Python语法速查

介绍

Python 是一门独特的语言,快速浏览一下他的要点:

  • 面向对象:每一个变量都是一个类,有其自己的属性(attribute)与方法(method)。
  • 语法块:用缩进(四个空格)而不是分号、花括号等符号来标记。因此,行首的空格不能随意书写。
  • 注释:行内用“#”号,行间注释写在两组连续三单引号之间:’’’
  • 续行:行尾输入一个反斜杠加一个空格(’\ ‘),再换行。如果行尾语法明显未完成(比如以逗号结尾),可以直接续行。
  • 打印与输入: 函数 print() 与 input(),注意 print() 的 sep 与 end 参数。
  • 变量:无需指定变量类型,也不需要提前声明变量。
    • 删除变量:del()
    • 复制变量:直接将变量a赋值给b,有时仅仅复制了一个“引用”。此后 b 与 a 的改动仍会互相影响。必要时使用 a is b 来判断是否同址。
  • 模块:通过 import pandas 的方式加载模块(或者 import pandas as pd),并用形如 pandas.DataFrame(或 pd.DataFrame)的方式调用模块内的方法。也可以使用 from pandas import DataFrame 的方式,这样在下文可以直接使用 DataFrame 作为调用名。
  • 帮助:配合使用 dir() 与 help() 命令;其中前者是输出变量所有的成员。以及查阅 官网页面。

变量复制的一个例子。

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a = [1, 2]
b = a
print(id(a) - id(b))  # 地址差为 0,表示实质是同址的
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b.append(3)
print(a)  # 只改动了 b,但 a 也跟着变动了
[1, 2, 3]
a is b
True

使用切片来重新分配空间:

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a is a[:]
False

数据结构

Python 原生的数据结构包括:

数字(num)

细分为整数(int)与浮点数(float)两种。

  • 四则运算:+, -, *, / ,乘方: **
  • 整除: 5 // 2 = 2,取余:5 % 2 = 1
  • 自运算: a += 1 (四则与乘方均可类似自运算)
    以及一些细节:
  • 运算两数中只要有一个浮点数,结果就是浮点数;
  • 整数相除,即使能除尽,结果也是浮点数;
  • Python 内部的机制解决了整数溢出的问题,不用担心。

布尔(bool)与逻辑

首字母大写 True / False.

  • 逻辑运算符:与 A and B,或 A or B,非 not A
  • 逻辑关系符:等于 ==, 不等于 !=. 其他不赘述。
  • 几种逻辑判断例子:
变量 xx = []x = 0x = 2
bool(x)FalseFalseTrue
if x: …FalseFalseTrue
if x is None: …FalseFalseFalse

序列(sequence)

序列主要包括字符串(str)、列表(list)与元祖(tuple)三类。

  • 序列索引规则:
    • 索引从0开始,到 N-1 结束。
    • 切片:切片的索引是左闭右开的。
      • seq[0:2](从 0 到 1)
      • seq[2:](从 2 到尾)
      • seq[:3] (从头到 2)
      • seq[:](全部)
      • seq[:10:2](从头到9,每两个取一个)
      • seq[::2](全部,每两个取一个)
    • 索引允许负数:seq(-1) 与 seq(N – 1) 等同,seq(-3:-1)与 seq(N-3:N-1) 等同。
  • 序列通用函数:
    • len():返回序列长度。
    • +/* :加号用于连接两个序列,乘号重复排列若干次再连接。
    • seq1 in seq2:如果 seq1 这个片段可以在 seq2 中被找到,返回 True.
    • index:在 seq1 in seq2 为 True 时使用,seq2.index(seq1) 表示 seq1 首次出现于 seq2 中的位置。
    • max()/min():返回序列中的最值。如果不是数字,则按 ASCII 码顺序返回。
    • cmp(seq1, seq2):比较大小。结果为负,则表示 seq1 较小。

字符串(str)

写于一对双引号或单引号内。用 str() 可以强制转换为字符串。

  • 转义:反斜杠。如果强制不解释字符串,在左引号前加字母 r 即可: r"c:\new".
  • 分割与连接:**.split() 与 **.join().
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    s = " I love Python"  # 首位是空格
    lst = s.split(' ')
    lst1 = '-'.join(lst)
    
    print(lst, '\n', lst1)
    ['', 'I', 'love', 'Python'] 
     -I-love-Python
  • 紧切:strip() 去掉字符串首尾两端的空格。方法 lstrip()/rstrip() 则只切除首端/尾端的空格。
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    s.strip()
    'I love Python'
  • 大小写转换:如下几个方法:
    • 首字母大写:s.title()
    • 全大写:s.upper()
    • 全小写:s.lower()
    • 句首大写:s.capitalize()
  • 格式化:字符串格式化是一种实用功能。通过 .format() 成员函数完成。
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    'I like {} and {}'.format('Python', 'you')
    'I like Python and you'
    '{0} + {2} = {1}'.format (10, 20, 'Python ')  # 按顺序引用
    '10 + Python  = 20'
    '{0} * {1} = {0}'.format (10, 'Python ')  # 编号反复引用
    '10 * Python  = 10'

格式化控制码:

控制码含义控制码含义
:s字符串:c单个字符
:b/o/x/d二、八、十六、十进制数:e/f科学计数法/浮点数

一些复杂控制的例子:

