Python实践提升-数值与字符串-优快云博客

Python实践提升-数值与字符串
　　现代人的生活离不开各种数字。人的身高是数字，年龄是数字，银行卡里的余额也是数字。大家同样离不开的还有文字。网络上的文章、路边的指示牌，以及你正在阅读的这本书，都是由文字构成的。

我们离不开数字和文字，正如同编程语言离不开“数值”与“字符串”。两者几乎是所有编程语言里最基本的数据类型，也是我们通过代码连接现实世界的基础。

对于这两种基础类型，Python 展现了它一贯的简单易用的特点。拿整型（integer）来说，在 Python 里使用整型，你不需要了解“有符号”“无符号”“32 位”“64 位”这些令人头疼的概念。不论多大的数字都能直接用，不必担心任何溢出问题：

#无符号 64 位整型的最大值（unsigned int64）
>>> 2 ** 64 - 1
18446744073709551615

#直接乘上 10000 也没问题，永不溢出！
>>> 18446744073709551615 * 10000
184467440737095516150000

和数字一样，Python 里的字符串（string）也很容易上手 1。它直接兼容所有的 Unicode 字符，处理起中文来非常方便：

1准确来说，是 Python 3 版本后的字符串容易上手。要处理好 Python 2 及之前版本中的字符串还是有些难度的。

>>> s = 'Hello, 中文'
>>> type(s)
<class 'str'>

#打印中文
>>> print(s)
Hello, 中文

除了上面的字符串类型（str），有时我们还需要同字节串类型（bytes）打交道。在本章的基础知识板块，我会简单介绍二者的区别，以及如何在它们之间做转换。

接下来，我们就从这两种最基础的数据类型开始，踏上探索 Python 对象世界的旅程吧！

2.1　基础知识
　　本节将介绍与数值和字符串有关的基础知识，内容涵盖浮点数的精度问题、字符串与字节串的区别，等等。

2.1.1　数值基础
　　在 Python 中，一共存在三种内置数值类型：整型（int）、浮点型（float）和复数类型（complex）。创建这三类数值很简单，代码如下所示：

#定义一个整型
>>> score = 100
#定义一个浮点型
>>> temp = 37.2
#定义一个复数
>>> com = 1+2j

在大多数情况下，我们只需要用到前两种类型：int 与 float。二者之间可以通过各自的内置方法进行转换：

#将浮点数转换为整型
>>> int(temp)
37

#将整型转换为浮点型
>>> float(score)
100.0

在定义数值字面量时，如果数字特别长，可以通过插入 _ 分隔符来让它变得更易读：

#以"千"为单位分隔数字
>>> i = 1_000_000
>>> i + 10
1000010

正如本章开篇所说，Python 里的数值类型十分让人省心，你大可随心所欲地使用，一般不会碰到什么奇怪的问题。不过，浮点数精度问题是个例外。

浮点数精度问题
　　如果你在 Python 命令行里输入 0.1 + 0.2，你会看到这样的“奇景”：

>>> 0.1 + 0.2
0.30000000000000004

一个简单的小数计算，为何会产生这么奇怪的结果？这其实是一个由浮点数精度导致的经典问题。

计算机是一个二进制的世界，它能表示的所有数字，都是通过 0 和 1 两个数模拟而来的（比如二进制的 110 代表十进制的 6）。这套模拟机制在表示整数时，尚能勉强应对，一旦我们需要小于 1 的浮点数时，计算机就做不到绝对的精准了。

但是，不提供浮点数肯定是不行的。为此，计算机只好“尽力而为”：取一个固定精度来近似表示小数——Python 使用的是“双精度”（double precision）2。这个精度限制就是 0.1 + 0.2 的最终结果多出来 0.000…4 的原因。

2具体来说，是符合 IEEE-754 规范的双精度，它使用 53 个比特的精度来表达十进制浮点数。

为了解决这个问题，Python 提供了一个内置模块：decimal。假如你的程序需要精确的浮点数计算，请考虑使用 decimal.Decimal 对象来替代普通浮点数，它在做四则运算时不会损失任何精度：

