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第十三章 案例研究：資料結構的選擇

一開始我們是從單一型態的變數學習起的，現在已經學會了混合的資料型態類別，這些也是資料結構的基礎。

不同資料型態有自己的函數與方法，每種資料型態亦有其獨特性。

在本章中，除了操作小練習外，更重要的是以實例為大家解說在不同情境下資料結構的選擇。

13-0 集合

還有一種複合資料型態叫做集合 (set)，在原文講義中，後面章節才會提到，這裡稍微介紹一下，至少要知道這個型態的特性。

>>> y = set()
>>> type(y)
<class 'set'>

它的架構像列表，不過是把中括號改成大括號，但不像字典有鍵值對：

>>> x = {1, 2, 'string'}
>>> x
{1, 2, 'string'}

集合的特性是不能存入相同的值，相同的值會被捨棄。可以想成是字典的鍵集合。

>>> d = {'a': 123, 'b': 456}
>>> set(d)
{'b', 'a'}

因此，想去掉一個列表的重複元素，就可以使用集合：

>>> lst = [1, 2, 3, 2, 4, 1]
>>> lsts = set(lst)
>>> lsts
{1, 2, 3, 4}
>>> lst = list(lsts)
>>> lst
[1, 2, 3, 4]

集合一樣可以使用索引來取值，但它是不可變的型態，也就是不能對其新增、修改與刪除元素，這部分的特性比較像數組。

另外，它有幾個比較常用的方法是：

1. intersection 取交集
2. union 取聯集
3. difference 取差集

>>> languages1 = {'js', 'python', 'go'}
>>> languages2 = {'python', 'go', 'java'}
>>> languages1.intersection(languages2) # 交集
{'python', 'go'}
>>> languages1.union(languages2) # 聯集
{'js', 'python', 'java', 'go'}
>>> languages1.difference(languages2) # 差集
{'js'}

到此，python 的四種複合式資料型態：列表、字典、數組與集合才算全部介紹完畢。

13-1 學生考試成績

假設一個班級共有3位學員，目前我們有這些學員的身高、體重與 2021 年國、英、數三科的分數。

資料整理如下：

姓名	身高	體重	國語	英文	數學
小慶	175	68	90	80	100
小達	170	65	82	70	90
小翰	180	80	85	88	86

依據這些資料，需要回答一些問題。

想建立這樣的資料讓程式使用，應該選擇哪一種資料結構呢？

首先，因為可能用到計算，顯然選擇一種較有彈性的資料型態會好一些，如列表或字典。

從資料中可以看出，使用列表雖然可以按序把資料存進去，但在取得資料時會比較不方便，因為列表只能用索引來取值，所以必須記得哪個索引是代表什麼資料，之後如果有更多科目或資訊，該怎麼辦？

最後，考慮選擇字典，因為索引可以很直觀地使用有意義的文字，甚至是中文也可以。

有意義的關鍵字，比較不會遺忘，在處理資料與整個程式碼時，看起來更直覺易懂。

雖然字典可能是無序的，但對我們來說，這些資料的順序並不重要，只要同一個人的資料可以歸納在一起，並有關鍵字來取得不同類別的資料即可。

確定選擇字典後，開始思考怎麼建立資料。

在同一個字典的鍵 (key) 必須是唯一值，也就是不能重複，顯然 d['姓名'] = '小慶' 這種架構較不理想，因為三個人的名字都是姓名，那 key 就重複了。使用姓名一、二、三也不是好主意，因為這樣又會落入死背號碼的窘況。

必須找出資料的相同與不同之處，加以歸納，雖然三個人都有名字，但三個人的名字都不一樣，把不同的名字直接拿來當作鍵，看起來比較合適。

那值呢？值就是屬於每個人的資料內容。但因為每個人的資料又有好幾個項目，所以值的部分也必須選擇一個比較好的資料型態。如果選擇列表，又會發生要記索引的問題，那還是考慮字典吧。

這個字典也需要鍵與值，很直觀的，鍵就是身高、體重、國語、英文和數學了。值就是資料內容本身。

雖然每個人都有一樣的鍵，但因為屬於不同人名下的字典，因此不會有問題。最後，我們決定使用字典的字典來初始化這些資料。

參考程式碼如下：

students_data = {
	'小慶' :
	{'身高' : 175, '體重' : 68, '國語' : 90, '英文' : 80, '數學' : 100},
	'小達' :
	{'身高' : 170, '體重' : 65, '國語' : 82, '英文' : 70, '數學' : 90},
	'小翰' :
	{'身高' : 180, '體重' : 80, '國語' : 85, '英文' : 88, '數學' : 86},
}

