態特性允許在運行時添加新的鍵值對。新添加的鍵值對會根據哈希值存儲在適當的位置，不影響現有數據的訪問性能。

employee['department'] = '技術部'
employee['hire_date'] = '2023-01-15'

修改字典中的值

字典是可變對象，支持原地修改操作。修改操作不會改變字典的內存地址，只是更新了特定鍵對應的值。

employee['name'] = '李明華'  # 修改現有值
employee['skills'].append('FastAPI')  # 修改列表類型的值

刪除鍵值對

Python 提供了多種刪除字典鍵值對的方法，每種方法適用于不同的使用場景：

# del 語句 - 直接刪除
del employee['hire_date']# pop() 方法 - 刪除并返回值
old_name = employee.pop('name')# popitem() 方法 - 刪除并返回最后插入的鍵值對（Python 3.7+）
last_item = employee.popitem()

使用 get() 來訪問值

直接使用方括號語法訪問字典值時，如果鍵不存在會引發 KeyError 異常。get() 方法提供了安全的訪問機制，是異常處理的優雅替代方案。

get() 方法接受兩個參數：第一個參數是要查找的鍵（必需），第二個參數是鍵不存在時的默認返回值（可選，默認為 None）。這種設計模式在處理不確定數據源時特別有用。

# 安全訪問，避免 KeyError
department = employee.get('department', '未分配')
bonus = employee.get('bonus', 0)# 處理嵌套字典的安全訪問
email = employee.get('contact', {}).get('email', '未提供')

遍歷字典

字典遍歷是數據處理中的基本操作。Python 提供了多種遍歷方式，每種方式返回不同的視圖對象（view objects），這些視圖對象反映字典的實時狀態，具有內存高效的特點。

遍歷所有鍵值對

items() 方法返回字典的鍵值對視圖，是最常用的遍歷方式。它允許同時訪問鍵和值，適用于需要完整信息的處理場景。

user_scores = {'Alice': 95, 'Bob': 87, 'Charlie': 92}for name, score in user_scores.items():grade = 'A' if score >= 90 else 'B' if score >= 80 else 'C'print(f"{name}: {score} ({grade})")

遍歷字典中的所有鍵

當只需要處理字典的鍵時，keys() 方法是最佳選擇。它返回鍵的視圖對象，常用于條件檢查、鍵的變換或過濾操作。

config = {'debug': True, 'port': 8000, 'host': 'localhost'}# 檢查配置項
required_keys = ['host', 'port']
for key in config.keys():if key in required_keys:print(f"必需配置 {key}: {config[key]}")

按特定順序遍歷字典中的所有鍵

雖然現代 Python 保持插入順序，但有時需要按特定邏輯排序。sorted() 函數結合 keys() 方法可以實現各種排序需求。

sales = {'Q1': 45000, 'Q3': 52000, 'Q2': 38000, 'Q4': 61000}# 按鍵名排序
for quarter in sorted(sales.keys()):print(f"{quarter}: {sales[quarter]}")# 按值排序鍵
for quarter in sorted(sales.keys(), key=lambda x: sales[x], reverse=True):print(f"{quarter}: {sales[quarter]}")

遍歷字典中的所有值

values() 方法返回值的視圖對象，適用于值的統計分析、聚合計算等操作。由于不包含鍵信息，主要用于數值計算和數據分析場景。

需要注意的是，直接提取值可能包含重復項。在需要唯一值的場景下，應結合集合（set）進行去重處理，這是數據處理中的常見模式。

departments = {'Alice': '技術部','Bob': '銷售部', 'Charlie': '技術部','David': '市場部'
}# 統計部門分布
all_depts = list(departments.values())
unique_depts = set(departments.values())print(f"總人數: {len(all_depts)}")
print(f"部門數: {len(unique_depts)}")
print(f"各部門: {', '.join(unique_depts)}")

嵌套

在復雜的應用場景中，單層字典往往無法滿足數據建模需求。嵌套結構通過將字典作為值存儲在其他字典中，或將字典存儲在列表中，構建了多維數據模型。這種層次化的數據組織方式更貼近現實世界的復雜關系，是企業級應用中數據架構設計的基礎。

嵌套不僅提供了數據的邏輯分組，還支持更精細的數據訪問控制和處理策略。正如現實世界中，復雜問題往往涉及多個相互關聯的維度，嵌套字典為這種多維關系提供了自然的表達方式。

字典列表

字典列表是將多個結構相似的字典組織成列表的數據模式，適用于表示同類實體的集合，如用戶列表、產品目錄、訂單記錄等。這種結構結合了列表的有序性和字典的語義化訪問特點。

employees = [{'id': 'E001', 'name': '張三', 'dept': '技術部', 'salary': 8000},{'id': 'E002', 'name': '李四', 'dept': '銷售部', 'salary': 7000},{'id': 'E003', 'name': '王五', 'dept': '技術部', 'salary': 9000}
]# 部門薪資統計
tech_employees = [emp for emp in employees if emp['dept'] == '技術部']
avg_tech_salary = sum(emp['salary'] for emp in tech_employees) / len(tech_employees)
print(f"技術部平均薪資: {avg_tech_salary}")

字典列表支持復雜的查詢和聚合操作，是數據分析和報表生成的重要數據結構。通過列表推導式和內置函數的組合，可以實現高效的數據處理管道。

在字典中存儲列表

當需要將一個鍵關聯到多個值時，在字典中嵌套列表是最直接的解決方案。這種模式廣泛應用于分組、分類和一對多關系的建模中。

project_teams = {'電商平臺': {'manager': '張經理','developers': ['李開發', '王前端', '趙后端'],'technologies': ['Python', 'React', 'PostgreSQL'],'milestones': ['需求分析', '系統設計', '開發實現', '測試上線']},'APP開發': {'manager': '劉經理', 'developers': ['孫移動', '周UI'],'technologies': ['React Native', 'Node.js'],'milestones': ['原型設計', '開發實現', '測試發布']}
}# 技術棧統計
all_technologies = set()
for project in project_teams.values():all_technologies.update(project['technologies'])print(f"公司技術棧: {sorted(all_technologies)}")# 人員分配分析  
total_developers = sum(len(project['developers']) for project in project_teams.values())
print(f"總開發人員: {total_developers}人")