Python基础指南之列表切片操作的高级应用场景

lst = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

# 完整语法：lst[start:stop:step]
# start：起始索引（包含），默认：step>0时为0，step<0时为-1
# stop：结束索引（不包含），默认：step>0时为len(lst)，step<0时为-len(lst)-1
# step：步长，默认1（不能为0）

# 从索引2到索引7（步长为2）
print(lst[2:7:2])  # [2, 4, 6]

# 从索引8到索引2（反向步长为2）
print(lst[8:2:-2])  # [8, 6, 4]

lst = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

# 当step > 0（正向）时：
# - start默认值 = 0
# - stop默认值 = len(lst)

# 以下等价：
print(lst[0:10:1])  # [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
print(lst[::1])     # [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
print(lst[:])       # [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
print(lst[0::1])    # [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
print(lst[:10:1])   # [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

# 当step < 0（反向）时：
# - start默认值 = len(lst) - 1（即-1，最后一个元素）
# - stop默认值 = -len(lst) - 1（即取到最前面）

# 以下等价：
print(lst[::-1])    # [9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0]
print(lst[-1:-11:-1])  # [9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0]

# 理解切片中的索引计算
lst = [10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80]
# 索引：0   1   2   3   4   5   6   7

# 规则：lst[start:stop:step] 包含索引 start, start+step, start+2*step, ...
# 直到达到或越过 stop

# 例：lst[1:6:2]
# 索引序列：1, 1+2=3, 3+2=5 → 索引1, 3, 5
# 下一个 5+2=7 ≥ stop=6，停止
print(lst[1:6:2])  # [20, 40, 60]

# 例：lst[6:1:-2]
# 索引序列：6, 6-2=4, 4-2=2 → 索引6, 4, 2
# 下一个 2-2=0 ≤ stop=1，停止
print(lst[6:1:-2])  # [70, 50, 30]

# 核心记忆：step的正负决定方向，包含start不包含stop

lst = [1, 2, 3, 4, 5]

# 无论start和stop有多大或多小，切片都不会报错
print(lst[0:100])     # [1, 2, 3, 4, 5]（自动截断）
print(lst[-100:3])    # [1, 2, 3]
print(lst[10:20])     # []（start超出范围，返回空列表）
print(lst[-10:-20])   # []（空范围，返回空列表）
print(lst[100:0])     # []（start > stop，返回空列表）

# 这就是为什么切片比索引更适合处理边界模糊的情况
# 索引访问：越界就报错
# lst[100]  # IndexError

# 切片访问：越界就截断或返回空，永不出错
# 这个特性让很多边界处理的代码变简单了

original = [1, 2, 3]
sliced = original[:]  # 创建副本

# 修改原列表不影响切片
original[0] = 999
print(original)  # [999, 2, 3]
print(sliced)    # [1, 2, 3]

# 但对于嵌套列表，内层对象是共享的
nested = [[1, 2], [3, 4]]
copy_nested = nested[:]

nested[0][0] = 999
print(nested)       # [[999, 2], [3, 4]]
print(copy_nested)  # [[999, 2], [3, 4]]（内层共享！）

# 如果需要完全独立的副本，用copy.deepcopy
import copy
deep = copy.deepcopy(nested)
nested[0][0] = 111
print(nested)  # [[111, 2], [3, 4]]
print(deep)    # [[999, 2], [3, 4]]（不受影响）

# 用切片获取一个视图...等等，Python的切片返回的是新列表，不是视图！
# 这一点和NumPy不一样

lst = [1, 2, 3, 4, 5]
view = lst[1:4]  # 这是一个新列表！
view[0] = 999
print(lst)   # [1, 2, 3, 4, 5]（原列表不变）
print(view)  # [999, 3, 4]

# 这一点和NumPy数组的行为不同
import numpy as np
arr = np.array([1, 2, 3, 4, 5])
arr_view = arr[1:4]  # NumPy的切片是视图（共享底层数据）
arr_view[0] = 999
print(arr)      # [  1 999   3   4   5]（原数组也被改了！）
print(arr_view) # [999   3   4]