>>> from decimal import Decimal
#注意：这里的 '0.1' 和 '0.2' 必须是字符串
>>> Decimal('0.1') + Decimal('0.2')
Decimal('0.3')

在使用 Decimal 的过程中，大家需要注意：必须使用字符串来表示数字。如果你提供的是普通浮点数而非字符串，在转换为 Decimal 对象前就会损失精度，掉进所谓的“浮点数陷阱”：

>>> Decimal(0.1)
Decimal('0.1000000000000000055511151231257827021181583404541015625')

如果你想了解更多浮点数相关的内容，可查看 Python 官方文档中的“15. Floating Point Arithmetic: Issues and Limitations”，其中的介绍非常详细。
2.1.2　布尔值其实也是数字
　　布尔（bool）类型是 Python 里用来表示“真假”的数据类型。你肯定知道它只有两个可选值：True 和 False。不过，你可能不知道的是：布尔类型其实是整型的子类型，在绝大多数情况下，True 和 False 这两个布尔值可以直接当作 1 和 0 来使用。

就像这样：

>>> int(True), int(False)
(1, 0)
>>> True + 1
2

#把 False 当除数的效果和 0 一样
>>> 1 / False
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
ZeroDivisionError: division by zero

布尔值的这个特点，最常用来简化统计总数操作。

假设有一个包含整数的列表，我需要计算列表里一共有多少个偶数。正常来说，我得写一个循环加分支结构才能完成统计：

numbers = [1, 2, 4, 5, 7]

count = 0
for i in numbers:
    if i % 2 == 0:
        count += 1

print(count)
#输出：2

但假如利用“布尔值可作为整型使用”的特性，一个简单的表达式就能完成同样的事情：

count = sum(i % 2 == 0 for i in numbers) ➊

❶ 此处的表达式 i % 2 == 0 会返回一个布尔值结果，该结果随后会被当成数字 0 或 1 由 sum() 函数累加求和

2.1.3　字符串常用操作
　　本节介绍一些与字符串有关的常用操作。

把字符串当序列来操作

字符串是一种序列类型，这意味着你可以对它进行遍历、切片等操作，就像访问一个列表对象一样：

>>> s = 'Hello, world!'
>>> for c in s: ➊
...     print(c)
...
H
...
d
!
>>> s[1:3] ➋
'el'

❶ 遍历一个字符串，将会逐个返回每个字符

❷ 对字符串进行切片

假如你想反转一个字符串，可以使用切片操作或者 reversed 内置方法：

>>> s[::-1] ➊
'!dlrow ,olleH'
>>> ''.join(reversed(s)) ➋
'!dlrow ,olleH'

❶ 切片最后一个字段使用 -1，表示从后往前反序

❷ reversed 会返回一个可迭代对象，通过字符串的 .join 方法可以将它转换为字符串

字符串格式化

Python 语言有一个设计理念：“任何问题应有一种且最好只有一种显而易见的解决方法。”3如果把这句话放到字符串格式化领域，似乎就有点儿难以自圆其说了。

在当前的主流 Python 版本中，至少有三种主要的字符串格式化方式。

(1) C 语言风格的基于百分号 % 的格式化语句：‘Hello, %s’ % ‘World’。

(2) 新式字符串格式化（str.format）方式（Python 2.6 新增）：“Hello, {}”.format (‘World’)。

(3) f-string 字符串字面量格式化表达式（Python 3.6 新增）：name = ‘World’; f’Hello, {name}'。

第一种字符串格式化方式历史最为悠久，但现在已经很少使用。相比之下，后两种方式正变得越来越流行。从个人体验来说，f-string 格式化方式用起来最方便，是我的首选。和其他两种方式比起来，使用 f-string 的代码多数情况下更简洁、更直观。

举个例子：

username, score = 'andy', 100
#1. C 语言风格格式化
print('Welcome %s, your score is %d' % (username, score))
#2. str.format
print('Welcome {}, your score is {:d}'.format(username, score))

#3. f-string，最短最直观
print(f'Welcome {
     
     username}, your score is {
     
     score:d}')
#输出：
#Welcome andy, your score is 100