例子含义例子含义
:.2f/:+.2f两位小数/带符号两位小数: .2f正数前补空格的两位小数
:,逗号分隔符:.2%百分比两位小数
:.2e科学计数法两位小数:^4d总宽四位居中对齐
:>4d/<4d总宽四位左/右对齐:0>4d总宽四位左侧补零

举例:

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"{:0>7.2f} is an odd number".format(123.4)  # 总宽 7 位小数点后 2 位,左侧补零
'0123.40 is an odd number'

其他实用的字符串函数:

  • str.replace(old, new[, times]):将字符串中前 times 个 old 子串替换为 new。Times 不指定时默认替换全部。
  • str.isdigit():判断字符串是否每一位都是数字,返回 True 或者 False。
    字符串中正则表达式的内容参见本文附录。

列表(list)

中括号式的结构。list() 用于强制转换类型。

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lst = [1, 2, 3]
print(lst)
[1, 2, 3]
# 【反转】:其中第二种方式会更改现有的列表
lst1 = list(reversed(lst))
lst.reverse()
print(lst1, lst)
[3, 2, 1] [3, 2, 1]
# 【追加】:元素 append(),另一个列表:extend()
lst.append(4)
print(lst)
[3, 2, 1, 4]
lst.extend(lst1)
print(lst)
[3, 2, 1, 4, 3, 2, 1]
# 【插入】:lst.insert(idx, obj) 会在 lst[idx] 处插入 obj,然后依次后移原有项
lst.insert(1, 100)
print(lst)
[3, 100, 2, 1, 4, 3, 2, 1]
# 【删除】:lst.remove(obj) 会删除首个匹配值,若无匹配会报错;
#           lst.pop(idx) 会返回 lst[idx],并将其删除。如果不指定 idx,默认为列表尾
lst.remove(2)
print(lst)
[3, 100, 1, 4, 3, 2, 1]
tmp = lst.pop()
print(lst, "\n", tmp)
[3, 100, 1, 4, 3, 2] 
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# 【搜索】:使用序列通用函数即可。用 count(obj) 可以计算频数。
# 【排序】:sort() 方法。如果指定 reverse 参数,可降序排序。
lst.sort(reverse=True)
print(lst)
[100, 4, 3, 3, 2, 1]
# 【清空】:clear()
lst.clear()
print(lst)
[]

元组(tuple)

圆括号式的结构,是一种不可变序列。

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a = (1, 'string ', [1 ,2])
print(a)
(1, 'string ', [1, 2])

Note: 定义一个空的元组用(),定义只有一个元组的元组,需要加,,否则就不是元组了,如下:

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>>> tuple1 = ()
>>> type(tuple1)
<type 'tuple'>
>>> tuple2 = (1)
>>> type(tuple2)
<type 'int'>
>>> tuple3 = (1,)
>>> type(tuple3)
<type 'tuple'>

字典(dict)

字典是一种类哈希表的数据结构,内部无序,通过键值对(key: value)的形式存储数据。几种字典初始化的方式:

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# 小字典直接赋值
d1 = {"name": "wklchris", "gender": "male"}
# 利用字典增加键值对的方法
d2 = {}
d2['name'] = 'wklchris'
# 一个值赋给多个键
d3 = {}.fromkeys(("name", "gender"), "NA")
# 强制格式转换
d4 = dict(name="wklchris", gender="male")

print(d1, d2, d3, d4, sep="\n")
{'name': 'wklchris', 'gender': 'male'}
{'name': 'wklchris'}
{'name': 'NA', 'gender': 'NA'}
{'name': 'wklchris', 'gender': 'male'}

字典的操作方法:

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len(d1)
2
# 【复制】:
dd = d1.copy()
dd is d1
False
# 【查找键名称】:
"name" in dd
True
# 【删除键值对】
del(dd["name"])
# 【get】
dd.get("name", "Nothing")  # 如果键不存在,返回“Nothing”
'Nothing'
# 【setdefault】
dd.setdefault("name", "wklchris")  # 如果键不存在,就新建该键,并赋值
'wklchris'
print(dd)
{'name': 'wklchris', 'gender': 'male'}
# 【输出键值】:
list(dd.items())
[('name', 'wklchris'), ('gender', 'male')]
list(dd.keys())
['name', 'gender']
list(dd.values())
['wklchris', 'male']
# 【弹出键值对】:pop(key) / popitem(key)
# 其中,后者会随机弹出一个键值对
tmp = dd.pop("gender")
print(dd, tmp)
{'name': 'wklchris'} male
# 【更新】:update(ref_dict) 以 ref_dict 为准,更新当前字典
d4 = {"name": "Test", "Age": 3}
dd.update(d4)
print(dd)
{'name': 'Test', 'Age': 3}

集合(set)

本文只讨论可变集合,关于不可变集合的内容,参考 help(frozenset)。

集合是一种无序的数据存储方式,且内部元素具有唯一性。集合与字典一样都可以用花括号的形式创立。但在书写 a={} 时,Python 会将其识别为字典类型。

  • 增添:add() / update()
  • 删除:remove() / discard(),区别在于后者搜索无结果会报错。
  • 从属:a.issubset(b) 集合 a 是否是 b 的子集;a.issuperset(b) 集合 a 是否是 b 的父集。a == b 两集合是否全等。
  • 集合运算:集合运算不会改变参与运算的集合本身。
    • 并集: a | b 或者 a.union(b)
    • 交集: a & b 或者 a.intersection(b)
    • 补集: a – b 或者 a.difference(b)
      注意:在字符串强制转换为集合时,必要时使用中括号先转为列表(否则字符串会被拆分为单个字符后再进行转换)。例如:

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      ss = {"a", "b", "c"}
      ss | set("de")
      {'a', 'b', 'c', 'd', 'e'}
      ss | set(["de"])
      {'a', 'b', 'c', 'de'}

基本语句

同大多数程序语言一样,Python 拥有 if, for, while语句。什么?switch 语句?使用字典就好。

if 语句与三元操作

在 Python 中,else if 被缩写为单个关键词 elif.