# Python列表使用这种方式原地修改切片区域：
lst[1:4] = [999, 999, 999]
print(lst)  # [1, 999, 999, 999, 5]（原列表被修改了）

nums = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

# 替换中间一段
nums[3:7] = [30, 40, 50, 60]
print(nums)  # [0, 1, 2, 30, 40, 50, 60, 7, 8, 9]

# 替换为更长的序列——列表变长！
nums[3:7] = [30, 40, 50, 60, 70, 80]
print(nums)  # [0, 1, 2, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 7, 8, 9]

# 替换为更短的序列——列表变短！
nums[3:9] = [300]
print(nums)  # [0, 1, 2, 300, 7, 8, 9]

# 替换为空——删除一段元素
nums[2:5] = []
print(nums)  # [0, 1, 7, 8, 9]

nums = [1, 5, 9]

# 在索引1处插入多个元素
nums[1:1] = [2, 3, 4]
print(nums)  # [1, 2, 3, 4, 5, 9]

# 在开头插入
nums[:0] = [-1, 0]
print(nums)  # [-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 9]

# 在末尾插入
nums[len(nums):] = [10, 11]
print(nums)  # [-1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 9, 10, 11]

# 在中间插入
mid = len(nums) // 2
nums[mid:mid] = ['中']
print(nums)  # [-1, 0, 1, 2, 3, 4, '中', 5, 9, 10, 11]

nums = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

# 删除前3个
nums[:3] = []
print(nums)  # [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

# 删除后3个
nums[-3:] = []
print(nums)  # [3, 4, 5, 6]

# 删除偶数位置（每隔一个）
nums[::2] = []
print(nums)  # [4, 6]

# 注意：`del lst[::2]` 和 `lst[::2] = []` 效果相同
nums = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
del nums[::2]
print(nums)  # [1, 3, 5, 7, 9]

nums = [0, 1, 2, 3, 4, 5]

# 带步长的切片赋值：右边的长度必须和切片结果长度一致！
nums[::2] = [10, 20, 30]  # 3个元素对3个位置
print(nums)  # [10, 1, 20, 3, 30, 5]

# ❌ 长度不匹配会报错
# nums[::2] = [10, 20]  # ValueError: attempt to assign sequence of size 2 to extended slice of size 3
# nums[::2] = [10, 20, 30, 40]  # ValueError

# 这个限制只在步长≠1时存在
# 步长为1的切片（lst[a:b]）赋值不受此限，可以改变列表长度

# 方式一：[::-1]（最常用）
lst = [1, 2, 3, 4, 5]
reversed_lst = lst[::-1]
print(reversed_lst)  # [5, 4, 3, 2, 1]

# 方式二：reversed()（返回迭代器，不创建新列表）
for item in reversed(lst):
    print(item, end=' ')  # 5 4 3 2 1
print()

# 方式三：list.reverse()（原地反转，不创建新列表）
lst.reverse()
print(lst)  # [5, 4, 3, 2, 1]

# 性能对比
# lst[::-1]：创建新列表，O(n)内存
# lst.reverse()：原地反转，O(1)额外内存
# reversed(lst)：懒迭代，O(1)额外内存

# 反向字符串
text = 'hello world'
print(text[::-1])  # dlrow olleh

original = [1, 2, 3, 4, 5]

# 三种等价的浅拷贝方式
copy1 = original[:]
copy2 = original.copy()
copy3 = list(original)

# 它们创建的都是浅拷贝
print(copy1 == copy2 == copy3)  # True
print(copy1 is original)        # False

# 哪种最快？实际测试：
import time

n = 1000000
lst = list(range(100))

start = time.perf_counter()
for _ in range(n):
    c = lst[:]
print(f'[:]      {time.perf_counter() - start:.3f}秒')

start = time.perf_counter()
for _ in range(n):
    c = lst.copy()
print(f'.copy()  {time.perf_counter() - start:.3f}秒')

start = time.perf_counter()
for _ in range(n):
    c = list(lst)
print(f'list()   {time.perf_counter() - start:.3f}秒')

# .copy()通常最快（因为是直接的C方法调用），[:]次之，list()最慢

lst = list(range(30))

