Python切片：日常编码的9种实用方法

对于每个 Python 程序员来说，无论是在数据科学和机器学习领域，还是在软件开发领域，Python 切片操作都是最高效、最通用、最强大的操作之一。Python 切片语法允许提取和修改数据结构，如列表、字符串、元组、数组、Pandas 数据帧，甚至字节序列。无论我们是要在 Python 中提取列表切片的一部分，还是使用字符串切片操作字符，或者只是想简化工作流程，切片都提供了一种简洁的数据处理方式，而无需使用复杂的循环或手动索引。在本 Python 切片教程中，我们将深入探讨 Python 切片操作的工作原理，并学习如何在程序和工作流中有效地使用它们。

什么是 Python 中的切片操作？

切片意味着切割。同样，在 Python 中，它意味着通过指定索引范围来访问或提取序列（如字符串、列表、元组或数组）的子序列（部分）。Python 中的切片操作涉及在方括号内使用冒号操作符 [:] 。基本语法包括

[START:END:STEP]START：Start 是开始切片的索引。END：End 是执行操作的索引点，即不包含在操作中。STEP： Step 是增量索引。默认值为 1，即输出整个序列。如果 step=2，则将打印每个交替值。

为什么使用切片法？

切片是一种重要的方法，因为它允许我们简洁地访问和操作数据，使代码更具可读性，并在不同的数据结构中具有通用性。例如

不使用切片的迭代

lst = [1, 2, 3, 4, 5]
sublist = []
for i in range(1, 4):
sublist.append(lst[i])
print(sublist)

切片迭代

lst = [1, 2, 3, 4, 5]
sublist = lst[1:4]
print(sublist)

输出：[2, 3, 4]

Python中的切片方法

基本上，Python 提供了两种不同的切片方法。一种是 [start: end: step] 函数，另一种是 .slice(start, stop, step) 函数。在本节中，我们将首先了解这些切片操作的语法，然后探讨我们可以在 Python 中执行的主要切片类型。

1. 使用 [start: end: step] 

这是对输入序列的不同部分执行切分操作的最常用方法。

使用索引 [:] 切片示例

mixed_data = [10, "apple", 3.14, "banana", 42, "cherry"]
# Slice from index 1 to 4
print(mixed_data[1:4]) 
print(20*"--")
# Slice the list from the start to index 3
print(mixed_data[:3]) 
print(20*"--")
# Slice every 2nd element
print(mixed_data[::2])

['apple', 3.14, 'banana']---[10, 'apple', 3.14]---[10, 3.14, 42]

2. 使用 Python slice() 函数

slice 函数允许您创建一个将应用于序列的 slice 对象。当您想存储切片规范并将其应用于多个序列时，该功能会有所帮助。

.slice() 的语法

slice(start, stop, step)

start：切片的起始索引（包含）。stop：切片的停止索引（不包含）。step：step 或 stride（每一步后索引的增量，可选）。

使用 slice() 分割。示例：

text = "Hello, world!"
# Create a slice object to get the first 5 characters
s = slice(0, 5)
# Apply the slice object to the string
print(text[s]) 
# Output: "Hello"

每三个元素切一次

mixed_data = [10, "apple", 3.14, "banana", 42, "cherry"]
s = slice(None, None, 3)
# Apply the slice object to the list
print(mixed_data[s]) 
# Output: [10, 'banana']

从索引 2 开始切到末端

s = slice(2, None)
# Apply the slice object to the list
print(mixed_data[s]) 
# Output: [3.14, 'banana', 42, 'cherry']

按相反顺序切片

s = slice(None, None, -1)
# Apply the slice object to the list
print(mixed_data[s]) 
# Output: ['cherry', 42, 'banana', 3.14, 'apple', 10]

现在我们来看看 Python 中主要的切片操作类型

1. 基本切片

基本切分是指使用语法 [start: end: step] 提取字符串、列表或元组等数据类型的子序列。它是 Python 中的一个基本工具，能让我们轻松检索子序列。它还适用于多种数据类型，因此是一种通用技术。

• List 切片

numbers = [10, 20, 30, 40, 50, 60]
# Slice from index 1 to index 4 (exclusive)
print(numbers[1:4]) 
# Output: [20, 30, 40]

• String 切片

text = "Hello, world!"
# Slice from index 7 to index 12 (exclusive)
print(text[7:12]) 
# Output: "world"