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if 1.0 > 1:
    a = 1
elif 1.0 < 1:
    a = 2
else:
    a = 3
    
a
3

值得一提的是,Python 中的 if 语句支持链式比较,形如 a < x < b, a < x >= b 等:

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a = 0
if 1 < 2 > 1.5:
    a = 1
a
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三元操作实质是高度简化的 if 环境,形如 X = a if flag else b

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a = 1 if 2 < 1 else 2
a
2

for 语句

Python 的循环语句中,像其他语言一样,有 break(跳出循环体) 与 continue(循环步进) 关键词可以使用。

for 语句借助关键词 in 使用:(函数 range(N, M=0, s=1) 是一个生成等差数列的函数,位于左闭右开区间[M,N)上且公差为 s)。

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for i in range(3):
    print(i)
0
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注意到字典的 d.items(), d.keys(), d.values() 命令也常常用于 for 语句:

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d = {"a": 1, "b": 2, "c": 3}
for k, v in d.items():
    print(k, v)
b 2
c 3
a 1

以上等价于:

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for k in d.keys():
    print(k, d[k])
b 2
c 3
a 1

Python 中的 for 语句可选 else 语法块,表示 for 语句正常结束后执行的内容(中途 break 不属于正常结束)。这对于处理一些 break 操作很有帮助。例如:

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a = 0
flag = 0
for i in range(5):
    if i > 2:
        flag = 1
        break
if flag == 1:
    a = 1
a
1

这在 Python 中显得太复杂了,直接使用 for…else…即可:

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a = 1
for i in range(5):
    if i > 1:
        break
else:
    a = 0
a
1

while 语句

while 语句的 else 语法块,指明了退出 while 循环后立刻执行的内容;它不是必需的。

如果你想要将 while 语句内部的参数传出(比如下例的计数器终值),这是一个不错的方案。

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count = 1
while count < 5:
    a = count
    count *= 2
else:
    b = count

print(a, b)
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列表解析

列表解析是一种创建列表的高度缩写方式:

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lst = [x ** 2 for x in range(4)]
lst
[0, 1, 4, 9]

也可以配合 if 语句:

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lst = [x ** 2 for x in range(4) if x > 0]
lst
[1, 4, 9]

类似的,也有字典解析,以及下文会介绍的生成器,也有生成器解析(把外围的括号换成圆括号即可):

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{n: n ** 2 for n in range(3)}
{0: 0, 1: 1, 2: 4}

函数

本节介绍 Python 函数的基础特点,以及一些实用函数。

函数定义与判断

使用 def 关键字。三连双引号间的内容被视为函数的帮助字符串,可以通过 help() 命令查看。

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def func(a, b=0):
    """
    This is a function that can meow.
    """
    return " ".join(["meow"] * (a + b))

调用函数:

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func(2)  # 单参数,仅 a 
'meow meow'
func(2, 3)  # 双参数, a 与 b 都被传入
'meow meow meow meow meow'
help(func)
Help on function func in module __main__:

func(a, b=0)
    This is a function that can meow.

通过 callable() 可以判断一个对象是否是一个可调用的函数:

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callable(func)
True

不定参函数

利用序列(或元组)与字典,向函数传参。前者在传入时需要加上一个星号,后者需要两个。

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lst = [1, 3, 4]
d = {"a": 2, "b": 3, "c": 5}
print("{}+{}={}".format(*lst), "{a}+{b}={c}".format(**d))
1+3=4 2+3=5

zip 函数

zip() 函数的作用是“合并”多个列表为一个。其返回值是一个列表,列表内的元素类型是元组。如果待合并的列表长度不同,以最短的为准。

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a = [1, 2, 3, 4]
b = [5 ,6, 7]
c = "abcd"
list(zip(a, b, c))
[(1, 5, 'a'), (2, 6, 'b'), (3, 7, 'c')]

它比较常用于交换字典的键与值:

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dict(zip(d.values(), d.keys()))
{2: 'a', 3: 'b', 5: 'c'}

lambda 函数

一种匿名函数的声明方式。如果你使用过 MATLAB,你可能熟悉这一类概念。

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func = lambda x, y: x + y
func(2, 5)
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map 函数

map() 能够对传入的序列进行依次操作,并将结果返回为一个可转换为列表的 map 对象。通常列表解析(或生成器解析)可以实现与其同样的工作。

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lst = list(map(lambda x: x + 1, range (5)))
print(lst)
[1, 2, 3, 4, 5]
f = lambda x: x + 1
[f(x) for x in range(5)]
[1, 2, 3, 4, 5]

filter 函数

给定序列,对于满足某规则的部分(即 True),予以返回。

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list(filter(lambda x: x > 0, range(-3, 3)))
[1, 2]

reduce 函数

该函数在 Python 2 中是可以直接调用的,但在 Python 3 中需要从 functools 模块进行调用。

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from functools import reduce
reduce(lambda x, y: x + y, range (5))  # 0+1+2+3+4
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enumerate 函数

