Python 序列的索引切片

说明

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Python 切片就是在序列对象（字符串、元组或列表）中选择某个范围内的项。切片可被用作表达式以及赋值或 del 语句的目标。

理解切片

首先，在 Python 中，切片是获取部分数据，这部分数据可以是：

单个项（索引操作）
部分项（包含连续和步长跳跃）
全部项

字符串等序列支持索引（下标访问），第一个字符的索引是 0。单个值称为索引操作，取多个值（形式上的，实际可能取到单值或者取不到值）为切片操作。

序列元素的编号左从 0 开始，右从 -1 开始，形如：

0   1    2   3   4       # 索引位置
 +---+---+---+---+---+
 | H | e | l | l | o |
 +---+---+---+---+---+
 0   1   2   3   4   5       # 切片位置
-5  -4  -3  -2  -1

还可以这样理解切片，索引指向的是字符之间，第一个字符的左侧标为 0，最后一个字符的右侧标为 n ，n 是字符串长度。例如上方最右的 5 就是长度。

切片语法

Python 的切片语法有：

a[start:stop]  # 从开始到 stop-1
a[start:]      # 从 start 开始的其余部分
a[:stop]       # items from the beginning through stop-1
a[:]           # a copy of the whole array
a[start:stop:step] # start through not past stop, by step

参数说明：

start -- 对象切片开始的起始处。如果未提供，则默认按 0 处理
stop -- 结束位置，必传。切片在索引 stop-1（最后一个元素）处停止
step -- 步长，用于确定切片的每个索引之间的增量。如果未提供，则默认按 1 处理

要记住的关键点是：stop 值表示不在选定切片中的第一个值。因此，stop 和 start 之间的差异是所选元素的数量（如果 step 默认为 1）。

切片查询

根据切片的性质和语法，我们来进行序列的查询，以字符串为例，其他的序列道理是一样的。要注意的是单字符没有专用的类型，就是长度为一的字符串，空字符（序列）没有索引。

先上一个索引图示：

+---+---+---+---+---+---+
 | P | y | t | h | o | n |
 +---+---+---+---+---+---+
 0   1   2   3   4   5   6
-6  -5  -4  -3  -2  -1

还可以这样理解切片，索引指向的是字符之间，第一个字符的左侧标为 0，最后一个字符的右侧标为 n ，n 是字符串长度。

第一行数字是字符串中索引 0...6 的位置，第二行数字是对应的负数索引位置。i 到 j 的切片由 i 和 j 之间所有对应的字符组成。

首先，先看看索引操作，示例操作如下：

word = 'Python'
word[0]  # 位置0中的字符
# 'P'
word[5]  # 位置5中的字符
# 'n'

# 支持负值
word[-1]  # 末字符
# 'n'
word[-2]  # 倒数第二个字符
# 'o'
word[-6]
# 'P'

注意，-0 和 0 一样，因此，负数索引从 -1 开始。

以上是索引操作，可以认为是选择单个。如果要选择多个，字符串还支持切片。索引可以提取单个字符，切片则提取子字符串：

word[0:2]  # 从位置0（包括）到2（不包括）的字符
# 'Py'
word[2:5]  # 从位置2（包括）到5（不包括）的字符
# 'tho'

切片索引的开始结束值可以省略，省略开始索引时，默认值为 0，省略结束索引时，默认为到字符串的结尾：

word[:2]   # 从开头到位置2的字符（不包括）
# 'Py'
word[4:]   # 从位置4（包括）到结尾的字符
# 'on'
word[-2:]  # 从倒数第二个（包括）到结尾的字符
# 'on'

如果设定步长则不能省略开始和结束，如果确定不需要开始和结束，可以用 : 号占位：

word[2:6:2] # 步长为2
# 'to'

word[::2] # 不指定开始结束 
# 'Pto'

步长还可以为负，表示反向取值：

word[-1:-5:-1]
# 'noht'

word[::-1] # 反转序列的技巧
# 'nohtyP'

还可以对序列连续操作切片：

word[::-1][1:3]
# 'oh'

对于使用非负索引的切片，如果两个索引都不越界，切片长度就是起止索引之差。例如， word[1:3] 的长度是 2。

索引越界会报错：

word[42]  # 这个单词只有6个字符
'''
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
IndexError: string index out of range
'''

但是，切片会自动处理越界索引：

word[4:42]
# 'on'
word[42:]
# ''

切片操作

Python 字符串等类型不能修改，是不可变（immutable）的。因此，为字符串中某个索引位置赋值会报错：

word[0] = 'J'
# TypeError: 'str' object does not support item assignment

word[2:] = 'py'
# TypeError: 'str' object does not support item assignment

要生成不同的字符串，应新建一个字符串：

'J' + word[1:]
# 'Jython'
word[:2] + 'py'
# 'Pypy'

对于可变序列，切片选择数据可以进行赋值修改。例如列表：

cubes = [1, 8, 27, 65, 125]  # something's wrong here
4 ** 3  # the cube of 4 is 64, not 65!
#  64
cubes[3] = 64  # replace the wrong value
cubes
# [1, 8, 27, 64, 125]

cubes[::2] = [0, 0, 0]
cubes
# [0, 8, 0, 65, 0]

cubes[::2] = range(3)
cubes
# [0, 8, 1, 65, 2]

全选后可以赋值清空序列及删除部分内容：

cubes = [1, 8, 27, 65, 125]
cubes[:] = []
cubes
# []

cubes = [1, 8, 27, 65, 125]
cubes[1:3] = []
cubes
# [1, 65, 125]

对带有步长的切片赋值操作，好像不支持数量不同的项。

cubes[::2] = range(2)
# ValueError: attempt to assign sequence
# of size 2 to extended slice of size 3

cubes[::2] = []
# ValueError: attempt to assign sequence
# of size 0 to extended slice of size 3

这是为了一致性，Python 禁止所有扩展的切片赋值，除非已经有了该值的位置。

常规切片的步长始终为1，因此不可能出现任何间隙，因此可以安全地允许赋值。

使用 del 语句可以同删除选中的切片内容：

cubes = [1, 8, 27, 65, 125]
del cubes[1:3]
cubes
# [1, 65, 125]

# 支持步长
cubes = [1, 8, 27, 65, 125]
del cubes[::2]
cubes
# [8, 65]

slice()

Python 内置函数 slice() 返回一个切片对象，用于切取任何序列，详细内容可以访问教程：Python slice() 切片对象。

扩展序列

扩展切片（带逗号和省略号）主要只用于特殊数据结构（如 NumPy），基本序列不支持它们。

>>> class slicee:
...     def __getitem__(self, item):
...         return repr(item)
...
>>> slicee()[0, 1:2, ::5, ...]
'(0, slice(1, 2, None), slice(None, None, 5), Ellipsis)'

支持切片的类型

支持切片的数据类型为内置 sequence 类型，内置的序列类型有 list、str、tuple 和 bytes 等。

同时，实现了序列协议的自定义数据也支持切片，可以访问教程: Python 序列类型，查看如何实现序列协议。

参考

https://docs.python.org/zh-cn/3/reference/expressions.html#slicings
https://stackoverflow.com/questions/509211/understanding-slicing