常用数据结构之列表

在开始本节课的内容之前，我们先给大家一个编程任务，将一颗色子掷 6000 次，统计每种点数出现的次数。这个任务对大家来说应该是非常简单的，我们可以用 1 到 6 均匀分布的随机数来模拟掷色子，然后用 6 个变量分别记录每个点数出现的次数，相信通过前面的学习，大家都能比较顺利的写出下面的代码。

"""
将一颗色子掷6000次，统计每种点数出现的次数

Author: 骆昊
Version: 1.0
"""
import random

f1 = 0
f2 = 0
f3 = 0
f4 = 0
f5 = 0
f6 = 0
for _ in range(6000):
    face = random.randrange(1, 7)
    if face == 1:
        f1 += 1
    elif face == 2:
        f2 += 1
    elif face == 3:
        f3 += 1
    elif face == 4:
        f4 += 1
    elif face == 5:
        f5 += 1
    else:
        f6 += 1
print(f'1点出现了{f1}次')
print(f'2点出现了{f2}次')
print(f'3点出现了{f3}次')
print(f'4点出现了{f4}次')
print(f'5点出现了{f5}次')
print(f'6点出现了{f6}次')

上面的代码非常有多么“丑陋”相信就不用我多说了。当然，更为可怕的是，如果我们要掷两颗或者掷更多的色子，然后统计每种点数出现的次数，那就需要定义更多的变量，写更多的分支结构，大家想想都会感到恶心。讲到这里，相信大家心中已经有一个疑问了：有没有办法用一个变量来保存多个数据，有没有办法用统一的代码对多个数据进行操作？答案是肯定的，在 Python 语言中我们可以通过容器型变量来保存和操作多个数据，我们首先为大家介绍列表（list）这种新的数据类型。

创建列表

在 Python 中，列表是由一系元素按特定顺序构成的数据序列，这就意味着如果我们定义一个列表类型的变量，可以用它来保存多个数据。在 Python 中，可以使用[]字面量语法来定义列表，列表中的多个元素用逗号进行分隔，代码如下所示。

items1 = [35, 12, 99, 68, 55, 35, 87]
items2 = ['Python', 'Java', 'Go', 'Kotlin']
items3 = [100, 12.3, 'Python', True]
print(items1)  # [35, 12, 99, 68, 55, 35, 87]
print(items2)  # ['Python', 'Java', 'Go', 'Kotlin']
print(items3)  # [100, 12.3, 'Python', True]

说明：列表中可以有重复元素，例如items1中的35；列表中可以有不同类型的元素，例如items3中有int类型、float类型、str类型和bool类型的元素，但是我们通常并不建议将不同类型的元素放在同一个列表中，主要是操作起来极为不便。

我们可以使用type函数来查看变量的类型，有兴趣的小伙伴可以自行查看上面的变量items1到底是什么类型。因为列表可以保存多个元素，它是一种容器型的数据类型，所以我们在给列表类型的变量起名字时，变量名通常用复数形式的单词。

除此以外，还可以通过 Python 内置的list函数将其他序列变成列表。准确的说，list并不是一个普通的函数，它是创建列表对象的构造器，后面的课程会为大家介绍对象和构造器这些概念。

items4 = list(range(1, 10))
items5 = list('hello')
print(items4)  # [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
print(items5)  # ['h', 'e', 'l', 'l', 'o']

说明：range(1, 10)会产生1到9的整数序列，给到list构造器中，会创建出由1到9的整数构成的列表。字符串是字符构成的序列，上面的list('hello')用字符串hello的字符作为列表元素，创建了列表对象。

列表的运算

我们可以使用+运算符实现两个列表的拼接，拼接运算会将两个列表中的元素连接起来放到一个列表中，代码如下所示。

items5 = [35, 12, 99, 45, 66]
items6 = [45, 58, 29]
items7 = ['Python', 'Java', 'JavaScript']
print(items5 + items6)  # [35, 12, 99, 45, 66, 45, 58, 29]
print(items6 + items7)  # [45, 58, 29, 'Python', 'Java', 'JavaScript']
items5 += items6
print(items5)  # [35, 12, 99, 45, 66, 45, 58, 29]

