第十一章 字典
本章介紹 python 另一個內建複合型態，稱為字典。它擁有強大的功能，並且是許多有效演算法的基礎。
11-1 字典是一種對應
字典有點像列表，但比列表更靈活且通用。列表的索引只能是整數，但字典可以是各種型態的值。
字典的索引稱為鍵，鍵對應的稱為值，所以有人稱這樣的組合為 鍵值對。
同一個字典中的鍵不能重複，每個鍵各自對應一個值。一個值包含一個數組或列表，甚至另一個字典。
在數學的語言中，稱鍵與值的關係為映射，可以讀成 鍵對應值。
dict 是一個內建函數，可建立空字典，所以避免使用這個名稱來當作變數名，下面是定義空字典的範例：
>>> eng2sp = dict()
>>> eng2sp
{}
>>> type(eng2sp)
<class 'dict'>使用大括號當作字典，空的 {} 就是空的字典。所以初始化一個空字典，也可以這樣做：
>>> d = {}
>>> d
{}
>>> type(d)
<class 'dict'>下面的例子是一個英文對應西班牙文的字典，其中鍵與值都是字串型態。可試著直接使用中括號的索引方式，來增加字典中的元素：
>>> eng2sp['one'] = 'uno'上面的例子，把鍵 'one' 字串對應到值 'uno' 字串上，此時印出字典內容，就能看到這個新添加的鍵值對，python 在大括號中使用冒號 : 來分隔鍵與值。
>>> eng2sp
{'one': 'uno'}當指定的鍵已存在，就會直接去改變這個鍵的值：
>>> eng2sp['one'] = 'onu'
>>> eng2sp
{'one': 'onu'}這個輸出格式其實也是輸入格式，可一次產生三個字典中的項目：
>>> eng2sp = {'one': 'uno', 'two': 'dos', 'three': 'tres'}空格不是語法規定，只是習慣，全部黏在一起不好閱讀。想要用字典添加到字典也可以，需要使用 update() 字典方法：
>>> d = {'one' : 1}
>>> d
{'one': 1}
>>> d1 = {'two' : 2, 'three' : 3}
>>> d1
{'two': 2, 'three': 3}
>>> d.update(d1)
>>> d
{'one': 1, 'two': 2, 'three': 3}
>>> d1
{'two': 2, 'three': 3}
# d 更新了，不過 d1 不變
>>> d = {'one' : 1}
>>> d1 = {'one': 10, 'two' : 2, 'three' : 3}
>>> d.update(d1)
>>> d
{'one': 10, 'two': 2, 'three': 3}
# d 原本的 'one' 索引對應的值會被 d1 相同的索引更新再回到 eng2sp 的例子，現在打算印出來，注意一下順序：
>>> eng2sp
{'one': 'uno', 'three': 'tres', 'two': 'dos'}你發現了嗎？字典項目的順序跟原本設定的不太一樣，而且每次執行的順序可能不同，表示字典是無序的。這也是字典和列表很不一樣的地方，列表的數字索引是有序的，所以通常使用字典的鍵來查找值。
不需在意字典的順序，也很少拿整數來當作字典的鍵，而是使用更直觀的字串。想用整數當作字典的鍵也可以，在 python 3.7 以後，字典就會按照添加的順序來排序了。
>>> eng2sp['two']
'dos'一個鍵總是對應到一個值，但要注意，如果該字典沒有這個鍵，就會產生錯誤訊息：
>>> eng2sp['four']
KeyError: 'four'
# 錯誤的鍵 'four'之前提過的 len 函數也能作用在字典上，可計算返回該字典有多少個鍵值對：
>>> len(eng2sp)
3in 運算子也可以用在字典上，確認一個鍵是否存在於字典當中：
>>> 'one' in eng2sp
True
>>> 'uno' in eng2sp
False
# 'uno' 是值，不是鍵如果想知道這個值有沒有包含在字典中，可以使用 values 方法取出所有值，再搭配 in 運算子，查看該值的集合是否包含其值：
>>> vals = eng2sp.values()
>>> 'uno' in vals
True因此，前述提到的用 in 來確認字典的鍵是否存在， 'one' in eng2sp 其實是 'one' in eng2sp.keys() 的簡寫。
in 運算子使用不同的演算法來處理列表與字典。以列表而言，在列表中按數字索引順序查找元素，但隨著列表的元素越來越多，查找的時間也會越來越長。
python 的字典使用了一種稱為 雜湊表 的資料結構，具備特殊屬性，不管字典有多大，使用 in 運算子查找的速度都差不多。
11-2 作為計數器的字典集合
