04 数据结构

📋 资料说明

来源：课程 day03~day04
笔记：尚硅谷大模型技术之Python1.0.docx 第 5 章"数据结构"
每日一考：day03_每日一考.md、day04_每日一考.md
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🟢 🤖 AI 替代率：98%

为什么是这个水平：

Python 内建数据结构的 API（增删改查方法）是确定性知识。AI 对 list.append()、dict.get()、set.union() 等方法的参数、返回值和副作用的描述准确率极高。唯一的 2% 不确定性在于：深拷贝/浅拷贝涉及的内存模型理解——但这一对比差异已在函数章节中讨论。

👤 人工干预率：2%

极低。建议了解不同数据结构的选型原则（什么场景用列表、什么场景用字典、什么时候用集合），这在实际项目中比记住所有 API 更重要。AI 可以帮你写代码，但你要告诉 AI 用什么数据结构。

1. 列表 (list)

Python 列表是可变、有序、可重复的序列。

创建与访问

python

# 创建
empty = []
numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
mixed = [1, "hello", 3.14, True]
nested = [[1, 2], [3, 4]]   # 嵌套列表

# 索引（从 0 开始）
print(numbers[0])       # 1
print(numbers[-1])      # 5 （负数索引从右开始）
print(numbers[-2])      # 4

# 切片 [start:stop:step]
print(numbers[1:3])     # [2, 3]
print(numbers[:3])      # [1, 2, 3]
print(numbers[::2])     # [1, 3, 5]
print(numbers[::-1])    # [5, 4, 3, 2, 1]（反转）

常用操作

python

fruits = ["苹果", "香蕉"]

# 增
fruits.append("橘子")           # 末尾添加
fruits.insert(1, "葡萄")        # 指定位置插入
fruits.extend(["西瓜", "芒果"]) # 合并列表

# 删
fruits.remove("香蕉")           # 删除指定元素（第一个匹配项）
popped = fruits.pop()           # 删除并返回最后一个
popped = fruits.pop(1)          # 删除并返回索引为 1 的元素
fruits.clear()                  # 清空所有元素

# 改
fruits[0] = "草莓"              # 修改指定位置元素

# 查
print("苹果" in fruits)         # True（成员判断）
print(fruits.index("香蕉"))     # 查找索引（不存在抛出 ValueError）
print(fruits.count("苹果"))     # 统计出现次数

列表排序

python

numbers = [3, 1, 4, 1, 5, 9, 2]

# 原地排序（修改原列表）
numbers.sort()          # [1, 1, 2, 3, 4, 5, 9]
numbers.sort(reverse=True)  # [9, 5, 4, 3, 2, 1, 1]

# 返回新列表
sorted_numbers = sorted(numbers)

# 自定义排序
words = ["banana", "apple", "cherry"]
words.sort(key=len)     # 按字符串长度排序

列表推导式

python

# [表达式 for 变量 in 可迭代对象 if 条件]

# 基本
squares = [x**2 for x in range(10)]
# [0, 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 81]

# 带条件
evens = [x for x in range(20) if x % 2 == 0]
# [0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18]

# 嵌套循环
pairs = [(x, y) for x in [1, 2] for y in [3, 4]]
# [(1, 3), (1, 4), (2, 3), (2, 4)]

# 条件表达式
labels = ["偶数" if x % 2 == 0 else "奇数" for x in range(5)]
# ['偶数', '奇数', '偶数', '奇数', '偶数']

常用函数

python

numbers = [3, 1, 4, 1, 5]

print(len(numbers))     # 5（长度）
print(sum(numbers))     # 14（总和）
print(max(numbers))     # 5（最大值）
print(min(numbers))     # 1（最小值）

2. 字符串 (str)

字符串是不可变序列。

常用操作

python

s = "Hello, Python World"

# 大小写
print(s.upper())              # HELLO, PYTHON WORLD
print(s.lower())              # hello, python world
print(s.capitalize())         # Hello, python world
print(s.title())              # Hello, Python World