# 每隔2个取一个（所有偶数索引）
print(lst[::2])
# [0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28]

# 每隔3个取一个
print(lst[::3])
# [0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27]

# 从第2个开始，每隔4个取一个
print(lst[1::4])
# [1, 5, 9, 13, 17, 21, 25, 29]

# 实际应用：对列表进行降采样
def downsample(lst, factor):
    """将列表降采样为原来的1/factor"""
    return lst[::factor]

original = list(range(100))
reduced = downsample(original, 10)
print(reduced)  # [0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90]

# 将列表的前半部分和后半部分互换
def swap_halves(lst):
    mid = len(lst) // 2
    # 注意：直接赋值会改变原列表
    lst[:] = lst[mid:] + lst[:mid]

nums = [1, 2, 3, 4, 5, 6]
swap_halves(nums)
print(nums)  # [4, 5, 6, 1, 2, 3]

# 循环左移k位
def rotate_left(lst, k):
    k %= len(lst)
    lst[:] = lst[k:] + lst[:k]

nums = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
rotate_left(nums, 2)
print(nums)  # [3, 4, 5, 6, 7, 1, 2]

# 循环右移k位
def rotate_right(lst, k):
    k %= len(lst)
    lst[:] = lst[-k:] + lst[:-k]

nums = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
rotate_right(nums, 2)
print(nums)  # [6, 7, 1, 2, 3, 4, 5]

# 去除所有偶数索引位置的元素
lst = ['a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g', 'h']
del lst[::2]
print(lst)  # ['b', 'd', 'f', 'h']

# 去除所有奇数索引位置的元素
lst = ['a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f', 'g', 'h']
del lst[1::2]
print(lst)  # ['a', 'c', 'e', 'g']

# 保留前3个和后3个，删除中间的
lst = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
lst[3:-3] = []
print(lst)  # [0, 1, 2, 7, 8, 9]

def paginate(items, page, page_size):
    """用切片实现数据分页"""
    start = (page - 1) * page_size
    end = start + page_size
    return items[start:end]

# 模拟数据库查询结果
all_data = list(range(1, 101))  # 100条数据
page_size = 10

# 第1页
print(f'第1页: {paginate(all_data, 1, page_size)}')
# 第3页
print(f'第3页: {paginate(all_data, 3, page_size)}')
# 最后一页（可能不满一页）
print(f'第10页: {paginate(all_data, 10, page_size)}')

# 超出范围返回空列表（不会报错）
print(f'第20页: {paginate(all_data, 20, page_size)}')  # []


def paginate_with_info(items, page, page_size):
    """带分页信息的分页"""
    total = len(items)
    total_pages = (total + page_size - 1) // page_size
    page = max(1, min(page, total_pages))

    start = (page - 1) * page_size
    end = min(start + page_size, total)

    return {
        'items': items[start:end],
        'page': page,
        'page_size': page_size,
        'total': total,
        'total_pages': total_pages,
        'has_prev': page > 1,
        'has_next': page < total_pages,
    }

info = paginate_with_info(all_data, 1, 10)
print(f'第{info["page"]}页/共{info["total_pages"]}页')
print(f'数据: {info["items"]}')
print(f'有上一页: {info["has_prev"]}, 有下一页: {info["has_next"]}')

# 截断长文本，加省略号
def truncate(text, max_length, ellipsis='...'):
    """用切片实现文本截断"""
    if len(text) <= max_length:
        return text
    return text[:max_length - len(ellipsis)] + ellipsis

long_text = '这是一段很长的文本内容，我们需要将其截断显示'
print(truncate(long_text, 15))  # 这是一段很长的文本内容，我...

# 提取摘要（取前N个字符）
def summary(text, n=100):
    return text[:n]

# 取文本的最后N行
def last_n_lines(text, n):
    lines = text.splitlines()
    return '\n'.join(lines[-n:])

log = '\n'.join(f'第{i}行日志：一切正常' for i in range(1, 101))
print(last_n_lines(log, 3))
# 第98行日志：一切正常
# 第99行日志：一切正常
# 第100行日志：一切正常

# 初始化部分元素
nums = [0] * 10
# 将前5个设为1
nums[:5] = [1] * 5
print(nums)  # [1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0]

# 交替模式
nums = [0] * 10
nums[::2] = [1] * 5  # 偶数位为1
print(nums)  # [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0]