它允许你像 d.items() 那样,用类似的方式操作列表:

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a = [1, 3, 5]
for i, v in enumerate(a):
    print("lst[{}] = {}".format(i, v))

lst[0] = 1
lst[1] = 3
lst[2] = 5

装饰器:算子

装饰器是函数的函数——传入的参数是一个函数,返回的值也是一个函数。相当于一个函数集到另一个函数集的映射,可以理解为数学意义上的算子。

首先来看一个简单的例子:函数可以被赋值给一个变量。

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def pyrint(data="Python"):
    return data.upper()

f = pyrint
f()
'PYTHON'

还可以通过 __name__ 来得到当前函数的名称:

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f.__name__
'pyrint'

那什么时候需要装饰器呢?比如在函数需要被重用、但又不能直接改写 def的场合(在维护中应该不少见吧!)。例如,我们希望在返回值之前,把函数名也打印出来:

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def showname(func):
    def subfunc(*args, **kwarg):
        print("FUNCTION {} called.".format(func.__name__))
        return func(*args, **kwarg)
    return subfunc

这样如果我们通过 showname(pyrint) 这种形式,就能够在 pyrint 函数被调用之前,额外打印一行内容。

想要改动该函数,不需要改动 def 语句以下的内容,只需要用 @showname 命令来应用这个装饰器:

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@showname
def pyrint(data="Python"):
    return data.upper()
pyrint()
FUNCTION pyrint called.

'PYTHON'

如果装饰器需要传递参数,那么,需要在定义时,外层再嵌套一个函数:

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def showname(num=1):
    def decorator(func):
        def subfunc(*args, **kwarg):
            print("Call time: {}. FUNCTION {} called.".format(num, func.__name__))
            return func(*args, **kwarg)
        return subfunc
    return decorator

@showname(2)
def pyrint(data="Python"):
    return data.upper()

pyrint()
Call time: 2. FUNCTION pyrint called.

'PYTHON'

不过装饰器被应用于函数定义之前时,函数的 __name__ 属性会改变。比如上例:

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pyrint.__name__
'subfunc'
使用模块 functools 来解决这一问题:

import functools

def showname(num=1):
    def decorator(func):
        @functools.wraps(func)  # 加上这一行
        def subfunc(*args, **kwarg):
            print("Call time: {}. FUNCTION {} called.".format(num, func.__name__))
            return func(*args, **kwarg)
        return subfunc
    return decorator

@showname(2)
def pyrint(data="Python"):
    return data.upper()

pyrint.__name__
'pyrint'

迭代器 [itertools]

迭代器与生成器在内存优化上很有意义。

迭代器

迭代器最显著的特征是拥有 __iter__() 和 __next__() 方法;它像一个链表。如果它指向末尾,那么再次执行 __next__() 时会报错。一个例子:

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a = [1, 2, 3]
b = iter(a)
print(b.__next__(), b.__next__())  # 或者使用 next(b)
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实际上,Python 3 内置了一个 itertools 的库,里面有诸如 cycle 和 count 等适用于迭代器的函数:

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import itertools

# count: 给定首项与公差的无穷等差数列
p = itertools.count(start = 1, step = 0.5)
print(p.__next__(), p.__next__())

# cycle: 周期循环的无穷序列
p = itertools.cycle(list("AB"))
print(next(p), next(p), next(p))

# islice: 从无穷序列中切片
p = itertools.cycle(list("AB"))
print(list(itertools.islice(p, 0, 4)))
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A B A
['A', 'B', 'A', 'B']

请时刻注意当前指向的迭代器位置——失之毫厘,谬以千里。

生成器

生成器是迭代器的一种,其实质是定义中含有 yield 关键词的函数。它没有 return() 语句。

生成器可以直接使用类似列表解析的方式,称为生成器解析。例如:(i for i in range(10)。

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def Fib(N):  # 斐波那契数列
    n, former, later = 0, 0, 1
    while n < N:
        yield later
        former, later = later, later + former
        n += 1

list(Fib(5))
[1, 1, 2, 3, 5]

上例与普通的写法看上去差别不大,但实际上可以将 while 语句改写为 while True,删除变量 n,在外部借助 itertools 的 islice 函数来截取。这在函数定义时对代码的压缩是显然的。

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def iterFib():
    former, later = 0, 1
    while True:
        yield later
        former, later = later, later + former

list(itertools.islice(iterFib(), 0, 5))
[1, 1, 2, 3, 5]

错误:try() 语句

常见的错误有以下几种:

  • ZeroDivisionError: 除数为 0.
  • SyntaxError:语法错误。
  • IndexError:索引超界。
  • KeyError:字典键不存在。
  • IOError:读写错误。
    try() 语句的常见写法:

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    try:
        a = 1 
    except ZeroDivisionError as e:
        print(e)
        exit()
    else:  # 如果无错误,执行
        print(a)
    finally:  # 不管有无错误均执行
        print("-- End --")
    1
    -- End --

其中,else 与 finally 语句都不是必需的。如果不想输出错误信息、或不能预先判断可能的错误类型,可以使用仅含 exit() 语句的 except 块。

多个 except 块

一个 try 语法块是可以跟着多个 except 的;如果靠前的 except 捕获了错误,之后的就不会运行。 这也就是说,如果错误之间有继承关系时,子错误需要放在父错误之前尝试 except,否则子错误永远也不可能被捕获。