# 查找
print(s.find("Python"))       # 7（索引位置，-1 表示未找到）
print(s.index("Python"))      # 7（不存在抛出 ValueError）
print(s.count("o"))           # 3（出现次数）
print(s.startswith("Hello"))  # True
print(s.endswith("World"))    # True

# 替换
print(s.replace("Python", "Java"))  # Hello, Java World

# 分割与连接
words = s.split()                   # ['Hello,', 'Python', 'World']
print(words)
print(", ".join(words))             # Hello,, Python, World

# 去除空白
s2 = "  hello  "
print(s2.strip())           # "hello"
print(s2.lstrip())          # "hello  "
print(s2.rstrip())          # "  hello"

# 判断
print("123".isdigit())      # True
print("abc".isalpha())      # True
print("abc123".isalnum())   # True

# 字符串格式化（详见 02 章）
name = "Alice"
age = 25
print(f"{name} is {age} years old")

注意事项：字符串是不可变对象，所有"修改"操作都返回新字符串，原字符串不变。

3. 元组 (tuple)

元组是不可变、有序、可重复的序列。

python

# 创建
empty = ()
single = (1,)       # 注意逗号，不加逗号是整数
numbers = (1, 2, 3, 4, 5)
mixed = (1, "hello", 3.14)

# 访问（与列表相同）
print(numbers[0])       # 1
print(numbers[1:3])     # (2, 3)

# 元组是不可变的，不能修改元素
# numbers[0] = 10       # ❌ TypeError

# 元组解包
a, b, c = (1, 2, 3)
print(a, b, c)          # 1 2 3

# 交换变量（本质是元组解包）
x, y = 10, 20
x, y = y, x
print(x, y)             # 20 10

什么时候用元组？
数据不应被修改（如坐标、数据库记录）
作为字典的键（列表不能做键）
函数返回多个值（实际上返回的就是元组）

4. 集合 (set)

集合是可变、无序、不重复的元素集合。

python

# 创建
empty = set()           # 注意：{} 是空字典
numbers = {1, 2, 3, 3, 2, 1}   # {1, 2, 3}（自动去重）
from_list = set([1, 2, 3, 3])  # {1, 2, 3}

# 增
numbers.add(4)
numbers.update([5, 6, 7])   # 批量添加

# 删
numbers.remove(3)           # 删除指定元素（不存在抛出 KeyError）
numbers.discard(3)          # 删除指定元素（不存在不报错）
numbers.pop()               # 随机删除并返回一个元素
numbers.clear()             # 清空

# 集合运算
a = {1, 2, 3, 4}
b = {3, 4, 5, 6}

print(a | b)    # 并集: {1, 2, 3, 4, 5, 6}
print(a & b)    # 交集: {3, 4}
print(a - b)    # 差集: {1, 2}
print(a ^ b)    # 对称差: {1, 2, 5, 6}

# 判断
print(1 in a)           # True
print(a.issubset(b))    # False（a 是否是 b 的子集）

什么时候用集合？
去重
快速成员检查（in 操作时间复杂度 O(1)，列表是 O(n)）
数学集合运算

5. 字典 (dict)

字典是键值对的无序集合（Python 3.7+ 保持插入顺序）。

python

# 创建
empty = {}
student = {
    "name": "Alice",
    "age": 25,
    "scores": [90, 85, 92]
}

# 访问
print(student["name"])      # Alice（键不存在抛出 KeyError）
print(student.get("name"))  # Alice（键不存在返回 None）
print(student.get("gender", "未知"))  # "未知"（指定默认值）

# 增/改
student["gender"] = "女"         # 键不存在则新增
student["age"] = 26              # 键存在则修改
student.update({"phone": "123", "email": "a@b.com"})  # 批量更新

