Python 数据类型详解 - 深度教程

目录

• 数据类型概述
• 数字类型
• 字符串详解
• 列表（List）
• 元组（Tuple）
• 字典（Dictionary）
• 集合（Set）
• 布尔类型
• None 类型
• 类型转换

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数据类型概述

Python 的类型系统

# Python 是动态类型语言
x = 5        # int
x = "hello"  # str (可以改变类型)

# 但同时是强类型语言
print("5" + 5)  # TypeError: 不会自动转换

# 查看类型
type(5)          # <class 'int'>
type("hello")    # <class 'str'>
type([1, 2, 3])  # <class 'list'>

# isinstance 检查
isinstance(5, int)                  # True
isinstance("hello", str)            # True
isinstance([1, 2], (list, tuple))   # True

内置数据类型分类

数字类型：int, float, complex
序列类型：list, tuple, range, str
映射类型：dict
集合类型：set, frozenset
布尔类型：bool
二进制类型：bytes, bytearray, memoryview
空类型：NoneType

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数字类型

整数（int）

# Python 3 的 int 没有大小限制
x = 1234567890123456789012345678901234567890
print(x)  # 正常工作

# 不同进制表示
binary = 0b1010      # 二进制（10）
octal = 0o12         # 八进制（10）
hexadecimal = 0x0A   # 十六进制（10）
decimal = 10         # 十进制

# 进制转换
num = 255
bin(num)   # '0b11111111'
oct(num)   # '0o377'
hex(num)   # '0xff'

# 从字符串转换
int('1010', 2)   # 10 (从二进制)
int('12', 8)     # 10 (从八进制)
int('A', 16)     # 10 (从十六进制)

# 数字分隔符（Python 3.6+）
million = 1_000_000
binary = 0b_1111_0000
hex_num = 0x_FF_FF

# 数学运算
print(10 / 3)    # 3.3333...
print(10 // 3)   # 3 (整除)
print(10 % 3)    # 1 (取余)
print(divmod(10, 3))  # (3, 1) (商和余数)

# 位运算
print(5 & 3)     # 1 (AND)
print(5 | 3)     # 7 (OR)
print(5 ^ 3)     # 6 (XOR)
print(~5)        # -6 (NOT)
print(5 << 1)    # 10 (左移)
print(5 >> 1)    # 2 (右移)

浮点数（float）

# 基本用法
pi = 3.14159
e = 2.71828

# 科学计数法
speed_of_light = 3.0e8    # 3.0 * 10^8
avogadro = 6.022e23

# 精度问题
print(0.1 + 0.2)  # 0.30000000000000004

# 解决精度问题：使用 decimal
from decimal import Decimal
x = Decimal('0.1')
y = Decimal('0.2')
print(x + y)  # 0.3

# 特殊值
inf = float('inf')      # 正无穷
neg_inf = float('-inf') # 负无穷
nan = float('nan')      # Not a Number

import math
print(math.isinf(inf))  # True
print(math.isnan(nan))  # True

# 浮点数运算
import math
print(math.floor(3.7))    # 3 (向下取整)
print(math.ceil(3.2))     # 4 (向上取整)
print(round(3.5))         # 4 (四舍五入)
print(round(3.14159, 2))  # 3.14

# 浮点数比较
a = 0.1 + 0.2
b = 0.3
print(a == b)  # False

# 正确的比较方法
import math
print(math.isclose(a, b))  # True

# 或使用 epsilon
epsilon = 1e-9
print(abs(a - b) < epsilon)  # True

复数（complex）

# 创建复数
z1 = 3 + 4j
z2 = complex(3, 4)

# 访问实部和虚部
print(z1.real)  # 3.0
print(z1.imag)  # 4.0

# 复数运算
z1 = 3 + 4j
z2 = 1 + 2j

print(z1 + z2)   # (4+6j)
print(z1 - z2)   # (2+2j)
print(z1 * z2)   # (-5+10j)
print(z1 / z2)   # (2.2-0.4j)

