Python 切片操作的高級用法

眾所周知，我們可以通過索引值（或稱下標）來查找序列類型（如字符串、列表、元組…）中的單個元素，那么，如果要獲取一個索引區(qū)間的元素該怎么辦呢？

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(qū)與高級用法，都值得我們注意。所以，本文將主要跟大家一起來探討這些內容，希望你能學有所獲。

事先聲明，切片并非列表的專屬操作，但因為列表最具代表性，所以本文僅以列表為例作探討。

1、切片的基礎用法

列表是 Python 中極為基礎且重要的一種數據結構，我曾寫過一篇匯總文章（鏈接見文末）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，為列表首位時可省略；i+n 是切片的結束位置，為列表末位時可省略；m 可以不提供，默認值是1，不允許為0 ，當m為負數時，列表翻轉。注意：這些值都可以大于列表長度，不會報越界。

切片的基本含義是：從序列的第i位索引起，向右取到后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列表，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，列表先翻轉，再截取
li[::-1] == [16,14,11,9,7,6,5,4,1] # 翻轉整個列表
li[::-2] == [16,11,7,5,1] # 翻轉整個列表，再按2間隔過濾
li[:-5:-1] == [16,14,11,9] # 翻轉整個列表，取-5-(-len(li))=4位元素
li[:-5:-3] == [16,9] # 翻轉整個列表，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，可能還不好理解。我個人總結出兩條經驗：

（1）牢牢記住公式[i : i+n : m] ，當出現缺省值時，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，先翻轉列表，再按倒數計算索引位置。

2、切片是偽獨立對象

切片操作的返回結果是一個新的獨立的序列（PS：也有例外，參見《Python是否支持復制字符串呢？》）。以列表為例，列表切片后得到的還是一個列表，占用新的內存地址。

當取出切片的結果時，它是一個獨立對象，因此，可以將其用于賦值操作，也可以用于其它傳遞值的場景。但是，切片只是淺拷貝，它拷貝的是原列表中元素的引用，所以，當存在變長對象的元素時，新列表將受制于原列表。

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l(xiāng)i長度是否大于8
if(li[8:]):
    print("not empty")
else:
    print("empty")

# 切片列表受制于原列表
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，將切片結果取出，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拼接字符串的七種方式》的時候，我介紹了幾種拼接字符串的方法，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。對于列表來說，使用切片作為占位符，同樣能夠實現拼接列表的效果。特別需要注意的是，給切片賦值的必須是可迭代對象。

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]

# 給切片賦值的必須是可迭代對象
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，若將切片作為獨立對象取出，那你會發(fā)現它們都是空列表，即 li[:0]==li[len(li):]==li[6:6]==[] ，我將這種占位符稱為“純占位符”，對純占位符賦值，并不會破壞原有的元素，只會在特定的索引位置中拼接進新的元素。刪除純占位符時，也不會影響列表中的元素。

與“純占位符”相對應，“非純占位符”的切片是非空列表，對它進行操作（賦值與刪除），將會影響原始列表。如果說純占位符可以實現列表的拼接，那么，非純占位符可以實現列表的替換。

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]

# 刪除元素
del li[2:3] # [7, 8, 6, 7]

切片占位符可以帶步長，從而實現連續(xù)跨越性的替換或刪除效果。需要注意的是，這種用法只支持等長替換。

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

其它編程語言是否有類似于 Python 的切片操作呢？有什么差異？

我在交流群里問了這個問題，小伙伴們紛紛說 Java、Go、Ruby……在查看相關資料的時候，我發(fā)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）做切片后，得到的竟然不是一個數組；其次，你可以創(chuàng)建和初始化一個切片，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態(tài)機制，這倒是跟 Python 列表的超額分配機制有一定相似性……

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。所以，本文就不再進行跨編程語言的比較了（唔，好吧我承認，其實是我不怎么懂其它編程語言……）

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

編輯：hfy