# 删
del student["phone"]             # 删除指定键
age = student.pop("age")         # 删除并返回对应值
student.clear()                  # 清空

# 遍历
for key in student:
    print(key, student[key])

for key, value in student.items():
    print(key, value)

for key in student.keys():
    print(key)

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

# 字典推导式
squares = {x: x**2 for x in range(5)}
# {0: 0, 1: 1, 2: 4, 3: 9, 4: 4}

键的要求：键必须是不可变类型（字符串、数字、元组）。列表和字典不能做键。

defaultdict 和 Counter

python

from collections import defaultdict, Counter

# defaultdict：键不存在时自动创建默认值
word_count = defaultdict(int)
for word in ["a", "b", "a", "c", "b", "a"]:
    word_count[word] += 1
print(dict(word_count))  # {'a': 3, 'b': 2, 'c': 1}

# Counter：计数更简单
counter = Counter(["a", "b", "a", "c", "b", "a"])
print(counter)           # Counter({'a': 3, 'b': 2, 'c': 1})
print(counter.most_common(2))  # [('a', 3), ('b', 2)]

数据结构选型指南

场景	推荐结构	原因
有序存储、可重复	列表	最通用的序列
需要快速去重	集合	O(1) 查找
键值对映射	字典	通过键快速取值
只读数据、可哈希	元组	不可变、可作字典键
文本处理	字符串	丰富的 API

6. 练习题

练习 1：列表操作

现有列表 my_list = [10, 20, 30, 40, 50]：

向末尾添加 60
取出索引为 2 的元素
计算所有元素的和

练习 2：字典操作

既有学生成绩字典：

python

students = {
    "Alice": {"Math": 85, "English": 90, "Science": 78},
    "Bob": {"Math": 92, "English": 88, "Science": 95},
    "Charlie": {"Math": 70, "English": 75, "Science": 80}
}

计算每个学生的平均分。

练习 3：去重

给定 [1, 2, 2, 3, 4, 3, 5]，去重后排序输出。

练习 4：列表推导式

使用推导式生成 1~100 中所有能被 3 或 5 整除的数字。

参考答案

练习 1：

python

my_list = [10, 20, 30, 40, 50]
my_list.append(60)
element = my_list[2]
total = sum(my_list)
print(element, total)  # 30 210

练习 2：

python

for name, scores in students.items():
    avg = sum(scores.values()) / len(scores)
    print(f"{name}: {avg:.1f}")
# Alice: 84.3, Bob: 91.7, Charlie: 75.0

练习 3：

python

nums = [1, 2, 2, 3, 4, 3, 5]
print(sorted(set(nums)))  # [1, 2, 3, 4, 5]

练习 4：

python

result = [x for x in range(1, 101) if x % 3 == 0 or x % 5 == 0]
print(result[:20])  # 前 20 个

04 数据结构 ​

📋 资料说明 ​

🟢 🤖 AI 替代率：98% ​

👤 人工干预率：2% ​

1. 列表 (list) ​

创建与访问 ​

常用操作 ​

列表排序 ​

列表推导式 ​

常用函数 ​

2. 字符串 (str) ​

常用操作 ​

3. 元组 (tuple) ​

4. 集合 (set) ​

5. 字典 (dict) ​

defaultdict 和 Counter ​

数据结构选型指南 ​

6. 练习题 ​

练习 1：列表操作 ​

练习 2：字典操作 ​

练习 3：去重 ​

练习 4：列表推导式 ​

04 数据结构

📋 资料说明

🟢 🤖 AI 替代率：98%

👤 人工干预率：2%

1. 列表 (list)

创建与访问

常用操作

列表排序

列表推导式

常用函数

2. 字符串 (str)

常用操作

3. 元组 (tuple)

4. 集合 (set)

5. 字典 (dict)

defaultdict 和 Counter

数据结构选型指南

6. 练习题

练习 1：列表操作

练习 2：字典操作

练习 3：去重

练习 4：列表推导式