# 共轭复数
print(z1.conjugate())  # (3-4j)

# 模（绝对值）
print(abs(z1))  # 5.0

# cmath 模块
import cmath
print(cmath.phase(z1))  # 0.927... (相位角)
print(cmath.polar(z1))  # (5.0, 0.927...) (极坐标形式)

math 模块

import math

# 常量
print(math.pi)  # 3.141592653589793
print(math.e)   # 2.718281828459045
print(math.tau) # 6.283185307179586 (2π)
print(math.inf) # 无穷大

# 三角函数（弧度）
print(math.sin(math.pi / 2))  # 1.0
print(math.cos(0))             # 1.0
print(math.tan(math.pi / 4))   # 1.0

# 角度转换
print(math.degrees(math.pi))   # 180.0
print(math.radians(180))       # 3.141592...

# 指数和对数
print(math.exp(1))      # e^1 = 2.718...
print(math.log(10))     # ln(10) = 2.302...
print(math.log10(100))  # log10(100) = 2.0
print(math.log2(8))     # log2(8) = 3.0

# 平方根和幂
print(math.sqrt(16))    # 4.0
print(math.pow(2, 10))  # 1024.0

# 其他函数
print(math.factorial(5))  # 120
print(math.gcd(48, 18))   # 6 (最大公约数)
print(math.lcm(12, 18))   # 36 (最小公倍数)

random 模块

import random

# 随机浮点数 [0.0, 1.0)
print(random.random())

# 随机整数
print(random.randint(1, 10))      # 1-10（包含）
print(random.randrange(0, 10, 2)) # 0,2,4,6,8

# 随机选择
colors = ['red', 'green', 'blue']
print(random.choice(colors))

# 随机抽样
print(random.sample(range(100), 5))  # 5个不重复的数

# 洗牌
deck = list(range(52))
random.shuffle(deck)

# 随机分布
print(random.uniform(1.0, 10.0))  # 均匀分布
print(random.gauss(0, 1))         # 正态分布

# 设置随机种子（可重现结果）
random.seed(42)
print(random.random())  # 总是相同

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字符串详解

字符串创建

# 单引号和双引号
s1 = 'Hello'
s2 = "World"

# 三引号（多行字符串）
s3 = """This is
a multi-line
string"""

s4 = '''Another
multi-line
string'''

# 原始字符串（忽略转义）
path = r"C:\Users\name\folder"  # 不会把 \n \f 解释为转义

# f-string（格式化字符串）
name = "Alice"
age = 25
s5 = f"My name is {name}, I'm {age} years old"

# 字符串拼接
s = "Hello" + " " + "World"
s = "Hello " "World"  # 隐式拼接

字符串索引和切片

text = "Python"

# 索引
print(text[0])   # 'P' (第一个字符)
print(text[-1])  # 'n' (最后一个字符)
print(text[-2])  # 'o' (倒数第二个)

# 切片 [start:end:step]
print(text[0:3])    # 'Pyt' (0,1,2)
print(text[:3])     # 'Pyt' (省略start)
print(text[2:])     # 'thon' (省略end)
print(text[:])      # 'Python' (复制)

# 步长
print(text[::2])    # 'Pto' (每隔一个)
print(text[::-1])   # 'nohtyP' (反转)
print(text[1::2])   # 'yhn'

# 切片技巧
s = "Hello World"
print(s[:-6])       # 'Hello' (去除后6个字符)
print(s[6:])        # 'World' (从第7个开始)
print(s.split()[0]) # 'Hello' (第一个单词)
print(s.split()[1]) # 'World' (第二个单词)

字符串方法

大小写转换

text = "Hello World"

print(text.upper())       # 'HELLO WORLD'
print(text.lower())       # 'hello world'
print(text.title())       # 'Hello World'
print(text.capitalize())  # 'Hello world'
print(text.swapcase())    # 'hELLO wORLD'

# 判断
print(text.isupper())     # False
print(text.islower())     # False
print(text.istitle())     # True

查找和替换

text = "Hello World, Hello Python"

# 查找
print(text.find("World"))     # 6 (首次出现的位置)
print(text.find("Java"))      # -1 (未找到)
print(text.rfind("Hello"))    # 13 (最后一次出现)
print(text.index("World"))    # 6 (同find，但未找到会抛异常)
print(text.count("Hello"))    # 2 (出现次数)

