Python進階：切片的誤區與進階用法

2018-12-31 更新聲明：切片系列文章本是分三篇寫成，現已合并成一篇。合并後，修正了一些嚴重的錯誤（如自定義序列切片的部分），還對行文結構與章節銜接做了大量改動。原系列的單篇就不删除了，畢竟也是有單獨成篇的作用。特此聲明，請閱讀改進版—— Python進階：全面解讀進階特性之切片！https://mp.weixin.qq.com/s/IRAjR-KHZBPEEkdiofseGQ

衆所周知，我們可以通過索引值（或稱下标）來查找序列類型（如字元串、清單、元組...）中的單個元素，那麼，如果要擷取一個索引區間的元素該怎麼辦呢？

切片（slice）就是一種截取索引片段的技術，借助切片技術，我們可以十分靈活地處理序列類型的對象。通常來說，切片的作用就是截取序列對象，然而，它還有一些使用誤區與進階用法，都值得我們注意。是以，本文将主要跟大家一起來探讨這些内容，希望你能學有所獲。

事先聲明，切片并非清單的專屬操作，但因為清單最具有代表性，是以，本文僅以清單為例作探讨。

1、切片的基礎用法

清單是 Python 中極為基礎且重要的一種資料結構，我曾寫過一篇彙總文章（連結見文末）較全面地學習過它。文中詳細地總結了切片的基礎用法，現在回顧一下：

切片的書寫形式：[i : i+n : m] ；其中，i 是切片的起始索引值，為清單首位時可省略；i+n 是切片的結束位置，為清單末位時可省略；m 可以不提供，預設值是1，不允許為0 ，當m為負數時，清單翻轉。注意：這些值都可以大于清單長度，不會報越界。

切片的基本含義是：從序列的第i位索引起，向右取到後n位元素為止，按m間隔過濾 。

li = [1, 4, 5, 6, 7, 9, 11, 14, 16]
  ​
  # 以下寫法都可以表示整個清單，其中 X >= len(li)
  li[0:X] == li[0:] == li[:X] == li[:] == li[::] == li[-X:X] == li[-X:]
  ​
  li[1:5] == [4,5,6,7] # 從1起，取5-1位元素
  li[1:5:2] == [4,6] # 從1起，取5-1位元素，按2間隔過濾
  li[-1:] == [16] # 取倒數第一個元素
  li[-4:-2] == [9, 11] # 從倒數第四起，取-2-(-4)=2位元素
  li[:-2] == li[-len(li):-2] == [1,4,5,6,7,9,11] # 從頭開始，取-2-(-len(li))=7位元素
  ​
  # 步長為負數時，清單先翻轉，再截取
  li[::-1] == [16,14,11,9,7,6,5,4,1] # 翻轉整個清單
  li[::-2] == [16,11,7,5,1] # 翻轉整個清單，再按2間隔過濾
  li[:-5:-1] == [16,14,11,9] # 翻轉整個清單，取-5-(-len(li))=4位元素
  li[:-5:-3] == [16,9] # 翻轉整個清單，取-5-(-len(li))=4位元素，再按3間隔過濾
  ​
  # 切片的步長不可以為0
  li[::0]  # 報錯（ValueError: slice step cannot be zero）      

上述的某些例子對于初學者（甚至很多老手）來說，可能還不好了解。我個人總結出兩條經驗：（1）牢牢記住公式

[i : i+n : m]

，當出現預設值時，通過想象把公式補全；（2）索引為負且步長為正時，按倒數計算索引位置；索引為負且步長為負時，先翻轉清單，再按倒數計算索引位置。

2、切片是僞獨立對象

切片操作的傳回結果是一個新的獨立的序列（PS：也有例外，參見《Python是否支援複制字元串呢？》）。以清單為例，清單切片後得到的還是一個清單，占用新的記憶體位址。

當取出切片的結果時，它是一個獨立對象，是以，可以将其用于指派操作，也可以用于其它傳遞值的場景。但是，切片隻是淺拷貝，它拷貝的是原清單中元素的引用，是以，當存在變長對象的元素時，新清單将受制于原清單。

li = [1, 2, 3, 4]
  ls = li[::]
  ​
  li == ls # True
  id(li) == id(ls) # False
  li.append(li[2:4]) # [1, 2, 3, 4, [3, 4]]
  ls.extend(ls[2:4]) # [1, 2, 3, 4, 3, 4]
  ​
  # 下例等價于判斷li長度是否大于8
  if(li[8:]):
      print("not empty")
  else:
      print("empty")
  ​
  # 切片清單受制于原清單
  lo = [1,[1,1],2,3]
  lp = lo[:2] # [1, [1, 1]]
  lo[1].append(1) # [1, [1, 1, 1], 2, 3]
  lp # [1, [1, 1, 1]]      

