Python高级数据类型：字典（Dictionary）

字典是Python中非常重要且实用的数据结构，本文将全面详细地介绍字典的所有知识点，从基础概念到高级用法，帮助初学者彻底掌握字典的使用。

1. 字典简介

1.1 为什么需要字典？

假设我们需要存储公司员工的姓名、年龄、职务和工资信息。使用列表可以这样实现：

staff_list = [
    ["tom", 20, "teacher", 6000],
    ["rose", 18, "hr", 5000],
    ["jack", 20, "行政", 4000]
]

但当我们需要查找某个员工的信息时，比如查找"rose"的工资，需要遍历整个列表：

for i in staff_list:
    if i[0] == "rose":
        print(i)
        break

如果公司有3万名员工，而"jack"恰好位于列表末尾，这意味着需要遍历3万次才能找到这个信息，效率非常低。

1.2 字典的解决方案

字典提供了更高效的存储和查询方式：

staff_dict = {
    "tom": {"age": 20, "position": "teacher", "salary": 6000},
    "rose": {"age": 18, "position": "hr", "salary": 5000},
    "jack": {"age": 20, "position": "行政", "salary": 4000}
}

# 直接获取rose的信息
print(staff_dict["rose"])

字典通过键(key)直接访问值(value)，无论字典有多大，查找速度都极快。

2. 字典的定义与特性

2.1 字典的定义

字典使用花括号{}定义，由键值对组成，键值对之间用逗号分隔：

# 字典基本格式
{key1: value1, key2: value2, key3: value3}

# 示例
msg = {
    "name": "Lv weiqiang",
    "age": 29
}

冒号:左边是键(key)，右边是值(value)。

字典也可以使用dict()构造函数创建：

msg = dict(name="Lv weiqiang", age=30)

2.2 字典的特性

1. 键值对结构：字典使用键值对存储数据

2. 键(key)的特性：

   • 必须是唯一的（不可重复）

   • 必须是不可变数据类型（字符串、数字、元组）

   • 常用字符串作为键

3. 值(value)的特性：

   • 可以是任何数据类型

   • 可以重复

   • 可以修改

4. 有序性：

   • Python 3.7之前字典是无序的

   • Python 3.7开始字典变为有序的（保持插入顺序）

5. 查询速度快：基于哈希表实现，查询时间复杂度为O(1)

6. 可变性：字典是可变数据类型，可以动态添加、删除、修改键值对

3. 字典的基本操作

3.1 创建字典

# 方法1：使用花括号
empty_dict = {}  # 空字典
person = {"name": "Alice", "age": 25, "city": "New York"}

# 方法2：使用dict()构造函数
person = dict(name="Alice", age=25, city="New York")

# 方法3：从键值对序列创建
person = dict([("name", "Alice"), ("age", 25), ("city", "New York")])

# 方法4：使用fromkeys方法创建默认值字典
keys = ["name", "age", "city"]
default_dict = dict.fromkeys(keys, "unknown")

3.2 访问字典元素

person = {"name": "Alice", "age": 25, "city": "New York"}

# 方法1：使用方括号访问
print(person["name"])  # 输出: Alice

# 方法2：使用get方法（更安全，键不存在时返回None或默认值）
print(person.get("age"))  # 输出: 25
print(person.get("country"))  # 输出: None
print(person.get("country", "USA"))  # 输出: USA（设置默认值）