我们可以使用*运算符实现列表的重复运算，*运算符会将列表元素重复指定的次数，我们在上面的代码中增加两行，如下所示。

print(items6 * 3)  # [45, 58, 29, 45, 58, 29, 45, 58, 29]
print(items7 * 2)  # ['Python', 'Java', 'JavaScript', 'Python', 'Java', 'JavaScript']

我们可以使用in或not in运算符判断一个元素在不在列表中，我们在上面的代码代码中再增加两行，如下所示。

print(29 in items6)  # True
print(99 in items6)  # False
print('C++' not in items7)     # True
print('Python' not in items7)  # False

由于列表中有多个元素，而且元素是按照特定顺序放在列表中的，所以当我们想操作列表中的某个元素时，可以使用[]运算符，通过在[]中指定元素的位置来访问该元素，这种运算称为索引运算。需要说明的是，[]的元素位置可以是0到N - 1的整数，也可以是-1到-N的整数，分别称为正向索引和反向索引，其中N代表列表元素的个数。对于正向索引，[0]可以访问列表中的第一个元素，[N - 1]可以访问最后一个元素；对于反向索引，[-1]可以访问列表中的最后一个元素，[-N]可以访问第一个元素，代码如下所示。

items8 = ['apple', 'waxberry', 'pitaya', 'peach', 'watermelon']
print(items8[0])   # apple
print(items8[2])   # pitaya
print(items8[4])   # watermelon
items8[2] = 'durian'
print(items8)      # ['apple', 'waxberry', 'durian', 'peach', 'watermelon']
print(items8[-5])  # 'apple'
print(items8[-4])  # 'waxberry'
print(items8[-1])  # watermelon
items8[-4] = 'strawberry'
print(items8)      # ['apple', 'strawberry', 'durian', 'peach', 'watermelon']

在使用索引运算的时候要避免出现索引越界的情况，对于上面的items8，如果我们访问items8[5]或items8[-6]，就会引发IndexError错误，导致程序崩溃，对应的错误信息是：list index out of range，翻译成中文就是“数组索引超出范围”。因为对于只有五个元素的列表items8，有效的正向索引是0到4，有效的反向索引是-1到-5。

如果希望一次性访问列表中的多个元素，我们可以使用切片运算。切片运算是形如[start:end:stride]的运算符，其中start代表访问列表元素的起始位置，end代表访问列表元素的终止位置（终止位置的元素无法访问），而stride则代表了跨度，简单的说就是位置的增量，比如我们访问的第一个元素在start位置，那么第二个元素就在start + stride位置，当然start + stride要小于end。我们给上面的代码增加下面的语句，来使用切片运算符访问列表元素。

print(items8[1:3:1])     # ['strawberry', 'durian']
print(items8[0:3:1])     # ['apple', 'strawberry', 'durian']
print(items8[0:5:2])     # ['apple', 'durian', 'watermelon']
print(items8[-4:-2:1])   # ['strawberry', 'durian']
print(items8[-2:-6:-1])  # ['peach', 'durian', 'strawberry', 'apple']

提醒：大家可以看看上面代码中的最后一行，想一想当跨度为负数时，切片运算是如何访问元素的。

如果start值等于0，那么在使用切片运算符时可以将其省略；如果end值等于N，N代表列表元素的个数，那么在使用切片运算符时可以将其省略；如果stride值等于1，那么在使用切片运算符时也可以将其省略。所以，下面的代码跟上面的代码作用完全相同。

print(items8[1:3])     # ['strawberry', 'durian']
print(items8[:3:1])    # ['apple', 'strawberry', 'durian']
print(items8[::2])     # ['apple', 'durian', 'watermelon']
print(items8[-4:-2])   # ['strawberry', 'durian']
print(items8[-2::-1])  # ['peach', 'durian', 'strawberry', 'apple']

事实上，我们还可以通过切片操作修改列表中的元素，例如我们给上面的代码再加上一行，大家可以看看这里的输出。

items8[1:3] = ['x', 'o']
print(items8)  # ['apple', 'x', 'o', 'peach', 'watermelon']

