1_3_data_structures.py

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
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  零基础起步 · 1.3 数据结构（list、tuple、dict、set）
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【课程属性】L0 · 必修 · 预计 100～140 分钟
【前置要求】完成 1.2；会使用类型、运算、字符串和下标

【学习目标】
  1. 根据“有序、是否重复、是否需要键”选择数据结构
  2. 掌握列表的增删改查、切片和排序
  3. 理解元组不可变及解包
  4. 掌握字典的键值操作和嵌套读取
  5. 掌握集合的去重及交、并、差运算

【本课刻意不使用】
  for、while 和推导式；它们会在 1.4 正式学习。

【本课成果】
  能用合适的数据结构组织一份课程与学员信息。

【运行准备与参考】
  只需 Python 3.10+，无需第三方库。
  官方教程（数据结构）: https://docs.python.org/zh-cn/3/tutorial/datastructures.html
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#  第一部分：为什么不能只用很多普通变量
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student_1 = "小王"
student_2 = "小李"
student_3 = "小张"

# 三个人还可以分别命名；三百个人就会难以管理。
# 容器把一组相关值放在一起，后续可以统一查找、修改和遍历。

# 先记住选择原则：
#   list：有顺序，内容会变化，可以重复。
#   tuple：有顺序，创建后不应变化，可以重复。
#   dict：通过“名字/编号”等键查找对应值。
#   set：只关心有哪些不同的值，不关心顺序和重复次数。

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#  第二部分：列表 list
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students = ["小王", "小李", "小张"]

print(type(students))      # <class 'list'>
print(len(students))       # 3
print(students[0])         # 小王
print(students[-1])        # 小张
print(students[0:2])       # ['小王', '小李']
print("小李" in students)  # True

# 下标从 0 开始。长度为 3 的列表，有效下标是 0、1、2。
# 访问 students[3] 会产生 IndexError。

# ----- 增加元素 -----

students.append("小赵")              # 在末尾增加一个值
students.insert(1, "小周")           # 在指定下标前插入
students.extend(["小钱", "小孙"])    # 追加另一个列表中的多个值
print(students)

# append 和 extend 不同：
demo_append = [1, 2]
demo_append.append([3, 4])
print(demo_append)        # [1, 2, [3, 4]]，把整个列表当成一个元素

demo_extend = [1, 2]
demo_extend.extend([3, 4])
print(demo_extend)        # [1, 2, 3, 4]，逐个追加

# ----- 修改元素 -----

students[0] = "小王同学"
print(students[0])

# 列表是“可变对象”：创建后可以直接修改其中的元素。

# ----- 删除元素 -----

students.remove("小周")    # 按值删除第一个匹配项；不存在会 ValueError
last_student = students.pop()  # 删除并返回最后一项
del students[0]            # 按下标删除

print(last_student)
print(students)

# 如果不确定值是否存在，可以先用 in 判断；1.4 会把判断写进 if。

# ----- 查找、计数和排序 -----

numbers = [4, 2, 4, 1, 3]
print(numbers.index(4))     # 0，第一个 4 的下标
print(numbers.count(4))     # 2，共出现两次

ascending = sorted(numbers)          # 返回新列表，不改变原列表
descending = sorted(numbers, reverse=True)
print(ascending)                     # [1, 2, 3, 4, 4]
print(descending)                    # [4, 4, 3, 2, 1]
print(numbers)                       # 原列表仍是 [4, 2, 4, 1, 3]

numbers.sort()                       # 原地排序，直接改变 numbers
print(numbers)

# sorted(...) 有返回值；list.sort() 修改原列表并返回 None。

# ----- 引用与浅复制的第一印象 -----

original = ["A", "B"]
same_list = original
same_list.append("C")
print(original)              # ['A', 'B', 'C']，两个变量指向同一列表

original = ["A", "B"]
copied = original.copy()
copied.append("C")
print(original)              # ['A', 'B']，外层列表已经分开
print(copied)                # ['A', 'B', 'C']