注意：直接使用dict[key]访问时，如果key不存在会抛出KeyError异常，而get()方法更安全。

3.3 添加/修改元素

person = {"name": "Alice", "age": 25}

# 添加新键值对
person["city"] = "New York"  # 添加city键

# 修改现有键的值
person["age"] = 26  # 修改age的值

# 使用update方法批量更新
person.update({"age": 27, "country": "USA"})

3.4 删除元素

person = {"name": "Alice", "age": 25, "city": "New York"}

# 方法1：del语句
del person["age"]  # 删除age键值对

# 方法2：pop方法（删除并返回对应的值）
city = person.pop("city")  # 删除city键值对并返回"New York"

# 方法3：popitem方法（删除并返回最后一个键值对，Python 3.7+）
last_item = person.popitem()  # 返回并删除最后一个插入的键值对

# 方法4：clear方法（清空字典）
person.clear()  # 清空所有键值对，变为空字典{}

3.5 检查键是否存在

person = {"name": "Alice", "age": 25}

# 方法1：in关键字
if "name" in person:
    print("name exists")

# 方法2：检查keys()
if "age" in person.keys():
    print("age exists")

3.6 获取字典视图

person = {"name": "Alice", "age": 25, "city": "New York"}

# 获取所有键
keys = person.keys()  # 返回dict_keys(['name', 'age', 'city'])

# 获取所有值
values = person.values()  # 返回dict_values(['Alice', 25, 'New York'])

# 获取所有键值对
items = person.items()  # 返回dict_items([('name', 'Alice'), ('age', 25), ('city', 'New York')])

注意：这些方法返回的是视图对象，会随字典变化而变化。

4. 字典的遍历

4.1 遍历键

person = {"name": "Alice", "age": 25, "city": "New York"}

# 方法1：直接遍历字典
for key in person:
    print(key, person[key])

# 方法2：使用keys()方法
for key in person.keys():
    print(key, person[key])

4.2 遍历值

for value in person.values():
    print(value)

4.3 遍历键值对

for key, value in person.items():
    print(f"{key}: {value}")

5. 字典的高级用法

5.1 字典推导式

字典推导式可以快速生成字典：

# 基本语法
{key_expr: value_expr for item in iterable}

# 示例1：创建数字平方字典
squares = {x: x**2 for x in range(1, 6)}
# 输出: {1: 1, 2: 4, 3: 9, 4: 16, 5: 25}

# 示例2：筛选偶数平方
even_squares = {x: x**2 for x in range(10) if x % 2 == 0}
# 输出: {0: 0, 2: 4, 4: 16, 6: 36, 8: 64}

# 示例3：转换字典
original = {'a': 1, 'b': 2, 'c': 3}
flipped = {value: key for key, value in original.items()}
# 输出: {1: 'a', 2: 'b', 3: 'c'}

5.2 嵌套字典

字典可以嵌套使用，适合存储复杂数据：

employees = {
    "emp1": {
        "name": "Alice",
        "age": 28,
        "skills": ["Python", "SQL"]
    },
    "emp2": {
        "name": "Bob",
        "age": 32,
        "skills": ["Java", "C++"]
    }
}

# 访问嵌套字典
print(employees["emp1"]["name"])  # 输出: Alice
print(employees["emp2"]["skills"][0])  # 输出: Java

# 修改嵌套字典
employees["emp1"]["age"] = 29
employees["emp2"]["skills"].append("JavaScript")

5.3 字典合并

有多种方法可以合并字典：

dict1 = {'a': 1, 'b': 2}
dict2 = {'b': 3, 'c': 4}

# 方法1：update方法（修改原字典）
dict1.update(dict2)  # dict1变为{'a': 1, 'b': 3, 'c': 4}

# 方法2：字典解包（Python 3.5+）
merged = {**dict1, **dict2}  # 创建新字典{'a': 1, 'b': 3, 'c': 4}

# 方法3：collections.ChainMap（不真正合并，只是创建视图）
from collections import ChainMap
chain = ChainMap(dict1, dict2)

5.4 默认字典（defaultdict）

collections.defaultdict可以设置默认值：

from collections import defaultdict

# 示例1：默认值为0
word_counts = defaultdict(int)
for word in ["hello", "world", "hello"]:
    word_counts[word] += 1
# 输出: defaultdict(<class 'int'>, {'hello': 2, 'world': 1})

# 示例2：默认值为空列表
grouped_data = defaultdict(list)
grouped_data["fruits"].append("apple")
grouped_data["fruits"].append("banana")
# 输出: defaultdict(<class 'list'>, {'fruits': ['apple', 'banana']})