# 更复杂的模式——棋盘格
size = 8
row_template = [0] * size
row_template[::2] = [1] * (size // 2)
# row_template = [1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0]

board = []
for i in range(size):
    if i % 2 == 0:
        board.append(row_template[:])
    else:
        board.append(row_template[::-1])

for row in board:
    print(' '.join('█' if c else ' ' for c in row))

def spiral_order(matrix):
    """用切片实现矩阵的螺旋遍历"""
    result = []
    while matrix:
        # 取第一行
        result.extend(matrix[0])
        # 去掉第一行，然后逆时针旋转矩阵
        matrix = matrix[1:]
        if matrix:
            # 逆时针旋转 = 转置 + 行反转
            matrix = [list(row) for row in zip(*matrix)][::-1]
    return result

matrix = [
    [1,  2,  3,  4],
    [5,  6,  7,  8],
    [9, 10, 11, 12],
]
print(spiral_order(matrix))
# [1, 2, 3, 4, 8, 12, 11, 10, 9, 5, 6, 7]

# slice(start, stop, step)创建切片对象
s = slice(2, 8, 2)
print(s)  # slice(2, 8, 2)

lst = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
print(lst[s])  # [2, 4, 6]（和lst[2:8:2]完全一样）

# 切片对象可以复用
data1 = list(range(100))
data2 = list(range(100, 200))
data3 = list(range(200, 300))

# 定义好切片规则，到处使用
first_half = slice(None, 50)     # 等价于 [:50]
last_quarter = slice(-25, None)  # 等价于 [-25:]
every_10th = slice(None, None, 10)  # 等价于 [::10]

print(data1[first_half])
print(data2[last_quarter])
print(data3[every_10th])

s = slice(2, 10, 3)
print(s.start)  # 2
print(s.stop)   # 10
print(s.step)   # 3

# indices()方法：根据序列长度规范化切片参数
lst = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
print(s.indices(len(lst)))  # (2, 10, 3)
# 这意味着实际提取的是索引2, 5, 8

# 当切片参数超出范围时，indices()会自动修正
s2 = slice(5, 100, 2)
print(s2.indices(10))  # (5, 10, 2)（stop从100修正为10）

s3 = slice(-100, 3, 1)
print(s3.indices(10))  # (0, 3, 1)（start从-100修正为0）

# 用indices()实现自己的安全切片操作
def my_slice(sequence, slice_obj):
    """使用slice对象的通用安全切片"""
    start, stop, step = slice_obj.indices(len(sequence))
    result = []
    i = start
    if step > 0:
        while i < stop:
            result.append(sequence[i])
            i += step
    else:
        while i > stop:
            result.append(sequence[i])
            i += step
    return type(sequence)(result) if hasattr(type(sequence), '__call__') else result

class DataSeries:
    """自定义的数据库列——演示如何支持切片操作"""

    def __init__(self, data):
        self._data = list(data)

    def __getitem__(self, key):
        """支持索引和切片"""
        if isinstance(key, slice):
            # 可以用indices()规范化切片参数
            start, stop, step = key.indices(len(self._data))
            result = [self._data[i] for i in range(start, stop, step)]
            return DataSeries(result)
        elif isinstance(key, int):
            return self._data[key]
        else:
            raise TypeError(f'不支持的索引类型：{type(key)}')

    def __setitem__(self, key, value):
        """支持索引赋值和切片赋值"""
        if isinstance(key, slice):
            self._data[key] = value
        elif isinstance(key, int):
            self._data[key] = value
        else:
            raise TypeError(f'不支持的索引类型：{type(key)}')

    def __delitem__(self, key):
        """支持通过切片删除"""
        if isinstance(key, slice):
            del self._data[key]
        elif isinstance(key, int):
            del self._data[key]

    def __len__(self):
        return len(self._data)

    def __repr__(self):
        return f'DataSeries({self._data})'


ds = DataSeries([10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100])

# 使用切片
print(ds[2:5])       # DataSeries([30, 40, 50])
print(ds[::2])       # DataSeries([10, 30, 50, 70, 90])
print(ds[::-1])      # DataSeries([100, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10])