两个列表还可以做关系运算，我们可以比较两个列表是否相等，也可以给两个列表比大小，代码如下所示。

nums1 = [1, 2, 3, 4]
nums2 = list(range(1, 5))
nums3 = [3, 2, 1]
print(nums1 == nums2)  # True
print(nums1 != nums2)  # False
print(nums1 <= nums3)  # True
print(nums2 >= nums3)  # False

说明：上面的nums1和nums2对应元素完全相同，所以==运算的结果是True。nums2和nums3的比较，由于nums2的第一个元素1小于nums3的第一个元素3，所以nums2 >= nums3比较的结果是False。两个列表的关系运算在实际工作并不那么常用，如果实在不理解就跳过吧，不用纠结。

元素的遍历

如果想逐个取出列表中的元素，可以使用for-in循环的，有以下两种做法。

方法一：在循环结构中通过索引运算，遍历列表元素。

languages = ['Python', 'Java', 'C++', 'Kotlin']
for index in range(len(languages)):
    print(languages[index])

输出：

Python
Java
C++
Kotlin

说明：上面的len函数可以获取列表元素的个数N，而range(N)则构成了从0到N-1的范围，刚好可以作为列表元素的索引。

方法二：直接对列表做循环，循环变量就是列表元素的代表。

languages = ['Python', 'Java', 'C++', 'Kotlin']
for language in languages:
    print(language)

输出：

Python
Java
C++
Kotlin

总结

讲到这里，我们可以用列表的知识来重构上面“掷色子统计每种点数出现次数”的代码。

"""
将一颗色子掷6000次，统计每种点数出现的次数

Author: 骆昊
Version: 1.1
"""
import random

counters = [0] * 6
# 模拟掷色子记录每种点数出现的次数
for _ in range(6000):
    face = random.randrange(1, 7)
    counters[face - 1] += 1
# 输出每种点数出现的次数
for face in range(1, 7):
    print(f'{face}点出现了{counters[face - 1]}次')

上面的代码中，我们用counters列表中的六个元素分别表示 1 到 6 点出现的次数，最开始的时候六个元素的值都是 0。接下来，我们用 1 到 6 均匀分布的随机数模拟掷色子，如果摇出 1 点，counters[0]的值加 1，如果摇出 2 点，counters[1]的值加 1，以此类推。大家感受一下，由于使用了列表类型加上循环结构，我们对数据的处理是批量性的，这就使得修改后的代码比之前的代码要简单优雅得多。

列表的方法

列表类型的变量拥有很多方法可以帮助我们操作一个列表，假设我们有名为foos的列表，列表有名为bar的方法，那么使用列表方法的语法是：foos.bar()，这是一种通过对象引用调用对象方法的语法。后面我们讲面向对象编程的时候，还会对这种语法进行详细的讲解，这种语法也称为给对象发消息。

添加和删除元素

列表是一种可变容器，可变容器指的是我们可以向容器中添加元素、可以从容器移除元素，也可以修改现有容器中的元素。我们可以使用列表的append方法向列表中追加元素，使用insert方法向列表中插入元素。追加指的是将元素添加到列表的末尾，而插入则是在指定的位置添加新元素，大家可以看看下面的代码。

languages = ['Python', 'Java', 'C++']
languages.append('JavaScript')
print(languages)  # ['Python', 'Java', 'C++', 'JavaScript']
languages.insert(1, 'SQL')
print(languages)  # ['Python', 'SQL', 'Java', 'C++', 'JavaScript']

我们可以用列表的remove方法从列表中删除指定元素，需要注意的是，如果要删除的元素并不在列表中，会引发ValueError错误导致程序崩溃，所以建议大家在删除元素时，先用之前讲过的成员运算做一个判断。我们还可以使用pop方法从列表中删除元素，pop方法默认删除列表中的最后一个元素，当然也可以给一个位置，删除指定位置的元素。在使用pop方法删除元素时，如果索引的值超出了范围，会引发IndexError异常，导致程序崩溃。除此之外，列表还有一个clear方法，可以清空列表中的元素，代码如下所示。

languages = ['Python', 'SQL', 'Java', 'C++', 'JavaScript']
if 'Java' in languages:
    languages.remove('Java')
if 'Swift' in languages:
    languages.remove('Swift')
print(languages)  # ['Python', 'SQL', C++', 'JavaScript']
languages.pop()
temp = languages.pop(1)
print(temp)       # SQL
languages.append(temp)
print(languages)  # ['Python', C++', 'SQL']
languages.clear()
print(languages)  # []