# 判断
print(text.startswith("Hello"))  # True
print(text.endswith("Python"))   # True
print("World" in text)           # True

# 替换
print(text.replace("Hello", "Hi"))  # 全部替换
print(text.replace("Hello", "Hi", 1))  # 只替换1次

分割和连接

# 分割
text = "apple,banana,orange"
fruits = text.split(",")  # ['apple', 'banana', 'orange']

text = "one two  three"
words = text.split()      # ['one', 'two', 'three'] (自动去除多余空格)

text = "apple|banana|orange"
fruits = text.split("|", 1)  # ['apple', 'banana|orange'] (限制分割次数)

# 按行分割
multiline = "line1\nline2\nline3"
lines = multiline.splitlines()  # ['line1', 'line2', 'line3']

# 连接
fruits = ['apple', 'banana', 'orange']
text = ", ".join(fruits)  # 'apple, banana, orange'
text = "\n".join(fruits)  # 'apple\nbanana\norange'

# 分区
text = "user@example.com"
before, sep, after = text.partition("@")
# before='user', sep='@', after='example.com'

去除空白

text = "  Hello World  \n"

print(text.strip())   # 'Hello World' (去除两端空白)
print(text.lstrip())  # 'Hello World  \n' (去除左侧)
print(text.rstrip())  # '  Hello World' (去除右侧)

# 去除指定字符
url = "https://example.com/"
print(url.strip("https://"))  # 'example.com/'
print(url.rstrip("/"))        # 'https://example.com'

对齐和填充

text = "Python"

# 居中、左对齐、右对齐
print(text.center(20))       # '       Python       '
print(text.center(20, '-'))  # '-------Python-------'
print(text.ljust(20, '-'))   # 'Python--------------'
print(text.rjust(20, '-'))   # '--------------Python'

# 填充零
num = "42"
print(num.zfill(5))  # '00042'

判断字符类型

# 字母和数字
print("abc123".isalnum())   # True
print("abc".isalpha())      # True
print("123".isdigit())      # True
print("123".isnumeric())    # True
print("abc123".isalpha())   # False

# 空白和可打印
print("   ".isspace())      # True
print("Hello".isprintable())  # True

# 标识符
print("variable_name".isidentifier())  # True
print("2variable".isidentifier())      # False

字符串格式化

f-string（推荐）

name = "Alice"
age = 25
score = 95.5

# 基本用法
print(f"Name: {name}, Age: {age}")

# 表达式
print(f"{name.upper()}")
print(f"{age + 1}")
print(f"{2 ** 10}")

# 格式控制
print(f"{score:.1f}")     # 95.5 (1位小数)
print(f"{score:.0f}")     # 96 (整数)
print(f"{score:06.1f}")   # 0095.5 (填充)

# 对齐
print(f"{name:>10}")      # '     Alice' (右对齐)
print(f"{name:<10}")      # 'Alice     ' (左对齐)
print(f"{name:^10}")      # '  Alice   ' (居中)
print(f"{name:*^10}")     # '**Alice***' (用*填充)

# 数字格式
num = 1234567
print(f"{num:,}")         # '1,234,567' (千位分隔)
print(f"{num:_}")         # '1_234_567'

# 百分比
ratio = 0.85
print(f"{ratio:.1%}")     # '85.0%'

# 日期时间
from datetime import datetime
now = datetime.now()
print(f"{now:%Y-%m-%d %H:%M:%S}")

# 调试（Python 3.8+）
x = 10
y = 20
print(f"{x=}, {y=}")  # x=10, y=20

str.format()

# 位置参数
print("{} {}".format("Hello", "World"))
print("{0} {1}".format("Hello", "World"))
print("{1} {0}".format("Hello", "World"))  # World Hello