5.5 有序字典（OrderedDict）

虽然Python 3.7+的普通字典已经有序，但collections.OrderedDict提供额外功能：

from collections import OrderedDict

od = OrderedDict()
od['a'] = 1
od['b'] = 2
od['c'] = 3

# 保持插入顺序
for key, value in od.items():
    print(key, value)
    
# 移动元素到最后
od.move_to_end('a')

5.6 字典与哈希算法

字典的高效查询基于哈希表实现：

• 键必须是可哈希的（不可变类型：int, str, tuple, bool）

• 不可哈希的类型（可变类型：list, dict, set）不能作为键

• 哈希算法确保无论字典多大，查询速度都是O(1)

6. 字典与列表的比较

特性	字典(dict)	列表(list)
存储方式	键值对	有序元素集合
访问方式	通过键	通过索引
顺序	Python 3.7+保持插入顺序	始终有序
查询速度	O(1)，极快	O(n)，线性时间
元素要求	键必须唯一且不可变	无特殊要求
内存占用	较大	较小
适用场景	快速查找、描述性数据	有序数据、需要排序/切片操作

7. 练习题与解答

练习题1：数字组合

题目：有1,2,3,4,5,6,7,8八个数字，能组成多少个互不相同且无重复数字的两位数？

解答：

count = 0
for i in range(1, 9):
    for j in range(1, 9):
        if i != j:
            count += 1
print(count)  # 输出: 56

练习题2：字典操作

题目：字典内容如 Fdic = {'python': 95, 'java': 99, 'c': 100}，完成以下操作：

解答：

Fdic = {'python': 95, 'java': 99, 'c': 100}

# 1. 字典的长度是多少
print(len(Fdic))  # 输出: 3

# 2. 修改'java'这个key对应的value值为98
Fdic['java'] = 98

# 3. 删除'c'这个key
del Fdic['c']

# 4. 增加一个key-value对，key值为'php', value是90
Fdic['php'] = 90

# 5. 获取所有的key值，存储在列表里
keys_list = list(Fdic.keys())

# 6. 获取所有的value值，存储在列表里
values_list = list(Fdic.values())

# 7. 判断'javascript'是否在字典中
print('javascript' in Fdic)  # 输出: False

# 8. 获得字典里所有value的和
print(sum(Fdic.values()))  # 输出: 283

# 9. 获取字典里最大的value
print(max(Fdic.values()))  # 输出: 98

# 10. 获取字典里最小的value
print(min(Fdic.values()))  # 输出: 90

# 11. 字典dict = {'php': 97}, 将dict的数据更新到Fdic中
temp_dict = {'php': 97}
Fdic.update(temp_dict)

练习题3：学生名字录入

题目：录入学生的名字，如果名字存在则回复人名已存在，无法录入，直到输出空字符串，然后逆序输出。

解答：

students = {}
while True:
    name = input("请输入学生姓名（直接回车结束录入）: ").strip()
    if not name:
        break
    if name in students:
        print(f"{name}已存在，无法重复录入！")
    else:
        students[name] = True  # 值可以是任意内容，我们只关心键

# 逆序输出
for name in reversed(list(students.keys())):
    print(name)

练习题4：列表筛选

题目：写一个列表50个数，将列表中大于30的数据构成一个新的列表。

解答：

import random

# 生成50个随机数(0-100之间)
numbers = [random.randint(0, 100) for _ in range(50)]

# 筛选大于30的数
filtered = [x for x in numbers if x > 30]

print("原始列表:", numbers)
print("筛选后列表:", filtered)

练习题5：单词统计

题目：统计重复单词的次数：用户输入一个英文句子，打印出每个单词及其重复的次数。

解答：

sentence = input("请输入英文句子: ").strip()
words = sentence.split()

word_count = {}
for word in words:
    word_count[word] = word_count.get(word, 0) + 1

for word, count in word_count.items():
    print(f"{word} {count}")

示例输入输出：

输入：hello java hello python
输出：
hello 2
java 1
python 1

8. 总结

字典是Python中极其重要的数据结构，具有以下特点：

1. 键值对存储，查询速度快（O(1)时间复杂度）

2. 键必须唯一且不可变，值可以是任意类型

3. Python 3.7+保持插入顺序

4. 提供丰富的操作方法（增删改查）

5. 支持嵌套、推导式等高级用法

6. 适用于描述性数据和快速查找场景

掌握字典的使用可以大大提高Python编程效率和代码质量。建议多练习实际应用场景，加深对字典的理解。