如果現在有一個字串，你想知道在這個字串中每個字母各出現了幾次，有以下幾種做法可以參考：
- 定義 26 個變數各代表 26 個字母的計數器，然後使用迴圈跑完整個字串來一一比對，有出現的字母就加一。
- 做一個含有 26 個字母的列表，將字元轉成數值來比對，然後用計數器累加字母出現的次數。
- 做一個鍵為字母、值為計數器的字典，檢查字串的每個字元，並累加計數器的值。
上面的方法都能執行相同的要求，但背後的運算方式不一樣。
使用字典的做法是最方便的，因為只要做好第一次出現與後續累加的處理，程式碼也簡潔很多。
試著打破慣性思維，事實上問題比想像的簡單，完全不需要先把 26 個字母都定義好，而是利用字典的特性來簡化程式。
程式碼類似這樣：
def histogram(s):
d = dict()
for c in s:
if c not in d:
d[c] = 1
else:
d[c] += 1
return d函數一開始定義一個空字典變數，然後遍歷這個帶進來的字串。
當字母第一次出現時，新增該字母作為字典的鍵，值則設置為 1。如果已經出現過，就將值累加1, 在迴圈跑完離開後，回傳整個字典。
來看看執行的狀況：
>>> h = histogram('brontosaurus')
>>> h
{'a': 1, 'b': 1, 'o': 2, 'n': 1, 's': 2, 'r': 2, 'u': 2, 't': 1}字典有一個方法名為 get(), 第一個參數是一個字典的鍵。如果該鍵存在，則回應相對的值；若該鍵不存在，則回應第二個參數作為預設值。
例如：
>>> h = histogram('a')
>>> h
{'a': 1}
>>> h.get('a', 0)
1
>>> h.get('c', 0)
0如果沒有給第二個參數，在沒有該鍵的情況下，會回應 None：
>>> h.get('c')
>>>試著使用 get() 方法改寫 histogram() 函數，應該可以不使用 if 敘述。
11-3 循環和字典
在 for 迴圈敘述中用到字典時，會遍歷字典的鍵，像這樣印出字典的鍵與值：
def printHist(h):
for c in h:
print(c, h[c])等同於用 keys() 方法來遍歷字典的鍵。下面是它的輸出：
>>> h = histogram('parrot')
>>> printHist(h)
a 1
p 1
r 2
t 1
o 1再次強調，python 3.7 之前的字典是沒有特定順序的，如果想依特定的順序來排列顯示，必須使用內建函數 sorted():
>>> for key in sorted(h):
... print(key, h[key])
a 1
o 1
p 1
r 2
t 111-4 反向查找
給 d 字典一個鍵 k ，可以很容易地找到對應的值 v ，也就是 d[k] = v
這樣的動作，我們稱為查詢或查找。但會不會有一種需求，就是給 d 字典值 v ，反過來查找 v 的鍵 k 呢？
此時要考慮兩個點，首先，不同的鍵的值或許是一樣的，因為對一個字典來說，鍵是唯一的，但值不是，可能需要建立一個列表來包含它們。
接著，沒有簡單的語法可以完成這個反向查詢的動作，必須自己慢慢搜尋。
這邊有一個自定函數，接受一個作為字典值的參數，然後回傳這個字典最早對應到的鍵：
def reverseLookup(d, v):
for k in d:
if d[k] == v:
return k
raise LookupError()這個函數遍歷所有字典的鍵，並且判斷，若該鍵對應的值是我們想要查找的，就回傳該鍵。
在這個例子中，當所有的鍵都不符合條件時，我們使用 raise 關鍵字來引發 LookupError 這種錯誤。這種類型的錯誤，此時表示找不到符合的鍵值對。
下面是反向查詢成功的執行結果：
>>> h = histogram('parrot')
>>> key = reverseLookup(h, 2)
>>> key
'r'下面是失敗的執行結果：
>>> key = reverseLookup(h, 3)
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
File "<stdin>", line 5, in reverse_lookup
LookupError使用 raise 引發錯誤的效果，與 python 本身發生異常所產生的錯誤原理類似。在這裡， LookupError 函數名稱，就是引發錯誤時的訊息字串。
當然我們也可以指定引發錯誤時所要顯示的訊息，修改 reverse_lookup 函數的最後一行，並執行無法找到對應鍵的範例：
>>> raise LookupError('指定的值不在字典中')
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in ?
