python数组和队列

sumeng_meng

于 2024-08-17 23:15:36 发布

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一、数组

如果一个列表只包含数值，那么使用array.array会更加高效，数组不仅支持所有可变序列操作（.pop、.insert、.extent等），而且还支持快速加载项和保存项的方法（.fromfile、.tofile等）

创建array对象时要提供类型代码，它是一个字母，用来确定底层使用什么C类型存储数组中各项，并且指定类型后，不允许向数组中添加与指定类型不同的值。类型码如下所示：

Typecode	C Type	python Type	size in bytes
'b'	signed char	int	1
'B'	unsigned char	int	1
'h'	signed short	int	2
'H'	unsigned short	int	2
'i'	signed int	int	2
'I'	unsigned int	int	2
'l' (lower L)	signed long	int	4
'L'	unsigned long	int	4
'q'	signed long long	int	8
'Q'	unsigned long long	int	8
'f'	float(单精度浮点数)	float	4
'd'	double(双精度浮点数)	float	8

示例：创建、保存、加载一个大型浮点数数组

from array import array
from random import random

# 创建一个双精度浮点数数组
floats = array('d', [random() for i in range(10**7)])
print(floats[-1])       # output: 0.6150799221528432
# 将数组写入文件
with open('floats.bin', 'wb') as fp:
    floats.tofile(fp)

floats2 = array('d')
# 从二进制文件中读取1000万个数并赋值给float2
with open('floats.bin', 'rb') as fp:
    floats2.fromfile(fp, 10**7)
print(floats2[-1])      # output: 0.6150799221528432
print(floats == floats2)        # output: True

处理大型数值时使用数组的优势：

1.效率高：在使用array.tofile和array.fromfile时，发现二者的运行速度非常快，读取时无须使用内置函数float一行一行解析，比从文本文件中读取快；保存文件也比一行一行写入文本文件快很多。

2.占用内存少：保存1000万个双精度浮点数的二进制文件占80 000 000个字节（一个双精度浮点数占8字节）；保存相同数据量文本文件占181 515 739字节。

补充：array类型没有列表那种就地排序算法sort，如果需要对数组进行排序，需要使用内置函数sorted重新构建数组

from array import array

num = array('i', sorted([12, 432, 5, 6]))
print(num)      # output: array('i', [5, 6, 12, 432])

二、memoryview

内置的memoryview类是一种共享内存的序列类型，可以在不复制字节的情况下处理数组的切片，对处理大型数据集来说是非常重要的。

memoryview允许python代码访问支持缓冲协议的对象的内部数据，而无需复制（内存视图直接引用目标内存）。支持缓冲协议的对象：在python中有某些对象可以包装对底层内存阵列或缓冲区的访问，包括内置对象bytes和bytearray以及一些如array.array的扩展类型。

示例：展示如何将同一个6字节数组处理为不同的视图

from array import array

octets = array('B', range(6))
m1 = memoryview(octets)
# .tolist()表示将缓存区内的数据以一个列表的形式返回
print(m1.tolist())      # output: [0, 1, 2, 3, 4, 5]
# 根据前一个memoryview对象构建一个新的memoryvie对象，并转换为2行3列
m2 = m1.cast('B', [2, 3])
print(m2.tolist())      # output: [[0, 1, 2], [3, 4, 5]]
# 转换为3行2列
m3 = m1.cast('B', [3, 2])
print(m3.tolist())      # output: [[0, 1], [2, 3], [4, 5]]
m2[1, 1] = 22
m3[1, 1] = 33
# 显示原数组，证明octets、m1、m2、m3之间的内存是共享的
print(octets)       # output: array('B', [0, 1, 2, 33, 22, 5])

三、NumPy

如果想对数组做一些高级数值处理应该使用NumPy库。NumPy实现了多维同构数组和矩阵类型，处理存放数值之外，还可以存放用户定义的记录，而且提供了高效的元素层面操作。

NumPy的数组类被调用N维数组对象ndarray，它是一系列同类型数据的集合，这与python标准库类array中的array不同，array.array只处理一维数组并提供较少的功能。

ndarray对象的重要属性：

ndarray.ndim：数组的轴（维度）的个数；

ndarray.shape：返回一个整数的元组，表示每个维度中数组的大小，shape元组的长度就是维度可数ndim；

ndarray.size：数组元素的总数，等于 shape 各个元素的乘积；

ndarray.dtype：一个描述数组中元素类型的对象；

ndarray.itemsize：数组中每个元素的字节大小。

示例：numpy.ndarray中行和列的基本操作

import numpy as np

# arange([start, ]stop[, step]用于生成数组ndarray，值在半开区间[start,stop]内
a = np.arange(12)
print(a)        # output: [ 0  1  2  3  4  5  6  7  8  9 10 11]
print(type(a))      # output: <class 'numpy.ndarray'>
print(a.size)       # output: 12
print(a.shape)      # output: (12,)
print(a.dtype)      # output: int64
print(a.itemsize)       # output: 8
# 改变数组的维度
a.shape = 3, 4
print(a)
# output:
# [[ 0  1  2  3]
#  [ 4  5  6  7]
#  [ 8  9 10 11]]
print(a.ndim)       # output: 2
print(a[:, 1])      # output: [1 5 9]
print(a[2, 1])      # output: 9
# 转置数组
print(a.transpose()) 
# output:
# [[ 0  4  8]
#  [ 1  5  9]
#  [ 2  6 10]
#  [ 3  7 11]]