換行是給工程師容易看的，對程式來說可以全部寫在同一行，分行寫清楚有助於除錯。

接著取值看看：

>>> students_data['小達']['英文']
70

接著我們來幫這三個學員計算他們的 BMI 是不是符合標準。

BMI 的計算方式是體重(公斤)除以身高(公尺)的平方。算出來的數值，標準參考如下：

• 18.5 以下為過瘦
• 18.5 到 24 為正常
• 24 到 27 為過重
• 27 到 30 為輕度肥胖
• 30 到 35 為中度肥胖
• 35 到 38 為過度肥胖
• 38 以上為病態肥胖

寫一個計算每個學員 BMI 的函數，並將結果存到該學員的字典中。

此時，又要思考一個問題，就是應該把迴圈寫在函數中計算每個人的 BMI ，還是只寫單次計算的方式就好？

如果把迴圈寫在函數裡，就表示要帶的參數是一個列表或字典，通常這樣的做法比較偏向方法的撰寫。

現在是撰寫一個可以通用的函數，因此我會選擇只在函數中完成計算。至於怎麼呼叫，就由呼叫的人決定。

想要計算每一個人，就由呼叫端寫迴圈把數值帶進來計算，這樣或許可以保持函數的通用性。

所以我們寫成這樣：

# 給定公斤與公尺，計算 BMI
def bmi(m, k):
	return k / m ** 2

這邊注意三件事：

1. 身高的單位是公尺
2. 需要小數所以不能用地板除 //
3. ** 的優先順序最高(由右往左結合)

我們還可以寫一個專門把身高公分轉成公尺的函數，這個函數很簡單，但需要注意每個微小的細節，才能寫好。

我們不需要一次到位的寫程式能力，但需要調整程式到位的功力。

所以這樣調用這個函數：

>>> bmi(students_data['小慶']['身高'] / 100, students_data['小慶']['體重'])
22.20408163265306

事情還沒完，要能算出每個學員的 BMI ，然後分別存入字典中。

問題又來了，如果是列表，我們可以很直覺地使用 for 迴圈來遍歷每個值，因為索引是按照順序的。

但字典可能是無序的，而且鍵是有意義的關鍵字，那要怎麼遍歷？

利用之前所學，可以遍歷字典的鍵，再利用這個鍵帶回去字典裡找我們要的值，像這樣：

for k in students_data.keys(): # 遍歷字典的鍵，也就是學員姓名
	students_data[k]['bmi'] = bmi(students_data[k]['身高'] / 100, students_data[k]['體重']) # 直接利用鍵找到所有的資訊帶入，並將計算結果存回字典

讓我們確認一下 BMI 資料有沒有存入：

>>> students_data['小慶']['bmi']
22.20408163265306

接下來，想要計算每個人的平均分數，並且保持擴充性，也就是將來加了美術、體育、化學等成績時，原本的程式不用大改。

如果免不了要改程式，請盡量降低修改程度，避免發生掛一漏萬的狀況。

我的做法是建立一個列表，將科目，也就是鍵，放到列表當中，之後都是由這個列表當作鍵來取值。新增科目除了原先的字典需加入資料外，也需要在該列表中加入科目，這些都是程式可以自動化的工作。

沒有使用數組或集合，是因為沒辦法增加值進去，比較不方便。

例如：

subject = ['國語', '英文', '數學'] # 初始基本款

想增加科目就用 append() 方法來把科目加到列表中。

只要遍歷這個列表，就可以得到所有的科目。同時，計算這個列表的長度，也可以知道目前有幾個科目。

類似這樣：

# 帶入所有科目與目前分數，計算總平均
def grade(sub, p):
	sum = 0 # 用來累加所有科目的總分
	length = len(sub) # 算出目前有幾個科目
	# 累加所有科目的總分
	for i in sub: # 遍歷科目列表可以得到所有科目
		sum += p[i] # 所有科目分數加總
	return sum / length # 回傳總平均