说明：pop方法删除元素时会得到被删除的元素，上面的代码中，我们将pop方法删除的元素赋值给了名为temp的变量。当然如果你愿意，还可以把这个元素再次加入到列表中，正如上面的代码languages.append(temp)所做的那样。

这里还有一个小问题，例如languages列表中有多个'Python'，那么我们用languages.remove('Python')是删除所有的'Python'，还是删除第一个'Python'，大家可以先猜一猜，然后再自己动手尝试一下。

从列表中删除元素其实还有一种方式，就是使用 Python 中的del关键字后面跟要删除的元素，这种做法跟使用pop方法指定索引删除元素没有实质性的区别，但后者会返回删除的元素，前者在性能上略优，因为del对应的底层字节码指令是DELETE_SUBSCR，而pop对应的底层字节码指令是CALL_METHOD和POP_TOP，如果不理解就不用管它了。

items = ['Python', 'Java', 'C++']
del items[1]
print(items)  # ['Python', 'C++']

元素位置和频次

列表的index方法可以查找某个元素在列表中的索引位置，如果找不到指定的元素，index方法会引发ValueError错误；列表的count方法可以统计一个元素在列表中出现的次数，代码如下所示。

items = ['Python', 'Java', 'Java', 'C++', 'Kotlin', 'Python']
print(items.index('Python'))     # 0
# 从索引位置1开始查找'Python'
print(items.index('Python', 1))  # 5
print(items.count('Python'))     # 2
print(items.count('Kotlin'))     # 1
print(items.count('Swfit'))      # 0
# 从索引位置3开始查找'Java'
print(items.index('Java', 3))    # ValueError: 'Java' is not in list

元素排序和反转

列表的sort操作可以实现列表元素的排序，而reverse操作可以实现元素的反转，代码如下所示。

items = ['Python', 'Java', 'C++', 'Kotlin', 'Swift']
items.sort()
print(items)  # ['C++', 'Java', 'Kotlin', 'Python', 'Swift']
items.reverse()
print(items)  # ['Swift', 'Python', 'Kotlin', 'Java', 'C++']

列表生成式

在 Python 中，列表还可以通过一种特殊的字面量语法来创建，这种语法叫做生成式。下面，我们通过例子来说明使用列表生成式创建列表到底有什么好处。

场景一：创建一个取值范围在1到99且能被3或者5整除的数字构成的列表。

items = []
for i in range(1, 100):
    if i % 3 == 0 or i % 5 == 0:
        items.append(i)
print(items)

使用列表生成式做同样的事情，代码如下所示。

items = [i for i in range(1, 100) if i % 3 == 0 or i % 5 == 0]
print(items)

场景二：有一个整数列表nums1，创建一个新的列表nums2，nums2中的元素是nums1中对应元素的平方。

nums1 = [35, 12, 97, 64, 55]
nums2 = []
for num in nums1:
    nums2.append(num ** 2)
print(nums2)

使用列表生成式做同样的事情，代码如下所示。

nums1 = [35, 12, 97, 64, 55]
nums2 = [num ** 2 for num in nums1]
print(nums2)

场景三： 有一个整数列表nums1，创建一个新的列表nums2，将nums1中大于50的元素放到nums2中。

nums1 = [35, 12, 97, 64, 55]
nums2 = []
for num in nums1:
    if num > 50:
        nums2.append(num)
print(nums2)

使用列表生成式做同样的事情，代码如下所示。

nums1 = [35, 12, 97, 64, 55]
nums2 = [num for num in nums1 if num > 50]
print(nums2)

使用列表生成式创建列表不仅代码简单优雅，而且性能上也优于使用for-in循环和append方法向空列表中追加元素的方式。为什么说生成式有更好的性能呢，那是因为 Python 解释器的字节码指令中有专门针对生成式的指令（LIST_APPEND指令）；而for循环是通过方法调用（LOAD_METHOD和CALL_METHOD指令）的方式为列表添加元素，方法调用本身就是一个相对比较耗时的操作。对这一点不理解也没有关系，记住“强烈建议用生成式语法来创建列表”这个结论就可以了。