# 切片赋值
ds[2:5] = [300, 400, 500]
print(ds)  # DataSeries([10, 20, 300, 400, 500, 60, 70, 80, 90, 100])

# 切片删除
del ds[3:7]
print(ds)  # DataSeries([10, 20, 300, 70, 80, 90, 100])

import sys

# 切片总是创建新列表——对大列表会导致内存翻倍
large_list = list(range(10000000))  # 1000万元素

# 取一小段也会创建新列表（虽然只包含几个元素）
small_slice = large_list[1000:1010]
print(f'原列表大小: {sys.getsizeof(large_list):,} 字节')
print(f'切片大小: {sys.getsizeof(small_slice):,} 字节')

# 如果只需要遍历，不需要切片
# 不推荐（创建新列表）
for item in large_list[1000:1010]:
    print(item)

# 推荐（用islice避免创建新列表）
from itertools import islice
for item in islice(large_list, 1000, 1010):
    print(item)

# 陷阱一：忘记切片是浅拷贝
original = [[0]] * 5
copy = original[:]
copy[0][0] = 999
print(original)  # [[999], [999], [999], [999], [999]]（所有元素都变了！）
print(copy)      # [[999], [999], [999], [999], [999]]

# 陷阱二：对切片赋值 vs 对切片变量赋值
lst = [1, 2, 3, 4, 5]
s = lst[1:4]   # s是一个新列表
s[0] = 100     # 修改s不影响lst
print(lst)     # [1, 2, 3, 4, 5]（lst没变）

lst[1:4] = [100, 100, 100]  # 这是切片赋值，修改lst本身
print(lst)     # [1, 100, 100, 100, 5]

# 陷阱三：带步长的切片赋值长度必须匹配
lst = [0, 1, 2, 3, 4, 5]
# lst[::2] = [10, 20]  # ValueError（3个位置但只给了2个值）

# 陷阱四：负数步长时start应大于stop
lst = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
print(lst[2:8:2])   # [2, 4, 6]（正确）
print(lst[8:2:-2])  # [8, 6, 4]（正确）
print(lst[2:8:-2])  # []（空！start < stop，反向步长取不到值）

# 陷阱五：给切片赋值的右边不一定是列表
lst = [1, 2, 3, 4, 5]
lst[1:4] = 'XYZ'  # 字符串被拆为字符序列
print(lst)  # [1, 'X', 'Y', 'Z', 5]

lst[1:4] = range(100, 103)  # range也是可迭代对象
print(lst)  # [1, 100, 101, 102, 5]

def is_palindrome(s):
    """用切片判断回文"""
    # 去掉非字母数字字符，统一小写
    cleaned = ''.join(c.lower() for c in s if c.isalnum())
    return cleaned == cleaned[::-1]

print(is_palindrome('A man, a plan, a canal: Panama'))  # True
print(is_palindrome('race a car'))                      # False
print(is_palindrome('上海自来水来自海上'))              # True

def pascal_triangle(n):
    """生成杨辉三角——用切片轻松实现"""
    result = [[1]]
    for _ in range(1, n):
        prev = result[-1]
        # 核心：每行前后补0，相邻元素相加
        current = [1] + [prev[i] + prev[i + 1] for i in range(len(prev) - 1)] + [1]
        result.append(current)
    return result

# 更Pythonic的写法（用切片）
def pascal_triangle_v2(n):
    result = [[1]]
    for _ in range(1, n):
        prev = [0] + result[-1] + [0]
        current = [prev[i] + prev[i + 1] for i in range(len(prev) - 1)]
        result.append(current)
    return result

for row in pascal_triangle_v2(8):
    print(' '.join(f'{x:3d}' for x in row).center(40))

def format_columns(data, col_widths):
    """用切片分列展示数据"""
    result = []
    for row in data:
        formatted = [str(cell)[:w].ljust(w) for cell, w in zip(row, col_widths)]
        result.append(' | '.join(formatted))
    return '\n'.join(result)

headers = ['姓名', '年龄', '城市', '职业']
rows = [
    ['小明', 25, '北京', '软件工程师'],
    ['小红', 23, '上海', 'UI设计师'],
    ['Alexander Hamilton', 26, '广州', '数据科学家'],
]

# 计算列宽
col_widths = []
for i in range(len(headers)):
    max_w = max(len(str(row[i])) for row in [headers] + rows)
    col_widths.append(max_w + 2)

print(format_columns([headers] + rows, col_widths))