調用計算一個學員的平均，像這樣：

>>> grade(subject, students_data['小達'])
80.66666666666667

科目與數量都是動態的，這樣就可以隨時增減科目了。

值得注意的是，調用時是傳內層的字典進去，所以在函數中變成只有一層的字典在使用，沒用到的元素先不管它。

至於想帶入計算每個學員的平均，方式就跟前述討論的計算 BMI 一樣用迴圈了。

順便提醒，在函數中變更作為參數傳入的字典、列表的值，也會直接作用在全域的變數當中。

13-2 亂數

在之前的章節練習中，已經有請大家閱讀過亂數的使用參考文章，現在在這裡正式地介紹它。

亂數產生的方式，目前學到兩類，一類是數字形的亂數，像是亂數取得整數：

import random

num = random.randint(10, 20)
print(num)

重點是取出來的亂數也包含 10 和 20 這兩個數喔。

以下是亂數取得 0 到 1 之間的數：

import random

t = random.random()
print(t)

上面的小數呈現並非不實用，它的好處是想要幾位數就乘多少，指定兩個小數間的亂數也可以：

import random

c = random.uniform(0.0, 20.0)
print(c)

另外一類就是我們自己已經有樣本，然後希望用亂數的方式取得其中一個項目，像這樣：

import random

x = random.choice([1, 3, 5, 7, 9])
print(x)

還有可以從樣本中隨機產生固定數量的亂數：

import random

y = random.sample([1, 3, 5, 7, 9], 2)
print(y)

我想這些就非常夠用了，最後補一個隨機打亂原本排序樣本的方法，像是洗牌程式就會用到：

import random

data = [1, 3, 5, 7, 9]
random.shuffle(data)
print(data)

13-3 對對碰

這是一種考驗記憶力的紙牌遊戲，俗稱釣魚。玩法是將整副牌蓋住打散，全部任意排在桌上，雙方輪流，一次翻兩張牌，如果數字一樣就收走得分。

若翻出來的數字不同，則將牌蓋上，換下一個玩家翻牌。如果得分，還可以再翻一次，直到大家把牌翻完，得到最多分的玩家獲勝。

一個很簡單的遊戲，通常是比較小的孩子才會想玩，玩家的記憶力都不好的話，一場可能會玩很久。我們來思考這樣的紙牌遊戲應該怎麼初始化。

由規則中看出，這個遊戲不強調紙牌花色，所以只針對數字即可。

可以先考慮產生一個按照順序排列的紙牌列表，再用上一節介紹的方法把數字打亂，別忘了共有52張牌：

import random

special = ['A', 'J', 'Q', 'K']
pi = []
for i in range(2, 11):
	pi.append(i)
for i in special:
	pi.append(i)
pi *= 4
random.shuffle(pi)
print(pi)

為了貼近真實，必須使用 A, J, Q, K 來取代 1, 11, 12, 13 這些數字。因為這些牌的順序必須被打亂，所以不需要按照順序排列。

可以考慮一開始就建立一個正確順序的靜態列表，最後直接打亂順序就好：

import random

pi = ['A', 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 'J', 'Q', 'K']
pi *= 4
random.shuffle(pi)
print(pi)

還可以建立一個13張牌的列表，用 choice 隨機挑選數字，要記得被挑出來的數字需從原列表刪除。

總之，可以想到的方式很多，自己比較一下哪一個較好，還有沒有更好的方式。

在不太影響效能的情況下，方法的選擇是很自由的，有人喜歡選速度快的、有人會選程式碼少的，也有人會想要選擇容易看懂的程式碼。

13-4 列表的表達式

列表也稱為串列，所以又稱為串列表達式。它是一種快速建立列表的方法，通常搭配 for 迴圈使用。

第一個例子是產生一個 1 到 10 的列表，之前是用純 for 迴圈完成，現在還有另一種做法：

num_list = [i for i in range(1, 11)]
print(num_list)

注意，此時的 for 是沒有冒號的，for 前面的 i 就是最後產生出來的列表元素。

第二個例子是產生 1 到 10 的偶數列表：

num_list = [i for i in range(1, 11) if i % 2 == 0]
print(num_list)

在上個例子中，使用 range() 的第三個參數就可以解決，不過在這裡主要是探討表達式的用法，故意使用 if 來完成。關鍵在於執行順序。

先進入 for 迴圈，產生 i 後再判斷迴圈內的 if 為真時，才是最後留下來的列表元素 i。

第三個例子是產生一個從 1 到 10 的平方列表：

squares = [value**2 for value in range(1, 11)]
print(squares)