LookupError: 指定的值不在字典中反向搜尋的速度比正向搜尋慢，特別是字典很大的時候，用這種方式比較沒有效率。
小總結一下，使用 keys() 可以遍歷鍵，values() 遍歷值，最後還有個 items() 同時遍歷鍵與值：
>>> d = {'a' : 1, 'b' : 2}
>>> for i, j in d.items():
... print(i, j)
...
a 1
b 2
# i 是鍵，j 是值11-5 字典的常用方法
其實有些方法跟列表滿像的：
- clear() 清除字典
- copy() 回傳一個複製的字典
- fromkeys() 回傳複製字典特定的鍵值
- get() 回傳特定鍵的值
- items() 以 items 物件回傳字典的鍵值對
- keys() 以 keys 物件回傳字典的鍵
- pop() 給予字典的鍵，並刪除該鍵值對，且回傳其值 (使用關鍵字 del dic['key'] 也行)
- popitem() 刪除字典最後的鍵值對，並回傳數組 (python 3.7)
- setdefault() 設定字典的鍵值對，該鍵存在則回傳其值，否則直接插入字典中，亦可指定預設值
- update() 用字典的形式來更新字典
- values() 以 values 物件回傳字典的值
11-6 字典與列表
字典的值也可以是一個列表。之前我們有一個給予字串產生字母出現次數的字典對照表，也就是函數 histogram()
翻轉它的鍵值，也就是字母出現的次數當作鍵，字母當作值。在這樣的情況下，可能會有許多字母出現的次數是一樣的，一個次數對應到多個字母，使用列表值儲存值，就顯得很方便。
請看以下函數：
def invertDict(d):
inverse = dict()
for key in d:
val = d[key]
if val not in inverse:
inverse[val] = [key]
else:
inverse[val].append(key)
return inverse每次循環，我們遍歷原本的字典的鍵，然後把它的值當作新字典的鍵。
那新字典的值該怎麼產生呢？利用一個判斷式，假如字母出現的字數不是新字典的鍵，就把這個鍵值對存到新字典中，並且值是一個列表的形式。
否則把值，也就是字母加入該列表中，表示這些字母出現的次數是相同的，最後回傳新產生的字典。
以下是執行的例子參考：
>>> hist = histogram('parrot')
>>> hist
{'a': 1, 'p': 1, 'r': 2, 't': 1, 'o': 1}
>>> inverse = invertDict(hist)
>>> inverse
{1: ['a', 'p', 't', 'o'], 2: ['r']}如果把列表當作字典的鍵呢？試試看會發生什麼事：
>>> t = [1, 2, 3]
>>> d = dict()
>>> d[t] = 'oops'
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in ?
TypeError: list objects are unhashable
# 型態錯誤：列表物件是非哈希值事實上，之前我們已經了解，鍵必須具備不可變的屬性，因為字典是使用雜湊表的方式來處理數據的。
當鍵是可改變的情況下，沒有辦法執行雜湊查找，很可能會對應到錯誤的值。
列表是可以被隨意更動的，可用來當作字典的值，但不能當作鍵。解決這個問題的方法是使用數組來當作鍵，這部分下個章節會描述。
當字典的值是列表的情況下，應該怎麼取值呢？其實原理都是一樣的，先使用字典的鍵呼叫出值，接著加一個 index ，也就是索引，來指定列表的值即可：
d = {
'a' : 'about',
'b' : ['book', 'bring', 'bye'],
'c' : 'cook'
}
print(d['a'])
# about
print(d['b'][1])
# bring當然也可以使用迴圈來遍歷它：
for i in d['b']:
print(i)
# book
# bring
# bye如果是列表中的字典，要注意初始化的方式不同，結果也會完全不同：
d = [{}] * 3
print(d)
# [{}, {}, {}] 一個列表中包含三個元素，每個元素都是一個字典，三個元素相等且相同
d[0]['one'] = 1
print(d)
# [{'one': 1}, {'one': 1}, {'one': 1}]
dd = []
for i in range(3):
dd.append({})
print(dd)
# [{}, {}, {}] 一個列表中包含三個元素，每個元素都是一個字典，三個元素相等但不同
dd[0]['one'] = 1
print(dd)
# [{'one': 1}, {}, {}]必須釐清列表中的元素是不是同一個，如果是同一塊記憶體，只要改變其中一個，就會連動影響全部的元素，這部分在上一章中已經提過。
11-7 備忘錄