比如上一节的例子中,ZeroDivisionError 是 ArithmeticError 下的子错误,而 ArithmeticError 又是 Exception 下的子错误(当不清楚错误的类型时,Exception 可以捕获绝大多数错误)。关于错误的继承关系,参考:Python – Exception Hierarchy 官方页面。

一个例子:

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try:
    a = 1 / 0
except Exception:
    print("Exception")
    exit()
except ZeroDivisionError:
    print("ZeroDivisionError")
    exit()
else:
    print("No error.")
finally:
    print("-- End --")
输出 Exception 与 – End –。

错误的捕获

错误在很多地方都可能发生,那是否需要在可能的地方都加上 try 语句呢?当然不是。建议只在主代码中加入 try 语句,因为 Python 会自动跟踪到错误产生的源头何在。

错误的抛出及上抛

有时候我们想人为抛出一个错误,这是使用 raise 即可:

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# raise TypeError("Wrong type.")

如果在函数中没有处理错误的语句,可能在捕获错误后将其上抛。记住,捕获错误只是为了记录错误的产生,并不意味者必须原地解决错误。

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def makeerror(n):
    if n == 0:
        raise ValueError("Divided by zero.")
    return 1 / n

def callerror():
    try:
        makeerror(0)
    except ValueError as e:
        print("ValueError detected.")
        raise

# 输出 "ValueError detected." 并打印错误日志
# callerror()

上面的 raise 命令没有紧跟任何参数,表示将错误原样上抛。你也可以手动指定上抛的错误类型,并不需要与原错误类型一致。甚至你可以定义一个错误(继承某一错误类):

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class MyError(ValueError):
    print("This is MyError.")

# raise MyError
This is MyError.

文件读写

open() 函数用于文件的读写操作。一般我们会在操作文件时,引入 os 模块(os 模块的用法参考“常用模块”一节的内容)。

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import os

open() 函数常常配合 with 语法块进行使用,它会在语法块结束时自动关闭文件。该函数:

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open(file, mode="r", encoding=None)

第一参数是包含文件名的路径(传入基于当前目录的相对路径,传入或者绝对路径),mode 参数是读写操作方式;encoding 是编码类型,一般取”utf8”。其中,读写操作方式常用的有:

参数含义
“r”(默认)读。
“w”写。该模式会覆盖原有内容;如文件不存在,会自动新建。
“x”创建新文件并写入。
“a”在已有文件的尾部追加。

一般读写操作:read() / readlines()

函数 read() 将整个文件读为一个字符串,来看一个例子:

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datapath = os.path.join(os.getcwd(), "data", "iris.data.csv")
with open(datapath, "r", encoding="utf8") as f:
    rawtext = f.read()

rawtext[:200]
'5.1,3.5,1.4,0.2,Iris-setosa\n4.9,3.0,1.4,0.2,Iris-setosa\n4.7,3.2,1.3,0.2,Iris-setosa\n4.6,3.1,1.5,0.2,Iris-setosa\n5.0,3.6,1.4,0.2,Iris-setosa\n5.4,3.9,1.7,0.4,Iris-setosa\n4.6,3.4,1.4,0.3,Iris-setosa\n5.0,'

函数 readlines() 将整个文件读为一个列表,文件的每一行对应列表的一个元素。

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with open(datapath, "r", encoding="utf8") as f:
    rawtext = f.readlines()

rawtext[:3]
['5.1,3.5,1.4,0.2,Iris-setosa\n',
 '4.9,3.0,1.4,0.2,Iris-setosa\n',
 '4.7,3.2,1.3,0.2,Iris-setosa\n']

上述的 readlines() 函数实质等同于列表解析:

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with open(datapath, "r", encoding="utf8") as f:
    rawtext = [line for line in f]

rawtext[:3]
['5.1,3.5,1.4,0.2,Iris-setosa\n',
 '4.9,3.0,1.4,0.2,Iris-setosa\n',
 '4.7,3.2,1.3,0.2,Iris-setosa\n']

文件写入,使用 write() 函数。一个简单的例子:

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with open(datapath, "w") as f:
   f.write("Sometimes naive.")

大文件读取:readline()

如果文件比较大,使用 read()/readlines() 函数直接读入可能会占用太多内存。推荐使用函数 readline(),一种迭代器式的读取方法。

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with open(datapath, "r", encoding="utf8") as f:
    print(f.readline().strip())
    print(f.readline().strip())
5.1,3.5,1.4,0.2,Iris-setosa
4.9,3.0,1.4,0.2,Iris-setosa

你会发现两次结果是不同的,这是因为迭代器内部的“指针”向后移动了。

怎样获取 / 移动“指针”的位置呢?使用 tell() / seek() 命令。

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with open(datapath, "r", encoding="utf8") as f:
    print(f.tell(), f.readline().strip())
    print(f.tell(), f.readline().strip())
    f.seek(0)  # 回到文件头
    print(f.tell(), f.readline().strip())
0 5.1,3.5,1.4,0.2,Iris-setosa
28 4.9,3.0,1.4,0.2,Iris-setosa
0 5.1,3.5,1.4,0.2,Iris-setosa

类的成员包括属性(attribute)与方法(method)两种。例子:

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class MyClass:
    """
    This is a class that can meow!
    """
    animal = "cat"  # An attribute
    def talk(self):  # A method
        return "Meow"