上例是在 for 前面的元素加入運算式，最後產生想要的結果。

第四個例子，從另外一個列表挑出及格的分數成為新列表(加入判斷式)：

all_grades = [80, 70, 50, 100, 20, 40, 90, 10]
grades = [grade for grade in all_grades if grade > 60]
print(grades)

運作的順序與第二個例子完全相同，只是本例是遍歷一個分數列表。

第五個例子，使用兩個 for 迴圈產生一個九九乘法表的積列表：

result = [i * j for i in range(1, 10) for j in range(1, 10)]
print(result)

上例是雙層的迴圈，思路上可以把 i * j 的式子當作是在第二個迴圈裡面執行的敘述，會比較好理解。

第六個是產生雙層迴圈的例子：

result = [[j for j in range(10)] for i in range(3)]
print(result)

上例中，先產生0到9的列表，迴圈共跑三圈，最後會產生三次一樣的列表。加上最外面的列表中括號，成為列表中的列表。

最後，表達式不只是用在列表上，還可以這樣做：

[print(i) for i in range(10)]

上例將會印出0到9，每行一個數字。

如果夠熟悉的話，還可以創造出許多有趣的列表或利用簡短的程式碼，做到複雜的事情。

但也建議不要把表達式弄得太複雜難懂，否則將失去意義。

除錯

當你正在對程式除錯，特別是遇到很難抓出的問題時，請考慮這五點：

1. 閱讀：檢查程式碼，一次次地讀它，直到確定程式碼所表達的確實是原本想要的意思。
2. 執行：不斷地修改並使用不同的版本、方式去測試程式，通常在正確的地方顯示正確的結果，就表示程式沒問題。有時免不了要寫一些測試程式，或設計一下測試方案，才能發現更多潛在的問題。
3. 反省：思考這方面的錯誤屬於哪一類，語法、語意還是執行錯誤，這有助於你把問題點縮小，再回溯問題出現前曾改了什麼、是不是確定看懂且閱讀完整錯誤訊息的內容。
4. 橡皮鴨除錯法：卡關時，不要只思考自認為錯誤的地方，試著找個對象解釋你寫的程式，甚至像外國的Quack Overflow形容的，向橡皮鴨解釋也可以。這能幫助你冷靜下來，釐清思路，避免在一個圈圈裡繞不出來，發現不足之處。
5. 後退：打掉重練也是一個辦法。將程式往回修改到相對簡單且沒有問題的版本，再重新開始寫。這會打破自己的預設，帶來不同的思維，並避開原本發生問題的設計。退回原點重新思考無須擔心誤刪程式碼，如果刪了程式碼卻寫不回來，表示還有地方不懂，那就必須再學習。

我有個經驗，跑去洗個澡、睡個覺或散散步，先做別的事再換個心情，或許就會豁然開朗了。

動動腦

如何初始化字典列表？

# 單次
d = {'姓名' : '王大毛', '性別' : '男'}
lst = []
lst.append(d)
print(lst)

# 迴圈
for i in range(10):
	lst.append(d)
print(lst)

# 表達式
length = 10
dl = []
dl = [d for i in range(length)]
print(dl)

習題

練習 1 檔名： 13-1.py

請完成「對對碰遊戲」，暫時以兩個玩家比賽來撰寫就好。

之前較大的習題都幫各位設計好流程並有操作範例，現在該是讓大家自己去思考發揮的時候了。我不希望間接限制了你們的創意與思維。

以下是必須思考的問題，想通了再來撰寫這個遊戲，會比較輕鬆。

• 怎麼讓玩家使用鍵盤翻牌？
• 翻牌後在什麼時間點蓋回去？
• 在沒有圖形介面的情況下，該怎麼排列這 52 張牌？
• 翻牌時，有哪些狀況是需要做判斷的，這些判斷的順序應該怎麼安排？
• 這種一個人翻兩張牌的玩法該怎麼設計比較合理？

練習 2 檔名： 13-2.py

用一行程式取得 1 到 10 中，有哪些數的立方超過 300 的，並直接將該數的平方印出來，每行一個。

參考資料

python collections

python 綜合表達式

使用 for 迴圈產生列表

影片

第十三章 案例研究-資料結構的選擇