• Tuple 切片

numbers_tuple = (1, 2, 3, 4, 5, 6)
# Slice from index 2 to index 5 (exclusive)
print(numbers_tuple[2:5]) 
# Output: (3, 4, 5)

2. 省略‘start’, ‘stop’, 或‘step’

在切片中省略开始、停止和步长可以让用户使用默认值。

• 省略开始默认为序列的开始。
• 省略停止表示切片一直进行到结束。
• 省略步长则默认步长为 1。

省略这些部分可以使代码更简洁、更灵活。它使你能够创建动态和通用的切片，而无需明确定义所有参数。

使用切片修改列表

numbers = [10, 20, 30, 40, 50, 60]
# Omitting start, slice from the beginning to index 4 (exclusive)
print(numbers[:4]) 
# Output: [10, 20, 30, 40]
# Omitting stop, slice from index 2 to the end
print(numbers[2:]) 
# Output: [30, 40, 50, 60]

空切片

numbers_tuple = (1, 2, 3, 4, 5, 6)
# Omitting start and step, slice the whole tuple
print(numbers_tuple[:]) 
# Output: (1, 2, 3, 4, 5, 6)

删除元素

numbers = [2,4,5,12,64,45]
numbers[1:4] = []
print(numbers)
# Output: [2,64,45]

3. 负切片

负索引允许从序列末尾开始计数。在负索引中，-1 表示最后一个元素，-2 表示倒数第二个元素。当你需要访问序列末尾的元素时，它可以帮助你。

访问最后一个元素

numbers = [10, 20, 30, 40, 50, 60]
# Slice at the last index
print(numbers[-1]) 
# Output: [60]

反转字符串

original_string = "hello"
reversed_string = original_string[::-1]
print(reversed_string) 
# Output: "olleh"

4. 使用步长进行切片

步长参数可以指定元素之间的间隔，这在处理或采样数据时非常有用。如上图所示，负步长可以很容易地逆转序列，这使得逆转整个数据变得非常简单方便。

每隔 2 个元素切片

numbers = [10, 20, 30, 40, 50, 60]
# Slice with step 2, picking every second element
print(numbers[::2]) 
# Output: [10, 30, 50]

混乱的步长行为

numbers = [10, 20, 30, 40, 50, 60]
# Slice at last index
print(numbers[::-3]) 
# Output: [60,30]

5. 使用 None 进行切片

在切片中，None 可用于表示开始、停止和结束的默认值。使用 None 可以使编程更灵活、更清晰。这是一种无需手动定义即可应用默认切片行为的方法。

省略使用 None

numbers = [10, 20, 30, 40, 50, 60]
# Slice every 2nd element using slice(None, None, 2)
s = slice(None, None, 2)
print(numbers[s]) 
# Output: [10, 30, 50]

6. 越界切片

当您尝试对一个序列进行超出其边界的切分时（无论是使用大索引还是使用超出范围的 -ve 索引），Python 不会引发任何错误，只会返回最大的有效切分，而不用担心异常。

numbers = [10, 20, 30, 40, 50, 60]
# Slice beyond the length of the list
print(numbers[4:15]) 
# Output: [50, 50]

超长切片

text = "Hello, world!"
# Slice beyond the length
print(text[15:55])
# Output: no output

7. NumPy数组切片

在 NumPy 中，切片与 Python 的基本切片类似。此外，NumPy 是专为科学计算而设计的，也允许更快的数据操作。这有助于进一步支持更先进、更高效的大型数据集操作。切片使 NumPy 能够访问子数组并高效地修改它们（即允许我们修改子数组）。

切片一维数组

import numpy as np
# Create a 1-D NumPy array
arr = np.array([10, 20, 30, 40, 50, 60])
# Slice from index 1 to index 4 (exclusive)
print(arr[1:4]) 
# Output: [20 30 40]

与基本的切片一样，它允许我们从索引 1 到 4（排他）对数组进行切片，就像普通的 Python 切片一样。它还允许在数组中执行上面讨论过的所有其他操作。

# Slice every second element from the array
print(arr[::2]) 
# Output: [10 30 50]

切片多维数组

# Create a 2-D NumPy array (matrix)
arr_2d = np.array([[10, 20, 30], [40, 50, 60], [70, 80, 90]])
# Slice from row 1 to row 2 (exclusive), and columns 1 to 2 (exclusive)
print(arr_2d[1:2, 1:3]) 
# Output: [[50 60]]

8. Pandas数据帧切片

Pandas DataFrames 是二维标签数据结构，也支持切片操作。它允许通过 .loc() 和 .iloc() 对数据点进行切分。此外，Pandas 还支持布尔索引。