由于可見，将切片結果取出，它可以作為獨立對象使用，但是也要注意，是否取出了變長對象的元素。

3、切片可作為占位符

切片既可以作為獨立對象被“取出”原序列，也可以留在原序列，作為一種占位符使用。

在寫《詳解Python拼接字元串的七種方式》的時候，我介紹了幾種拼接字元串的方法，其中三種格式化類的拼接方法（即 %、format()、template）就是使用了占位符的思想。對于清單來說，使用切片作為占位符，同樣能夠實作拼接清單的效果。特别需要注意的是，給切片指派的必須是可疊代對象。

li = [1, 2, 3, 4]
  ​
  # 在頭部拼接
  li[:0] = [0] # [0, 1, 2, 3, 4]
  # 在末尾拼接
  li[len(li):] = [5,7] # [0, 1, 2, 3, 4, 5, 7]
  # 在中部拼接
  li[6:6] = [6] # [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
  ​
  # 給切片指派的必須是可疊代對象
  li[-1:-1] = 6 # （報錯，TypeError: can only assign an iterable）
  li[:0] = (9,) #  [9, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
  li[:0] = range(3) #  [0, 1, 2, 9, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]      

上述例子中，若将切片作為獨立對象取出，那你會發現它們都是空清單，即

li[:0]==li[len(li):]==li[6:6]==[]

，我将這種占位符稱為“純占位符”，對純占位符指派，并不會破壞原有的元素，隻會在特定的索引位置中拼接進新的元素。删除純占位符時，也不會影響清單中的元素。

與“純占位符”相對應，“非純占位符”的切片是非空清單，對它進行操作（指派與删除），将會影響原始清單。如果說純占位符可以實作清單的拼接，那麼，非純占位符可以實作清單的替換。

li = [1, 2, 3, 4]
  ​
  # 不同位置的替換
  li[:3] = [7,8,9] # [7, 8, 9, 4]
  li[3:] = [5,6,7] # [7, 8, 9, 5, 6, 7]
  li[2:4] = ['a','b'] # [7, 8, 'a', 'b', 6, 7]
  ​
  # 非等長替換
  li[2:4] = [1,2,3,4] # [7, 8, 1, 2, 3, 4, 6, 7]
  li[2:6] = ['a']  # [7, 8, 'a', 6, 7]
  ​
  # 删除元素
  del li[2:3] # [7, 8, 6, 7]      

切片占位符可以帶步長，進而實作連續跨越性的替換或删除效果。需要注意的是，這種用法隻支援等長替換。

li = [1, 2, 3, 4, 5, 6]
  ​
  li[::2] = ['a','b','c'] # ['a', 2, 'b', 4, 'c', 6]
  li[::2] = [0]*3 # [0, 2, 0, 4, 0, 6]
  li[::2] = ['w'] # 報錯，attempt to assign sequence of size 1 to extended slice of size 3
  ​
  del li[::2] # [2, 4, 6]      

4、更多思考

其它程式設計語言是否有類似于 Python 的切片操作呢？有什麼差異？

我在交流群裡問了這個問題，小夥伴們紛紛說 Java、Go、Ruby......在檢視相關資料的時候，我發現 Go 語言的切片是挺奇怪的設計。首先，它是一種特殊類型，即對數組（array）做切片後，得到的竟然不是一個數組；其次，你可以建立和初始化一個切片，需要聲明長度（len）和容量（cap）；再者，它還存在超出底層數組的界限而需要進行擴容的動态機制，這倒是跟 Python 清單的超額配置設定機制有一定相似性......

在我看來，無論是用意，還是寫法和用法，都是 Python 的切片操作更明了與好用。是以，本文就不再進行跨程式設計語言的比較了（唔，好吧我承認，其實是我不怎麼懂其它程式設計語言......）

最後，還有一個問題：Python 的切片操作有什麼底層原理呢？ 我們是否可以自定義切片操作呢？限于篇幅，我将在下次推文中跟大家一起學習，敬請期待。

延伸閱讀 ：

超強彙總：學習Python清單，隻需這篇文章就夠了

詳解Python拼接字元串的七種方式

Python是否支援複制字元串呢？

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