從零開始學Python之數據結構（字符串以及數字）

一、字符串

1.1 怎么定義字符串

字符串是Python最常用的數據結構之一。在 Python 里是用于處理文本數據的，比如存儲姓名、文章內容等文本信息。

定義方式：
- 單引號：用單引號?' '?包裹文本，如?name = 'Alice'?，單引號內可正常包含除單引號之外的字符，若要包含單引號，需進行轉義，像?sentence = 'He said, \'Hello!\''?。
- 雙引號：用雙引號?" "?包裹文本，例如?message = "Hello, world!"?，在需要包含單引號時較為方便，如?quote = "He said, 'Hello!'"?。
- 三重單引號：分為三重單引號?''' '''?和三重雙引號?""" """?。常用于定義多行字符串。

使用的時候兩種方式：

一種雙引號里有雙引號，那么里面的雙引號就用\進行轉譯。
另一種直接最外面使用單引號，里面也可以直接使用雙引號。見下圖。

1.2 如何使用字符串中的變量

使用場景：當我們需要在字符串中插入變量的值時，可采用 f - strings 這種方式。比如有變量存儲姓名、年齡等信息，想把這些信息整合到一個描述性字符串中，就會用到。
語法格式：f - strings 以?f?開頭，后面跟著用大括號?{}?包裹的變量名，即?f"{變量名}"?。示例如下：

name = "Alice"
age = 25
message = f"My name is {name} and I'm {age} years old."
print(message)
# 輸出：My name is Alice and I'm 25 years old.

1.3 字符串的基本操作

in?：表達式?x in s?，其中?x?是要查找的元素，s?是目標字符串。如果?x?是?s?的子字符串或字符，返回?True?，否則返回?False?。例如：

s = "hello world"
print('ll' in s)  # 輸出 True
print('abc' in s)  # 輸出 False

not in?：表達式?x not in s?，功能與?in?相反，當?x?不是?s?的子字符串或字符時，返回?True?，否則返回?False?。例如：

s = "hello world"
print('abc' not in s)  # 輸出 True
print('ll' not in s)  # 輸出 False

+?運算符：用于連接兩個字符串。將?s?和?t?兩個字符串首尾相連，生成一個新的字符串。例如：

s = "Hello"
t = "World"
result = s + t
print(result)  # 輸出 HelloWorld

*?運算符：用于字符串重復。s * t?表示將字符串?s?重復?t?次，t?必須是整數。例如：

s = "Hi"
t = 3
result = s * t
print(result)  # 輸出 HiHiHi

s[i]：用于獲取字符串?s?中索引為?i?的單個字符。在 Python 中，字符串索引從?0?開始。例如：

s = "hello"
print(s[1:3])  # 輸出 'el'
# 如果索引為負數，則從字符串末尾開始計數，-1 表示最后一個字符 ，如 print(s[-1]) 會輸出 'o' 。

s[i:j]：獲取字符串?s?的子串，范圍是從索引?i?（包含）到索引?j?（不包含）。例如：

s = "hello"
print(s[1:3])  # 輸出 'el'
# 如果 i 省略，默認從字符串開頭（索引 0 ）開始；如果 j 省略，默認到字符串末尾 。比如 s[:3] 等價于 s[0:3] ，s[1:] 等價于 s[1:len(s)] 。

s[i:j:k]：在?s[i:j]?的基礎上，增加了步長?k?，表示每隔?k - 1?個字符取一個字符。例如：

s = "hello"
print(s[::2])  # 輸出 'hlo' ，從開頭到結尾，每隔1個字符取一個
# k 為負數時，表示反向切片。比如 s[::-1] 可以將字符串 s 反轉 ，對于 s = "hello" ，s[::-1] 輸出為 'olleh' 。

1.4 字符串的常用方法

4.1?str.count(sub[, start[, end]])

功能：統計子字符串?sub?在指定字符串?str?中，位于?start（起始索引，包含）到?end（結束索引，不包含）范圍內非重疊出現的次數。start?和?end?為可選參數，若省略，默認在整個字符串中統計。
示例：

s = "hello world hello"
print(s.count('hello'))  # 輸出 2
print(s.count('l', 0, 5))  # 在索引0到4范圍內統計'l'出現次數，輸出 2