对数据帧本身进行切片可以高效地过滤和处理大型数据集。它允许使用条件选择数据子集，使其成为数据分析和机器学习的重要工具。

使用行索引（.iloc）进行切片

import pandas as pd
# Create a DataFrame
df = pd.DataFrame({
'A': [1, 2, 3, 4, 5],
'B': [10, 20, 30, 40, 50]
})
print(df)
# Output
#    A   B
# 0  1  10
# 1  2  20
# 2  3  30
# 3  4  40
# 4  5  50
# Slice the first three rows (exclusive of the fourth row)
print(df.iloc[:3])
#    A   B
# 0  1  10
# 1  2  20
# 2  3  30

在这里，.iloc(3) 会切分 DataFrame 的前 3 行（索引 0 至 2）。

使用列名（.loc）切片

# Create a DataFrame
df = pd.DataFrame({
'A': [1, 2, 3, 4, 5],
'B': [10, 20, 30, 40, 50]
})
print(df)
# Output
#    A   B
# 0  1  10
# 1  2  20
# 2  3  30
# 3  4  40
# 4  5  50
print(df.loc[df['A'] > 2]) 
# Output:
#    A   B
# 2  3  30
# 3  4  40
# 4  5  50

.loc 允许使用列名或索引（如 False）对标签进行切分。在这里，我们根据列“A”的值必须大于 2 的条件进行切分。

9. 字节序列切片

Python 提供了字节序列（如 bytes 和 bytearray），它们与列表、字符串或数组一样支持切片。当我们使用二进制数据类型时，字节序列就会出现，而切片可以让您轻松高效地提取二进制数据的相关部分。

切分字节对象

byte_seq = b'Hello, world!'
# Slice from index 0 to index 5 (exclusive)
print(type(byte_seq))
print(byte_seq[:5]) 
# Output: <class 'bytes'>, b'Hello'

分割字节数组（可变字节）

byte_arr = bytearray([10, 20, 30, 40, 50, 60])
# Slice from index 2 to index 5 (exclusive)
print(byte_arr[2:5]) 
# Output: bytearray(b'2\x1e<')

在这里，输出值与 ASCII 字符相对应。当输出不在可打印范围内时，就会出现这种情况。因此，bytearray(b’2\x1e<‘) 是输出结果，因为它以更易于人类阅读的形式表示这些字节值。

print(list(byte_arr[2:5]))  # Output: [30, 40, 50]
# Ouput: [30,40,50]

在Python中使用切分操作的好处

在 Python 中使用切分操作有很多好处，其中包括

• 效率高：切片操作可以快速访问较大数据集中的所需子序列，而无需循环。
• 简洁：它使数据操作的代码更简洁、更易读。
• 灵活性：在 NumPy 和 Pandas 等库的帮助下，多维数据切分为数据预处理提供了一种高效的方法。
• 高效内存：切片处理经过了性能优化。此外，Python 的内部机制确保了切片操作的快速性和内存效率，这与手动索引不同，手动索引需要大量的手动编码并会增加内存使用量。

使用切分操作时应避免的事项

以下是在 Python 中使用切分操作时应避免的几件事。

• 超出索引边界：在 Python 中，超出序列长度的切分不会导致任何错误。然而，这会导致不必要的结果，尤其是在处理较大的数据集时。
• 混淆索引和切片语法：切片语法涉及 sequence[start：stop：end]，但选择我们想要的元素的索引/位置也会得到想要的元素。
• 不考虑可变性的切分：切分可用于修改序列，但使用时必须考虑所处理的数据类型是否支持可变性。例如，列表和字节数组是可变的；而字符串、元组和字节则是不可变的。因此无法通过切片直接修改它们。
• 使用无效步骤值进行切片：在使用切片时，还必须考虑步长，因为步长将决定中间跳过多少个点。但使用无效值可能会导致意想不到的结果，造成操作效率低下。

小结

Python 中的切片是一种高效而强大的方法，它允许您有效地访问和操作 Python 数据类型，如列表、字符串、元组、NumPy 数组和 Pandas DataFrames。因此，无论您是对列表进行切片，还是使用 NumPy 处理多维数组，或者使用 Pandas 处理大型数据集，切片总是能为处理序列提供一种清晰简洁的方法。掌握了切片，就能编写出更简洁、更高效的代码，这对每个 Python 程序员来说都是必不可少的。