# An instance of the class
a = MyClass()
print(a.animal, a.talk())
cat Meow

上例中的 self 表示类的实例,所有类内部的方法都需要把该参数放在首位(你也不可不用 self 而使用 this 等,但是 self 是惯例)。例如,self.animal 就表示了实例的 animal 属性。这与 C# 等语言中的“this.animal”是类似的。

下例证明了 self 代表的实质是类的实例,而不是类本身。

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class EgClass:
    def __init__(self):
        print(self)  # 实例,有对应地址
        print(self.__class__)  # 类

a = EgClass()
<__main__.EgClass object at 0x000002531C0AF860>
<class '__main__.EgClass'>

构造函数:__init__()

类的构造函数是 __init__() (左右均为双下划线),用于初始化实例。在声明实例时,该函数自动被调用。

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class MyClass2:
    def __init__(self, animal="cat"):
        self.animal = animal

a = MyClass2("dog")
a.animal
'dog'

封装

类的重要特性是封装性,即部分变量只能在其内部修改或访问,不能从类的外部进行处理。Python 中的封装非常简单,只要把属性或方法的名称前缀设置为双下划线即可。

由此可见,构造函数 __init__() 是最基本的一个私有方法。一个例子:

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class MyClass3:
    def __init__(self, animal="cat"):
        self.__animal = animal
        self.__foo()
    def __foo(self):
        self.__animal = "rabbit"
    def show(self):
        print(self.__animal)

a = MyClass3("dog")
a.show()
rabbit

如果想直接调用 __foo() 或者 __animal,都会被禁止,产生 AttributeError

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# a.__animal  # AttributeError

要注意,前后均添加了双下划线的属性,如 name ,表示特殊属性而不是私有属性,是可以从外部访问的。

继承

下面是一个著名的猫与狗的例子;类 Cat 与 Dog 都继承自 Animal,同时也都重载了方法 talk()。

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class Animal:
    def talk(self):
        pass # 表示定义留空

class Cat(Animal): # 从Animal 继承
    def talk(self): # 重写talk()
        print('Meow')

class Dog(Animal):
    def talk(self):
        print('Woof')

a, b = Cat(), Dog()
a.talk() # 'Meow'
b.talk() # 'Woof'
Meow
Woof

通过 isinstance() 函数可以判断一个对象是否是某个类(或其子类)的实例:

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print(isinstance(a, Cat), isinstance(a, Animal))
True True
或者:

type(a).__name__
'Cat'

当然,类也可以多继承。写在左侧的类的属性与方法,在继承时会被优先采用。例如:

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class Pet:
    def talk(self):
        print("Pet")

class Cat2(Pet, Cat):
    pass

a = Cat2()
a.talk()
Pet

@property 装饰器

装饰器 @property可以被用于限制类属性的读写行为。比如,一个普通的类,如果想封装一个属性,却允许从外部读取它的值,一般我们用 getter 函数实现:

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class Person:
    def __init__(self):
        self.__name = "Py"
    def get_name(self):
        return self.__name
a = Person()
a.get_name()
'Py'

不得不说这实在是麻烦了,代码里一堆 get 函数满天飞并不令人愉快。而且还不能忘记它是一个函数,需要在尾部加上括号。

装饰器 @property 可以将一个方法伪装成同名的属性,因此装饰了 getter 函数后,调用时就不用加上尾部的括号了:

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class Person:
    def __init__(self):
        self.__name = "Py"
        
    @property
    def name(self):
        return self.__name
a = Person()
a.name
'Py'

而且,如果你想从外部修改该属性的值,会产生错误:

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a.name = 1
---------------------------------------------------------------------------

AttributeError                            Traceback (most recent call last)

<ipython-input-97-8c607f2aa25b> in <module>()
----> 1 a.name = 1


AttributeError: can't set attribute

但同时,我们也可以指定其 setter 函数(该装饰器 @age.setter 在用 @property 装饰 age 方法后会自动生成),让属性修改成为可能,甚至附加修改条件:

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class Person:
    def __init__(self):
        self.__age = 20
        
    @property
    def age(self):
        return self.__age
    
    @age.setter
    def age(self, value):
        if not isinstance(value, int):
            raise ValueError("Age should be an integer.")
        else:
            self.__age = value
a = Person()
a.age = 30
a.age
30

不传入整数会报错:

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a.age = 0.5
---------------------------------------------------------------------------

ValueError                                Traceback (most recent call last)

<ipython-input-100-001bfa8fe26b> in <module>()
----> 1 a.age = 0.5


<ipython-input-98-83364d5faa13> in age(self, value)
     10     def age(self, value):
     11         if not isinstance(value, int):
---> 12             raise ValueError("Age should be an integer.")
     13         else:
     14             self.__age = value


ValueError: Age should be an integer.