# 关键字参数
print("{name} is {age} years old".format(name="Alice", age=25))

# 混合
print("{0}, {name}!".format("Hello", name="World"))

# 格式控制
print("{:.2f}".format(3.14159))  # 3.14
print("{:>10}".format("test"))   # '      test'

字符串编码

# 编码（str -> bytes）
text = "Hello 世界"
encoded = text.encode('utf-8')
print(encoded)  # b'Hello \xe4\xb8\x96\xe7\x95\x8c'

# 解码（bytes -> str）
decoded = encoded.decode('utf-8')
print(decoded)  # 'Hello 世界'

# 不同编码
print(text.encode('gbk'))
print(text.encode('ascii', errors='ignore'))  # 忽略错误

# 处理 Unicode
print(ord('A'))    # 65 (字符转 Unicode 码点)
print(chr(65))     # 'A' (码点转字符)
print('\u4e2d')    # '中' (Unicode 转义)

字符串不可变性

text = "Python"

# ❌ 不能修改
text[0] = 'J'  # TypeError

# ✅ 创建新字符串
text = 'J' + text[1:]  # 'Jython'

# 字符串拼接效率
# ❌ 低效（每次都创建新字符串）
result = ""
for i in range(1000):
    result += str(i)

# ✅ 高效
result = "".join(str(i) for i in range(1000))

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列表（List）

列表创建

# 空列表
empty = []
empty = list()

# 初始化列表
numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
mixed = [1, "hello", 3.14, True, [1, 2]]

# 使用 list() 构造
numbers = list(range(5))  # [0, 1, 2, 3, 4]
chars = list("Python")    # ['P', 'y', 't', 'h', 'o', 'n']

# 列表推导式
squares = [x**2 for x in range(10)]
evens = [x for x in range(20) if x % 2 == 0]

# 重复
zeros = [0] * 10  # [0, 0, 0, ...]

# 二维列表
matrix = [[0] * 3 for _ in range(3)]  # 3x3 矩阵
# [[0, 0, 0],
#  [0, 0, 0],
#  [0, 0, 0]]

列表操作

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

# 访问元素
print(numbers[0])   # 1
print(numbers[-1])  # 5

# 修改元素
numbers[0] = 10
print(numbers)  # [10, 2, 3, 4, 5]

# 切片
print(numbers[1:3])  # [2, 3]
print(numbers[::2])  # [10, 3, 5]

# 切片赋值
numbers[1:3] = [20, 30]
print(numbers)  # [10, 20, 30, 4, 5]

numbers[1:3] = []  # 删除元素
print(numbers)  # [10, 4, 5]

列表方法

fruits = ['apple', 'banana']

# 添加元素
fruits.append('orange')          # 末尾添加
fruits.insert(1, 'grape')        # 指定位置插入
fruits.extend(['mango', 'peach']) # 扩展列表

# 删除元素
fruits.remove('banana')   # 删除第一个匹配项
last = fruits.pop()       # 删除并返回最后一个
second = fruits.pop(1)    # 删除并返回指定位置
del fruits[0]            # 删除指定位置
fruits.clear()           # 清空列表

# 查找
fruits = ['apple', 'banana', 'orange']
print(fruits.index('banana'))  # 1
print(fruits.count('apple'))   # 1
print('banana' in fruits)      # True

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

fruits = ['banana', 'apple', 'cherry']
fruits.sort(key=len)        # 按长度排序

# sorted() 返回新列表
numbers = [3, 1, 4, 1, 5]
sorted_numbers = sorted(numbers)

# 反转
numbers.reverse()            # 原地反转
reversed_numbers = list(reversed(numbers))  # 返回新列表

# 复制
copy1 = fruits.copy()
copy2 = fruits[:]
copy3 = list(fruits)

列表推导式

# 基本形式
squares = [x**2 for x in range(10)]

# 带条件
evens = [x for x in range(20) if x % 2 == 0]

# 多重循环
pairs = [(x, y) for x in range(3) for y in range(3)]
# [(0,0), (0,1), (0,2), (1,0), ...]

# 嵌套列表推导
matrix = [[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]]
flat = [num for row in matrix for num in row]
# [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