在第六章中(6-8)，我們研究了 fibonacci 數列，當時使用遞迴的方式來撰寫這個功能，但當數字帶入得越大，程式執行的時間也會越長。數字大到一定程度時，這程式顯得很沒效率。
使用遞迴的方式會將數值放於堆疊(stack)當中，一層層的堆疊，數字越大，則需要呼叫更多次函數，也需要更多空間，拉長執行時間。
使用字典的鍵值對特性來處理這個問題，稱為 備忘錄，把計算過的值儲存下來供下一次利用。試著寫一個這種版本的 fibonacci 遞迴函數：
def fibonacci(n):
if n in known:
return known[n]
res = fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2)
known[n] = res
return res
known = {0:0, 1:1}使用 known 把最初的兩組鍵值對存到字典中，當帶入的值已經存在字典的鍵，直接回傳其值。
若該值不是該鍵，則執行公式，以遞迴呼叫。不同的是，把結果存到字典當中，當有紀錄的值存在時，就可以直接調用。
大家可以比較一下這兩種版本執行的效率，有很明顯的差別。
11-8 全域變數
上個例子的 known 就是個全域變數，全域變數定義在所有函數之外，也就是名為 name 的系統變數若為 'main' 時，表示處在全域的空間中，每個函數都可以使用它。
不像一般區域變數，當函數結束時，區域變數也隨之消失。
全域變數可以被不同的函數使用，使用時機通常是在做一些狀態的控制，這個狀態可能會影響多個函數的執行條件。因為需要跨函數的確認狀態，所以會把這個變數定義成全域變數，供需要的函數使用。
類似這樣：
verbose = True
def example1():
if verbose:
print('Running example1')
example1()
# Running example1如果試圖重新賦值給全域變數，會有什麼結果：
been_called = False
def example2():
been_called = True # 僅作用於函數內
print('在函數內', been_called)
example2()
print('在函數外', been_called)
# 在函數內 True
# 在函數外 False你會發現全域變數的值沒有被改變，因為此時在該函數中創建了一個名字與全域變數相同的區域變數。
因此設定區域變數的值，並不影響全域變數的值。函數結束後，區域變數也隨之消失。
如果想在函數中改變全域變數的值也可以，但需要使用 global 這個關鍵字來宣告變數：
been_called = False
def example3():
global been_called
been_called = True
print('在函數內', been_called)
example3()
print('在函數外', been_called)
# 在函數內 True
# 在函數外 Trueglobal 關鍵字告訴程式這個變數是全域變數，不要建立一個區域變數，這樣後面的操作就是針對這個全域變數了。
count = 0
def example4():
count = count + 1 # 錯誤
example4()如果執行上面的程式，你會得到一個錯誤：
UnboundLocalError: local variable 'count' referenced before assignment
未綁定的區域錯誤：區域變數 count 必須先賦值才能被參照
python 會預設這個 count 是一個區域變數，因為沒有事先定義這個區域變數的值就累加它，所以產生錯誤。
解決方案就是如上所述，使用 global 關鍵字來宣告這個變數是一個全域變數：
def example5():
global count
count += 1
count = 0
example5()
print(count)
# 1如果全域變數擁有可變值的特性，那麼可以在不使用 global 宣告為全域變數時，直接改變其值：
known = {0:0, 1:1}
def example6():
known[2] = 1
example6()
print(known)
# {0: 0, 1: 1, 2: 1}因此，可以直接去改變全域列表或字典，因為它們都是可變的變數。之前的例子不行，是因為它們指向了常數或字串。
新增、取代和刪除原本的元素都可以，但想指向另一個字典或列表，還是必須用 global 宣告才行：
known = [1, 2, 3]
def example7():
global known
known = dict()
example7()
print(type(known))
# <class 'dict'>儘管全域變數帶來了方便性，但若有兩個以上的函數去改變它的值，這樣就很容易出錯，而且除錯上也會增加難度，所以必須小心使用。
除錯