4.2?str.isalnum()

功能：判斷字符串?str?中的所有字符是否都是字母或數字，且字符串至少有一個字符。滿足條件返回?True?，否則返回?False?。
示例：

s1 = "abc123"
s2 = "abc!123"
s3 = ""
print(s1.isalnum())  # 輸出 True
print(s2.isalnum())  # 輸出 False ，因包含'!'非字母數字字符
print(s3.isalnum())  # 輸出 False ，字符串為空

4.3?str.isalpha()

功能：判斷字符串?str?中的所有字符是否都是字母，且字符串至少有一個字符。滿足條件返回?True?，否則返回?False?。
示例：

s1 = "abc"
s2 = "abc123"
s3 = ""
print(s1.isalpha())  # 輸出 True
print(s2.isalpha())  # 輸出 False ，因包含數字
print(s3.isalpha())  # 輸出 False ，字符串為空

4.4?str.join(iterable)

功能：以?str?作為分隔符，將可迭代對象?iterable（如列表、元組等，其中元素需為字符串）中的字符串拼接起來，返回拼接后的新字符串。
示例：

s = "-"
lst = ["apple", "banana", "cherry"]
result = s.join(lst)
print(result)  # 輸出 apple-banana-cherry

4.5?str.split(sep=None, maxsplit=-1)

功能：根據分隔符?sep?對字符串?str?進行分割。若?sep?為?None，則按空白字符（空格、換行符等）分割；maxsplit?限制最多分割次數，-1?表示無限制。返回分割后的字符串列表。
示例：

s = "hello world python"
print(s.split())  # 輸出 ['hello', 'world', 'python']
print(s.split('l', 1))  # 按'l'分割，最多分割1次，輸出 ['he', 'lo world python']

4.6 str.startswith(prefix[, start[, end]])

功能：檢查字符串?str?從索引?start（包含）到索引?end（不包含）的部分是否以指定的?prefix?開頭，滿足則返回?True，否則返回?False。start?和?end?為可選參數，省略時檢查整個字符串。
示例：

s = "hello world"
print(s.startswith('he'))  # 輸出 True
print(s.startswith('wo', 6))  # 從索引6開始檢查是否以'wo'開頭，輸出 True

二、數字類型

2.1 數字類型介紹

用途：Python 的數字類型在數學計算（如加減乘除、冪運算等）和統計（如求均值、方差等）場景中廣泛應用。

種類：

- 整數：表示沒有小數部分的數，像?1、-5?等。Python 中的整數沒有大小限制，可表示非常大或非常小的整數。
- 浮點數：用于表示帶有小數部分的數，如?3.14、-2.5?。在計算機中，浮點數采用二進制表示，可能存在精度問題，例如?0.1 + 0.2?并不精確等于?0.3?。
- 復數：形式為?a + bj?，其中?a?是實部，b?是虛部，j?表示虛數單位（在 Python 中用?j?表示），例如?3 + 4j?。復數常用于科學計算、信號處理等領域。

創建方式：可以通過直接寫數字字面值（如?5、3.14?）創建數字，也能通過內置函數（如?int()、float()?等）和運算符（如?+、*?等）的運算結果來創建。比如?a = int('5')?，b = 2 + 3?。

2.2 數字類型函數介紹

關于 Python 中數字類型常見運算如下：

算術運算：

加法（x + y）：計算?x?和?y?兩個數字的總和。例如?3 + 5?結果為?8?，可以用于整數、浮點數運算，也支持不同數字類型混合運算，如?3 + 2.5?結果為?5.5?。
減法（x - y）：求?x?與?y?的差值。比如?7 - 4?結果是?3?。
乘法（x * y）：計算?x?和?y?的乘積。像?4 * 6?等于?24?。
除法（x / y）：返回?x?除以?y?的商，結果是浮點數。例如?9 / 2?結果為?4.5?。
整除（x // y）：得到?x?除以?y?的商的整數部分，舍去小數部分。如?9 // 2?結果是?4?。
取余（x % y）：求出?x?除以?y?的余數。例如?9 % 2?結果為?1?。

符號運算：

取反（-x）：改變數字?x?的符號，正數變為負數，負數變為正數。比如?x = 5?，-x?就是?-5?；x = -3?，-x?則是?3?。
保持不變（+x）：對數字?x?不做任何改變，x?是多少，+x?就是多少。例如?x = 7?，+x?依然是?7?。