# 转置矩阵
transposed = [[row[i] for row in matrix] for i in range(3)]
# [[1, 4, 7], [2, 5, 8], [3, 6, 9]]

# 带 if-else
result = [x if x % 2 == 0 else -x for x in range(10)]
# [0, -1, 2, -3, 4, -5, 6, -7, 8, -9]

列表常见操作

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

# 长度、最大值、最小值、求和
print(len(numbers))  # 5
print(max(numbers))  # 5
print(min(numbers))  # 1
print(sum(numbers))  # 15

# 拼接
list1 = [1, 2, 3]
list2 = [4, 5, 6]
combined = list1 + list2  # [1, 2, 3, 4, 5, 6]

# 重复
repeated = [1, 2] * 3  # [1, 2, 1, 2, 1, 2]

# 成员判断
print(3 in numbers)      # True
print(10 not in numbers) # True

# enumerate（带索引遍历）
for index, value in enumerate(['a', 'b', 'c']):
    print(f"{index}: {value}")

# zip（并行遍历）
names = ['Alice', 'Bob', 'Charlie']
ages = [25, 30, 35]
for name, age in zip(names, ages):
    print(f"{name} is {age} years old")

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元组（Tuple）

元组创建

# 空元组
empty = ()
empty = tuple()

# 单元素元组（注意逗号）
single = (1,)    # ✅
not_tuple = (1)  # ❌ 这是整数

# 多元素元组
numbers = (1, 2, 3, 4, 5)
mixed = (1, "hello", 3.14, True)

# 不带括号
point = 1, 2, 3  # 也是元组

# 使用 tuple() 构造
numbers = tuple([1, 2, 3])
chars = tuple("Python")

元组操作

point = (10, 20, 30)

# 访问元素
print(point[0])   # 10
print(point[-1])  # 30

# 切片
print(point[1:])  # (20, 30)

# ❌ 不能修改
point[0] = 15  # TypeError

# 但可以包含可变对象
data = ([1, 2], [3, 4])
data[0].append(3)  # ✅ 修改列表内容
print(data)  # ([1, 2, 3], [3, 4])

# 元组方法
numbers = (1, 2, 3, 2, 1)
print(numbers.count(2))   # 2
print(numbers.index(3))   # 2

# 元组拼接和重复
t1 = (1, 2)
t2 = (3, 4)
print(t1 + t2)   # (1, 2, 3, 4)
print(t1 * 3)    # (1, 2, 1, 2, 1, 2)

元组解包

# 基本解包
point = (10, 20, 30)
x, y, z = point

# 交换变量
a, b = 1, 2
a, b = b, a

# 扩展解包
first, *rest = [1, 2, 3, 4, 5]
# first = 1, rest = [2, 3, 4, 5]

head, *middle, tail = [1, 2, 3, 4, 5]
# head = 1, middle = [2, 3, 4], tail = 5

# 忽略值
x, _, z = (10, 20, 30)  # 忽略中间值

# 函数返回多值
def get_point():
    return 10, 20, 30

x, y, z = get_point()

元组 vs 列表

# 相同点
t = (1, 2, 3)
l = [1, 2, 3]

print(t[0])      # 访问元素
print(len(t))    # 长度
print(2 in t)    # 成员判断

# 不同点
# 1. 元组不可变
l[0] = 10  # ✅
# t[0] = 10  # ❌ TypeError

# 2. 性能：元组更快
import sys
print(sys.getsizeof(t))  # 更小
print(sys.getsizeof(l))  # 更大

# 3. 用途：元组用于不可变数据
point = (10, 20)  # 坐标
person = ("Alice", 25)  # 记录

# 4. 字典键：元组可以，列表不行
locations = {
    (0, 0): "origin",
    (1, 1): "diagonal"
}

命名元组

from collections import namedtuple

# 定义命名元组
Point = namedtuple('Point', ['x', 'y'])

# 创建实例
p = Point(10, 20)
print(p.x, p.y)  # 10 20

# 也支持索引
print(p[0], p[1])  # 10 20

# 方法
print(p._asdict())  # {'x': 10, 'y': 20}

# 实际应用
Person = namedtuple('Person', ['name', 'age', 'email'])
alice = Person('Alice', 25, 'alice@example.com')
print(alice.name)   # Alice
print(alice.age)    # 25

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由于篇幅限制，我将继续创建剩余部分...