NumPy还支持一些高级操作，如加载、保存和操作numpy.ndarray对象的所有元素

numpy.savetxt()：以简单的文本文件格式（txt文件或csv文件）存储数据；

numpy.loadtxt()：基本功能是从文本文件中读取数据，并将其转换为NumPy数组，主要处理如CSV文件或空格分隔的文件，它会自动处理数据的分隔符、数据类型和行结束符，使读取文本数据变得简单；

numpy.save()：将数组保存到以.npy为扩展名的文件中，文件中的数据是乱码的，因为是Numpy专用的二进制格式化后的数据；

numpy.savez()：将多个数组保存到以.npz为扩展名的文件中；

numpy.load()：读取以.npy文件为扩展名的数据。

四、双端队列

借助.append、.pop方法，列表也可以当做栈或队列使用，但是在列表头部插入或删除项有一定开销，因为整个列表必须在内存中移动。collections.deque类实现一种线程安全的双端队列，旨在快速在两端插入和删除项（近似O(1)的性能），但从deque对象中部删除项的速度并不快。

deque对象可以固定长度，在对象被填满后，从一端添加新项，将从另一端丢弃另一项，这是实现保留“最后几项”或类似操作的唯一选择。

示例：展示deque对象可执行的一些典型操作

from collections import deque

# maxlen为deque的限制长度
dq = deque(range(10), maxlen=10)
print(dq)       # output: deque([0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9], maxlen=10)
# 轮转：num>0，从右端取num项放到左端；num<0，从左端取num项放到右端
dq.rotate(3)
print(dq)       # output: deque([7, 8, 9, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6], maxlen=10)
dq.rotate(-4)
print(dq)       # output: deque([1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0], maxlen=10)
# 左端添加元素-1，此时向已满，左端端添加几项，右端就要舍弃几项
dq.appendleft(-1)
print(dq)       # output: deque([-1, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9], maxlen=10)
# extend(iter)依次将iter中的元素追加到deque右端
dq.extend([11, 22, 33])
print(dq)       # output: deque([3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11, 22, 33], maxlen=10)
# extendleft(iter)依次将iter中的元素追加到deque左端
dq.extendleft([10, 20, 30, 40])
print(dq)       # output: deque([40, 30, 20, 10, 3, 4, 5, 6, 7, 8], maxlen=10)

list和deque之间的方法：

deque实现了多数list方法，另外增加了专用方法，如：popleft和rotate。

deque中的append和popleft是原子操作（执行时不会被打断，执行前后系统状态保持一致），因此可以放心的在多线程应用中把deque作为先进先出队列使用，无须加锁。

五、其他队列

除deque外，python标准库中的其他包还实现了以下队列：

1.queue

实现了面向多生产线程、多消费线程的队列。提供了几个同步队列类，可用于构建多线程应用程序：

simpleQueue：无界的先进先出队列构造函数，缺少任务跟踪等高级功能；

Queue：有界的先进先出队列；

LifoQueue：有界的后进先出队列；

PriorityQueue：有界的先级队列，按照级别顺序取出元素，级别低的最先取出。

注：queue提供的有界队列与deque的有界不同，它们不像deque那样为了腾出空间而把项丢弃，而是在队列填满后阻塞插入新项，等待其他线程从队列中取出一项。

2.multiprocessing

实现了面向多生产进程、多消费进程的队列。该模块单独实现了无界的simpleQueue和有界的Queue。

与queue.Queue的区别：

queue.Queue是进程内用的队列，是多线程的

multiprocessing.Queue是跨进程通信队列，是多进程的

3.asyncio

实现了面向多生产协程、多消费协程的队列，提供了Queue、PriorityQueue、LifoQueue和JoinableQueue，API源自queue和multiprocessing模块中的类，但是为管理异步编程任务做了修改。

4.heapq

与前三个模块相比，heapq并没有实现任何队列类，但是提供了一系列函数可把可变序列当作堆队列（小顶堆）或优先级队列使用。

heapq相关函数：

heappush(heap,num)：先创建一个空堆，然后将数据一个一个添加到堆中，每添加一个数据后，heap都满足小顶堆的特性；

heapify(array)：直接将数据列表调整成一个小顶堆；

heappop(heap)：将堆顶的数据出堆，并将堆中剩余的数据构造成新的小顶堆；

nlargest(num,heap)：从堆中取出num个元素，从最大的数据开始取，返回一个列表；

nsmallest(num,heap)：从堆中取出num个元素，从最小的数据开始取，返回一个列表。