數值處理運算：

abs(x)：返回數字?x?的絕對值，若?x?是整數或浮點數，就是其到原點的距離；若?x?是復數，則返回復數的模。例如?abs(-5)?結果為?5?，abs(3 + 4j)?結果為?5.0?。
int(x)：將?x?轉換為整數。若?x?是浮點數，會向下取整，如?int(3.8)?結果是?3?；若?x?是字符串，只要字符串內容是合法整數形式（如?'5'?），就能轉換為對應整數。
float(x)：把?x?轉換為浮點數。若?x?是整數，會在末尾添加?.0?，如?float(5)?結果是?5.0?；若?x?是字符串，只要字符串內容是合法數字形式（如?'3.14'?），就能轉換為浮點數。
complex(re, im)：創建一個復數，實部為?re?，虛部為?im?，im?默認為?0?。比如?complex(3)?得到?3+0j?，complex(3, 4)?得到?3 + 4j?。
c.conjugate()：對于復數?c?，返回其共軛復數，即實部不變，虛部取反。例如復數?c = 3 + 4j?，c.conjugate()?結果是?3 - 4j?。

2.3 數字類型轉換

Python 是?強類型編程語言，意味著變量的類型一旦確定，就不會自動進行類型轉換（除非是顯式操作），不同類型的數據在進行運算時，不會像弱類型語言那樣自動隱式轉換，以保證數據類型的安全性和嚴謹性。

（1）類型查看

使用?type()?函數可以獲取對象的類型。例如：

a = 5
print(type(a))  # 輸出 <class 'int'>
b = 3.14
print(type(b))  # 輸出 <class 'float'>

（2）類型轉換

int()：用于將符合條件的值轉換為整數。可以將浮點數轉換為整數（向下取整，如?int(3.8)?結果為?3?）；也能將表示整數的字符串（如?'5'?）轉換為整數，但字符串內容必須是合法整數形式，否則會報錯。
float()：可把整數或表示數字的字符串轉換為浮點數。整數轉換時會在末尾添加?.0?，如?float(5)?結果是?5.0?；只要字符串內容是合法數字形式（如?'3.14'?）就能轉換為浮點數。

2.4 數字與字符串轉換

（1）數字轉字符串

使用?str()?函數可以將數字轉換為字符串。無論是整數、浮點數還是復數，都能通過該函數轉換。例如：

num_int = 5
num_float = 3.14
num_complex = 2 + 3j
print(str(num_int))  # 輸出 '5'
print(str(num_float))  # 輸出 '3.14'
print(str(num_complex))  # 輸出 '(2+3j)'

（2）字符串轉整數

int()?函數用于將字符串轉換為整數，但要求字符串的內容必須是合法的整數表示形式，比如?'123'?。如果字符串中包含非數字字符（除了正負號），轉換時就會報錯。示例如下：

s1 = '10'
s2 = 'abc'
print(int(s1))  # 輸出 10
# print(int(s2))  # 會報錯，因為 'abc' 不是合法整數形式

注意：int()只能將只含整數的字符串轉換，否則報錯。

三、補充

Python、Java 都屬于強類型編程語言。在這類語言中，每個變量都有明確且固定的數據類型，一旦定義好就不能隨意改變。

3.1 類型穩定性

數據類型不會因為運算等操作而自動改變。例如在 Python 中，整數?5?與浮點數?3.14?相加，5?不會自動轉換為浮點數再運算，而是系統會根據規則將整數隱式轉換為浮點數后進行運算，但這不是變量類型中途改變，而是遵循語言的運算規則。又如在 Java 中，定義?int a = 5;?，a?的類型始終是?int?，不會因為參與運算就變成其他類型。

3.2 類型轉換方式

若要改變數據類型，必須通過顯式的類型轉換操作。在 Python 中，使用?int()、float()、str()?等函數進行轉換；在 Java 中，使用強制類型轉換（如?(int)3.14?把?3.14?強制轉換為整數）或者自動裝箱拆箱機制（針對基本數據類型和包裝類之間）等方式。顯式轉換能讓開發者清楚知道類型變化，增強代碼的可讀性和穩定性。