嵌套列表

Python 语言没有限定列表中的元素必须是相同的数据类型，也就是说一个列表中的元素可以任意的数据类型，当然也包括列表本身。如果列表中的元素也是列表，那么我们可以称之为嵌套的列表。嵌套的列表可以用来表示表格或数学上的矩阵，例如：我们想保存5个学生3门课程的成绩，可以用如下所示的列表。

scores = [[95, 83, 92], [80, 75, 82], [92, 97, 90], [80, 78, 69], [65, 66, 89]]
print(scores[0])
print(scores[0][1])

对于上面的嵌套列表，每个元素相当于就是一个学生3门课程的成绩，例如[95, 83, 92]，而这个列表中的83代表了这个学生某一门课的成绩，如果想访问这个值，可以使用两次索引运算scores[0][1]，其中scores[0]可以得到[95, 83, 92]这个列表，再次使用索引运算[1]就可以获得该列表中的第二个元素。

如果想通过键盘输入的方式来录入5个学生3门课程的成绩并保存在列表中，可以使用如下所示的代码。

scores = []
for _ in range(5):
    temp = []
    for _ in range(3):
        score = int(input('请输入: '))
        temp.append(score)
    scores.append(temp)
print(scores)

如果想通过产生随机数的方式来生成5个学生3门课程的成绩并保存在列表中，我们可以使用列表生成式，代码如下所示。

import random

scores = [[random.randrange(60, 101) for _ in range(3)] for _ in range(5)]
print(scores)

说明：上面的代码[random.randrange(60, 101) for _ in range(3)] 可以产生由3个随机整数构成的列表，我们把这段代码又放在了另一个列表生成式中作为列表的元素，这样的元素一共生成5个，最终得到了一个嵌套列表。

列表的应用

下面我们通过一个双色球随机选号的例子为大家讲解列表的应用。双色球是由中国福利彩票发行管理中心发售的乐透型彩票，每注投注号码由6个红色球和1个蓝色球组成。红色球号码从1到33中选择，蓝色球号码从1到16中选择。每注需要选择6个红色球号码和1个蓝色球号码，如下所示。

提示：知乎上有一段对国内各种形式的彩票本质的论述相当精彩，这里分享给大家：“虚构一个不劳而获的人，去忽悠一群想不劳而获的人，最终养活一批真正不劳而获的人”。很多对概率没有概念的人，甚至认为彩票中与不中的概率都是 50%；还有很多人认为如果中奖的概率是 1%，那么买 100 次就一定可以中奖，这些都是非常荒唐的想法。所以，珍爱生命，远离赌博，尤其是你对概率一无所知的情况下！

下面，我们通过 Python 程序来生成一组随机号码。

"""
双色球随机选号程序

Author: 骆昊
Version: 1.0
"""
import random

red_balls = list(range(1, 34))
selected_balls = []
# 添加6个红色球到选中列表
for _ in range(6):
    # 生成随机整数代表选中的红色球的索引位置
    index = random.randrange(len(red_balls))
    # 将选中的球从红色球列表中移除并添加到选中列表
    selected_balls.append(red_balls.pop(index))
# 对选中的红色球排序
selected_balls.sort()
# 输出选中的红色球
for ball in selected_balls:
    print(f'\033[031m{ball:0>2d}\033[0m', end=' ')
# 随机选择1个蓝色球
blue_ball = random.randrange(1, 17)
# 输出选中的蓝色球
print(f'\033[034m{blue_ball:0>2d}\033[0m')

说明：上面代码中print(f'\033[0m...\033[0m')是为了控制输出内容的颜色，红色球输出成红色，蓝色球输出成蓝色。其中省略号代表我们要输出的内容，\033[0m是一个控制码，表示关闭所有属性，也就是说之前的控制码将会失效，你也可以将其简单的理解为一个定界符，m前面的0表示控制台的显示方式为默认值，0可以省略，1表示高亮，5表示闪烁，7表示反显等。在0和m的中间，我们可以写上代表颜色的数字，比如30代表黑色，31代表红色，32代表绿色，33代表黄色，34代表蓝色等。