# 现在只需理解“赋值可能共享同一个可变对象”。深浅拷贝会在 6.4 复习。

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#  第三部分：元组 tuple
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screen_size = (1920, 1080)
print(screen_size[0])        # 1920
print(screen_size[-1])       # 1080

# 元组与列表一样有顺序、能用下标，但元组不可变。
# screen_size[0] = 1280 会产生 TypeError。

width, height = screen_size  # 解包：按顺序分别赋值
print(width)
print(height)

# 交换两个变量也使用解包。
left = "左"
right = "右"
left, right = right, left
print(left, right)           # 右 左

# 单元素元组必须保留逗号。
one_item_tuple = (5,)
not_a_tuple = (5)
print(type(one_item_tuple))  # tuple
print(type(not_a_tuple))     # int

# 适合元组的例子：坐标、RGB 颜色、不会修改的固定配置。

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#  第四部分：字典 dict
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# 字典由“键: 值”组成。键像字段名，值是对应的数据。
student = {
    "name": "小李",
    "age": 20,
    "city": "杭州",
}

print(student["name"])              # 小李
print(student.get("age"))            # 20
print(student.get("email"))          # None
print(student.get("email", "未填写")) # 未填写

# [] 和 get 的区别：
#   student["missing"]       键不存在时产生 KeyError。
#   student.get("missing")   键不存在时返回 None 或给定默认值。

# 增加和修改使用同一种写法。
student["email"] = "li@example.com"  # 新键：增加
student["age"] = 21                   # 已有键：修改

# 删除。
removed_city = student.pop("city")
print(removed_city)
print(student)

# 判断默认检查“键”是否存在。
print("name" in student)             # True
print("小李" in student)              # False，不会检查值
print("小李" in student.values())     # True

# keys、values、items 分别提供键、值、键值对。
print(list(student.keys()))
print(list(student.values()))
print(list(student.items()))

# 嵌套结构：字典中可以保存列表，列表中也可以保存字典。
course = {
    "name": "Python 入门",
    "lessons": ["变量", "数据结构", "流程控制"],
    "teacher": {"name": "Alice", "city": "上海"},
}

print(course["lessons"][0])          # 变量
print(course["teacher"]["name"])    # Alice

# 读嵌套数据时从左向右：
#   course["teacher"] 先得到内部字典；再 ["name"] 得到名字。

# 字典键必须是不可变、可哈希的类型，常见的是 str、int、tuple。
# list 不能作为键；目前把字段名写成字符串即可。

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#  第五部分：集合 set
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names = ["小王", "小李", "小王", "小张"]
unique_names = set(names)
print(unique_names)          # 顺序不保证，元素只保留一份
print(len(unique_names))     # 3

# 空集合必须写 set()。{} 表示空字典。
empty_set = set()
empty_dict = {}
print(type(empty_set))
print(type(empty_dict))

skills = {"Python", "Git"}
skills.add("SQL")
skills.add("Python")        # 已存在，不会重复增加
skills.discard("Java")      # 不存在也不报错
print(skills)

# 集合没有稳定顺序，不能使用 skills[0]。

backend_skills = {"Python", "Git", "SQL"}
agent_skills = {"Python", "Prompt", "RAG"}

print(backend_skills & agent_skills)  # 交集：双方都有
print(backend_skills | agent_skills)  # 并集：所有不同技能
print(backend_skills - agent_skills)  # 差集：只在左边
print(backend_skills ^ agent_skills)  # 对称差：只属于一方

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#  第六部分：选择数据结构
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# “按顺序保存学习章节”       -> list
# “保存固定坐标”             -> tuple
# “通过学号查学生信息”       -> dict
# “统计出现过哪些不同标签”   -> set
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# 不要为了“高级”选择复杂结构，要根据数据特征选择。

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#  本课检查清单
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# [ ] 会对列表进行增删改查
# [ ] 能说明 append 与 extend、sorted 与 sort 的区别
# [ ] 理解列表可变、元组不可变
# [ ] 会读取和修改字典及嵌套数据
# [ ] 会用集合去重并计算交、并、差
# [ ] 能根据场景选择 list、tuple、dict 或 set

# 课后练习：exercises/1_3_data_structures.py