类的特殊属性与方法

属性 __dict__

首先是 __dict__属性,用于查看类的属性与方法,返回一个字典。

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a = MyClass()
MyClass.__dict__
mappingproxy({'__dict__': <attribute '__dict__' of 'MyClass' objects>,
              '__doc__': '\n    This is a class that can meow!\n    ',
              '__module__': '__main__',
              '__weakref__': <attribute '__weakref__' of 'MyClass' objects>,
              'animal': 'cat',
              'talk': <function __main__.MyClass.talk>})

需要注意的是,此时实例 a 的属性没有被更改过,实例的 dict 是一个空字典:

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print(a.__dict__, a.animal)
{} cat

类的 __dict__ 方法下的同名键,与实例具有相同值。

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MyClass.__dict__["animal"]
'cat'

一旦被从外部更改,实例 a 的 dict 字典就不再为空。

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a.animal = "dog"
print(a.__dict__, a.animal)
{'animal': 'dog'} dog

属性 __slots__

从上面可以看到,非私有的类属性可以从外部更改值,而且属性还能直接从外部增加。slots 属性的作用就在于使类的属性不能从外部进行更改、追加。它能够限制属性滥用,并在优化内存上也有意义。

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class MySlotClass():
    __slots__ = ("meow", "woof")
    def __init__(self):
        self.meow = "Meow"
        self.woof = "Woof"
    
a = MySlotClass()
MySlotClass.__dict__
mappingproxy({'__doc__': None,
              '__init__': <function __main__.MySlotClass.__init__>,
              '__module__': '__main__',
              '__slots__': ('meow', 'woof'),
              'meow': <member 'meow' of 'MySlotClass' objects>,
              'woof': <member 'woof' of 'MySlotClass' objects>})

此时,如果使用 a.__dict__,结果不会返回空字典,而是会报错。

运算符重载

特别地,Python 提供了运算符重载的功能。常用的对应如下(参考 官方页面):

方法 含义 应用
一元运算符
len 长度 len(a)
bool 逻辑值 bool(a)
neg 取负值 -a
str / repr 字符串形式 repr(a) / str(a), print(a)
二元运算符
add 加 a + b, a += b
sub 减 a – b, a -= b
mul 乘 a b, a = b
div 除 a / b, a /= b
pow 乘方 a b, a = b
radd 左加 … + a
二元关系符
lt / le 小于 / 小于等于 a < b, a <= b
gt / ge 大于 / 大于等于 a > b, a >= b
eq / ne 等于 / 不等于 a == b, a != b
比如下例中,对多个运算进行了重载,完成了二维向量在加减法上与向量、与数运算的基本定义。

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class Vector:
    def __init__(self, a, b):
        self.a = a
        self.b = b
   
    def __add__(self, another):
        if isinstance(another, Vector):
            c, d = another.a, another.b
        else:
            c, d = another, another
        return Vector(self.a + c, self.b + d)
    
    def __radd__(self, another):
        return self.__add__(another)
    
    def __neg__(self):
        return Vector(-self.a, -self.b)
    
    def __sub__(self, another):
        return self.__add__(-another)
    
    def __str__(self):
        return "Vector({},{})".format(self.a, self.b)

v1 = Vector(0,3)
v2 = Vector(5,-2)
print(v1 - 1, -v2, v1 + v2, v1 - v2)
Vector(-1,2) Vector(-5,2) Vector(5,1) Vector(-5,5)

其中,__repr__() 与 __str__() 的主要区别在于,前者在交互式步骤中显示结果,后者在 print 函数中显示结果。

例如上例,如果直接输入 v1,不会以 “Vector(0,3)”的形式显示。

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v1  # 在类中附加定义: __repr__ = __str__ 即可解决问题。
<__main__.Vector at 0x2531c129c88>

迭代行为

在类中也能定义迭代行为,需要 iter() 与 next() 方法。

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# 该例改编自官方文档
class MyClass4:
    def __init__(self, lst):
        self.data = lst
        self.__index = len(lst)
    def __iter__(self):
        return self
    def __next__(self):
        if self.__index == 0:
            raise StopIteration
        self.__index -= 1
        return self.data[self.__index]

a = MyClass4("Meow")
for char in a:
    print(char)
w
o
e
M

常用模块

下面介绍几个常用的 Python 标准模块(即随 Python 安装的模块)。更多的第三方模块,例如 NumPy, pandas, matplotlib,可以参考本系列博文的其他文章。

os 模块

这个模块应该是 Python 自带模块中使用率最高的一个了。一些例子:

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# import os
#
# ----- 文件操作 -----
# os.rename("old.py", "new.py")  # 重命名
# os.remove("a.py")  # 删除
# os.stat("b.py")  # 查看文件属性
#
# ----- 路径操作 -----
# os.getcwd()  # 获取当前目录
# os.chdir(r"d:\list")  # 更改当前目录为
# os.chdir(os.pardir)  # 返回上一级目录
# os.mkdir('newfolder ')  # 在当前目录新建一个文件夹
# os.listdir('c:\list')  # 列出文件夹下所有文件的列表
# os.removedirs('thefolder ')  # 删除空文件夹
# os.path.isfile/ispath("f")  # 检查路径是文件或是目录
# os.path.exists("f")  # 检查路径是否存在
# 
# ----- 操作平台相关 -----
# os.sep  # 当前操作系统的路径分隔符
# os.linesep  # 当前操作系统的换行符
# os.path.join(r"c:\abc", "d")  # 连接字串成为路径

sys 模块

一般我很少用到这个模块。可能有这么几个命令会用到:

  • sys.argv:能够传递从命令行接受的参数到代码内。
  • sys.platform:当前操作系统平台。
  • sys.exit():无参数时抛出 SystemExit 错误并退出;有参数时会在退出前输出对应的字符串到屏幕。
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    import sys
    sys.platform
    'win32'

一个 sys.argv 的例子:

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sys.argv
['e:\\python\\lib\\site-packages\\ipykernel_launcher.py',
 '-f',
 'C:\\Users\\wklchris\\AppData\\Roaming\\jupyter\\runtime\\kernel-3724c4c9-2130-485d-b388-7a84379fd043.json']

以上不是典型的例子,因为并不是在命令行下运行的。命令行下通常有如下格式:

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python test.py hello

此时,sys.argv[0] = test.py,sys.argv[1] = hello.

re 模块:正则表达式

参考本文附录。

其他模块

  • collection 模块:
    • 提供了一种双端列表 deque,可以用 appendleft, extendleft, popleft 等方法从 deque 的左侧(也就是lst[0])进行操作。注意,deque 的更新操作比 list 更快,但读取操作比 list 慢。
    • 提供了一种缺省字典defaultdict,可以直接操作键值(即使这个键先前未定义);首次操作时会赋一个合理的初值,比如首次调用 d[“a”] += 1 而字典本身没有 “a” 键时,会自动初始化 “a” 键并赋初值 0。
  • calendar 模块:判断星期、闰年,输出日历等等。
  • itertools 模块:在本文“迭代器”小节已进行了简要介绍。
  • logging 模块:在调试中可能会使用。
  • urllib 模块:这是一个 HTML 请求模块,常用于爬虫。

调试与测试

Python 中有一些内置的办法进行调试与测试。

断言:assert

断言的含义在于,如果断言失败(False),那么代码会被终止(抛出一个AssertionError)。比如:

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n = 0
assert(n != 0)
1 / n
---------------------------------------------------------------------------

AssertionError                            Traceback (most recent call last)

<ipython-input-112-e53f92f6c644> in <module>()
      1 n = 0
----> 2 assert(n != 0)
      3 1 / n


AssertionError:

与大家一贯喜欢使用的 print 调试法相比,断言语句可以用命令行参数 -O 忽略。这样所有的 assert() 语句都不会被执行。

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$ python -O main.py

日志调试:logging 模块

logging 模块支持将错误日志输出(到控制台或者到文件)。

此乃调试神器。延伸阅读: logging 官方基础教程。

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import logging
# 该行也可能通过控制台:$ python main.py --log=WARNING 的方式实现
logging.basicConfig(level=logging.WARNING)
n = 0
logging.warning("n = {}".format(n))
WARNING:root:n = 0

logging 模块的灵活之处在于你可以记录信息的级别(DEBUG,INFO,WARNING,ERROR,CRITICAL),各级别的作用如下:

  • DEBUG:最详细的级别,所有详细日志都会被输出。
  • INFO:检测代码是否按照预期执行。
  • WARNING:非预期的事件发生了,或者可能在近期发生(例如:低磁盘空间)。但代码仍然执行。
  • ERROR:发生了级别更高的问题,某些功能无法正常实现。
  • CRITICAL:严重错误,代码可能无法继续运行。
    通过 filename 参数,可以将日志写入到文件。一般使用 DEBUG 级别,即输出所有信息。

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    # logging.basicConfig(filename="log.log", level=logging.DEBUG)

默认会将日志追加到文件末尾,如果想要覆写文件而不是追加,使用 filemode 参数:

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# logging.basicConfig(filename="log.log", filemode="w", level=logging.DEBUG)

更改日志格格式,使用 format 参数。一般来说,常用的格式码(格式码后加 s 表示字符串)有:

  • %(levelname):当前日志字串级别。
  • %(message):当前日志字串。
  • %(asctime):当前时间。默认 datefmt 参数为 %Y-%m-%d %I:%M:%S
    例子。下例会输出形如:”01/23/1900 08:05:05 PM is when this event was logged.” 这样的格式。

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    # logging.basicConfig(format='%(asctime)s %(message)s', datefmt='%m/%d/%Y %I:%M:%S %p')
    # logging.warning('is when this event was logged.')
    # 常用的格式:
    # logging.basicConfig(format="%(levelname)s: %(message)s")

还可以通过配置文件来代替 basicConfig 命令,并进行设置 logger 等更高级的配置。这部分可以参考:此处。

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# import logging.config

# logging.config.fileConfig('logging.conf')

附录:正则表达式

正则表达式的基础内容参考本博客的这篇博文:正则表达式。注意:如果要保存一个正则表达式供多次使用,请存储其 compile 后的结果,避免反复编译。

  • re.compile(exp):编译正则表达式。
  • re.compile(exp).match(str):判断正则表达式能否匹配一个字串。可以 bool() 结果来获知是否匹配。
    • re.compile(exp).match(str).groups():将匹配结果返回为单个字符串(无子组时)或元组(有子组时)。
    • re.compile(exp).findall(str):找出字符串中所有匹配表达式的子串。返回列表。
  • re.split(exp, str):用表达式来分割字符串,相当于 str.split() 的增强版。
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    import re
    bool(re.match(r"\d", "1"))
    True
    phone_re = re.compile(r'\d{3,4}-\d{7,8}')
    phone_re.match('010-12345678').group()
    '010-12345678'
    # 如果在正则表达式中添加了子组(小括号),那么会返回子组依顺序组成的一个元组
    phone_re = re.compile(r'(\d{3,4})-(\d{7,8})')
    phone_re.match('010-12345678').groups()
    ('010', '12345678')
    phone_re = re.compile(r'\d{3,4}-\d{7,8}')  # 寻找所有子串
    phone_set = '010-12345678, 021-65439876 '
    phone_re.findall(phone_set)
    ['010-12345678', '021-65439876']
    s = 'a b   c'  # 用 re.split() 处理连续的空格
    print(s.split(' '), re.split(r"\s+", s))
    ['a', 'b', '', '', 'c'] ['a', 'b', 'c']
平安喜乐,如愿以偿

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