我们还可以利用random模块提供的sample和choice函数来简化上面的代码，前者可以实现无放回随机抽样，后者可以实现随机抽取一个元素，修改后的代码如下所示。

"""
双色球随机选号程序

Author: 骆昊
Version: 1.1
"""
import random

red_balls = [i for i in range(1, 34)]
blue_balls = [i for i in range(1, 17)]
# 从红色球列表中随机抽出6个红色球（无放回抽样）
selected_balls = random.sample(red_balls, 6)
# 对选中的红色球排序
selected_balls.sort()
# 输出选中的红色球
for ball in selected_balls:
    print(f'\033[031m{ball:0>2d}\033[0m', end=' ')
# 从蓝色球列表中随机抽出1个蓝色球
blue_ball = random.choice(blue_balls)
# 输出选中的蓝色球
print(f'\033[034m{blue_ball:0>2d}\033[0m')

如果要实现随机生成N注号码，我们只需要将上面的代码放到一个N次的循环中，如下所示。

"""
双色球随机选号程序

Author: 骆昊
Version: 1.2
"""
import random

n = int(input('生成几注号码: '))
red_balls = [i for i in range(1, 34)]
blue_balls = [i for i in range(1, 17)]
for _ in range(n):
    # 从红色球列表中随机抽出6个红色球（无放回抽样）
    selected_balls = random.sample(red_balls, 6)
    # 对选中的红色球排序
    selected_balls.sort()
    # 输出选中的红色球
    for ball in selected_balls:
        print(f'\033[031m{ball:0>2d}\033[0m', end=' ')
    # 从蓝色球列表中随机抽出1个蓝色球
    blue_ball = random.choice(blue_balls)
    # 输出选中的蓝色球
    print(f'\033[034m{blue_ball:0>2d}\033[0m')

我们在 PyCharm 中运行上面的代码，输入5，运行效果如下图所示。

这里顺便给大家介绍一个名为 rich 的 Python 三方库，它可以帮助我们用最简单的方式产生最漂亮的输出，你可以在终端中使用 Python 包管理工具 pip 来安装这个三方库，对于使用 PyCharm 的用户，当然要在 PyCharm 的终端窗口使用 pip 命令将 rich 安装到项目的虚拟环境中，命令如下所示。

pip install rich

如上图所示，rich 安装成功后，我们可以用如下所示的代码来控制输出。

"""
双色球随机选号程序

Author: 骆昊
Version: 1.3
"""
import random

from rich.console import Console
from rich.table import Table

# 创建控制台
console = Console()

n = int(input('生成几注号码: '))
red_balls = [i for i in range(1, 34)]
blue_balls = [i for i in range(1, 17)]

# 创建表格并添加表头
table = Table(show_header=True)
for col_name in ('序号', '红球', '蓝球'):
    table.add_column(col_name, justify='center')

for i in range(n):
    selected_balls = random.sample(red_balls, 6)
    selected_balls.sort()
    blue_ball = random.choice(blue_balls)
    # 向表格中添加行（序号，红色球，蓝色球）
    table.add_row(
        str(i + 1),
        f'[red]{" ".join([f"{ball:0>2d}" for ball in selected_balls])}[/red]',
        f'[blue]{blue_ball:0>2d}[/blue]'
    )

# 通过控制台输出表格
console.print(table)

说明：上面代码第 31 行使用了列表生成式语法将红色球号码处理成字符串并保存在一个列表中，" ".join([...])是将列表中的多个字符串用空格拼接成一个完整的字符串，如果不理解可以先放放。字符串中的[red]...[/red]用来设置输出颜色为红色，第 32 行的[blue]...[/blue]用来设置输出颜色为蓝色。更多关于 rich 库的知识，可以参考官方文档。

最终的输出如下图所示，看着这样的输出，是不是心情更美好了一些。

总结

Python 中的列表底层是一个可以动态扩容的数组，列表元素在计算机内存中是连续存储的，所以可以实现随机访问（通过一个有效的索引获取对应的元素且操作时间与列表元素个数无关）。我们可以暂时不去触碰这些底层的存储细节，也不需要大家理解列表每个方法的渐近时间复杂度（执行方法耗费的时间跟列表元素个数之间的关系），大家先学会用列表解决工作中的问题，我想这一点更为重要。