當資料量較大時，手動列印一些值出來確認是困難且不切實際的，以下幾點供參：
- 縮小輸入的範圍：
要讀取檔案做處理時，先讀進幾行數據來模擬就好，發生錯誤會比較容易查找與調校。當功能皆正常時，再擴大資料量以求穩固。 - 檢查摘要及類型：
列印數值的摘要，會比列印整個字典或列表來得有效率，例如檢查列表的長度或字典的鍵值對個數等。通常這種執行錯誤都是值的型態不正確，所以印出值的類型就可以了。 - 自己寫測試程式碼：
有時可以自己寫一些簡單的測試碼，來檢驗程式的正確性，例如計算一個列表的平均值，測試這個平均值是否大於該列表的最大值或者小於最小值，這稱為 合理測試，可檢查出這個值的合理性。另一種測試法是比較兩個結果是否一致，稱為一致性檢查。 - 格式化輸出：
格式化的輸出比較容易幫助我們發現錯誤。之前在第六章的除錯中，已經分享過撰寫格式化的輸出方式來除錯。還有一個 pprint 模組裡的 pprint 函數，可以更人性化地輸出，縮寫正是 pretty-print 的意思。
當然，花在構建測試程式碼的時間越長，程式出錯的機率就越小，需要花費的除錯時間也會減少很多。
動動腦
1.建立一個虛擬的簡單郵遞區號查詢系統，使用字典包含字典的架構，讓使用者輸入縣市名稱時，列出該縣市的郵遞區號表。輸入的縣市不存在則報錯，輸入的值可以相容使用者意外的空格。
# 定義縣市與地區的郵遞區號 字典包字典架構 (簡單一兩個即可)
zip = {
'台北市' :
{'松山區' : 105, '士林區' : 111,},
'新北市' :
{'新莊區' : 123, '三重區' : 888,},
}
# 縣市輸入錯誤就重新讓使用者輸入，直到正確為止
while True:
area = input('請輸入縣市：')
area = area.replace(' ', '') # 整個字串的空白取代
d = zip.get(area, '沒有該縣市，請重新輸入')
if isinstance(d, dict): # 回傳字典表示有找到，否則就是一個錯誤訊息字串
break
else:
print(d)
# 印出郵遞區號列表
for k, v in d.items():
print(k, v)練習
練習 1 檔名 11-1.py
寫一個函數，讀取 words.txt 的單字當作一個字典的鍵與值。
最後使用 in 敘述來判斷該鍵是否存在於該字典中，比較一下這個方式跟第 10 章的第 9 題練習二分搜尋法，哪一個查詢的速度比較快？
練習 2 檔名 11-2.py
大家應該都玩過井字遊戲吧，來寫一個兩人對戰的井字遊戲程式，井字遊戲的棋盤像這樣：
| |
---+---+---
| |
---+---+---
| | 先下的人是 o ，後下的人是 x。
輸入位置來下子，左上角是 1 ，往右是2 ，最右邊是 3。
中間那排由左到右就是 4, 5, 6 ，最下面是 7, 8, 9。
有三種結束遊戲的狀況：
- 輸入 q 結束遊戲
- 三個相同符號連成一線時，結束比賽並顯示勝方
- 九個格子都下滿後顯示平手，結束遊戲
當後兩種情況都發生時，顯示連成一線的勝方。
遊戲開始，需要有遊戲規則的簡短說明。
棋盤必須整齊，將每個字元、符號與空白都當成同一個大小來對齊。
下子時，輸入的不是 1 到 9 ，或者輸入的位置已經有 o 或 x 了，都需要提示，並且讓使用者重新輸入位置下子。
每次下完子，都要顯示井字棋盤最新的狀況，也就是要把子放進正確的位置，還要顯示回合數與換誰下子。
練習 3 檔名 11-3.py
給你一篇英文文章，請計算這篇文章哪個單字出現最多次，並列出結果。
大小寫不同視為同一個單字，忽略標點符號，輸出時使用小寫即可。
文章內容如下：(小心，裡面有很多陷阱)
Using Python Interactive Mode
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Table of Contents for PYTHON
Writing Code in a Jupyter Notebook
Creating a folder for Jupyter Notebook
Creating and saving a Jupyter notebook
Typing and running code in a notebook
Adding some Markdown text
python markdown process
Saving and opening notebooks
python, it's power program language
about pythonic執行結果類似這樣：
>>> countWord(str)
該文章出現最多次的單字是 python ，共出現 12 次參考資料
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By： 特種兵
