类比 Java 学 Python(1)

Python 基本数据类型

基本类型

我们知道 Java 的基本数据类型有 8 种, 分别是 byte、short、int、long、float、double、char 和 boolean

Python 的基本数据类型也有 8 种, 分别是 int、float、bool、str、list、tuple、set 和 dict

Python 中的 int、float、bool、str、list、tuple、set 和 dict 分别对应 Java 的 int、float、boolean、char、ArrayList、数组、HashSet 和 HashMap

其中, 整数、浮点数和布尔值的使用方式与 Java 类似, 而字符串、列表、元组、集合和字典的使用方式也与 Java 类似, 但是有一些细微的差别

整数(int)

整数类型表示整数值, 与 Java 类似。Python 中的整数类型不需要指定大小, 它可以根据所需自动调整大小。例如:

a = 1
b = 1000000
c = -500

浮点数(float)

浮点数类型表示小数值, 与 Java 类似。Python 中的浮点数类型同样可以根据所需自动调整大小。例如:

x = 3.14
y = -0.001
z = 1.23e-4  # 科学计数法表示的浮点数, 相当于 0.000123

布尔值(bool)

布尔类型表示真或假两种状态。与 Java 类似, Python 中的布尔类型只有两个值: True 和 False。例如:

is_sunny = True
is_raining = False

字符串(str)

字符串类型表示一串字符, 可以用单引号、双引号或三引号表示。与 Java 不同的是, Python 中的字符串是不可变类型, 也就是说, 一旦创建就不能修改。例如:

s1 = 'hello'
s2 = "world"
s3 = '''Hello, 
world!'''

和 Java 中的字符串类似, 都是一种不可变序列, 表示由一系列 Unicode 字符组成的字符序列, 用来存储文本类型的数据。

Python 中的字符串底层实现是通过一个字符数组来实现的, 也就是说, Python 中的字符串实际上是一个字符数组对象。当需要修改字符串时, Python 会创建一个新的字符串对象, 而不是在原有的字符串对象上直接修改。

Python 中的字符串采用了引用计数(reference counting)和垃圾回收(garbage collection)的机制来管理内存。每个字符串对象都有一个引用计数器, 当一个对象被引用时, 它的引用计数会加 1, 当一个对象的引用被删除时, 它的引用计数会减 1, 当引用计数为 0 时, 对象被认为是不再被引用, Python 的垃圾回收机制会回收该对象的内存空间。

Java 中的字符串是一个对象类型, 它底层实现是通过一个字符数组和一个偏移量和长度来表示的。当需要修改字符串时, Java 会创建一个新的字符串对象, 而不是在原有的字符串对象上直接修改。Java 中的字符串常量池(String Pool)可以重用相同的字符串对象, 避免了创建大量相同字符串对象的开销。

另一个不同之处在于, Python 中的字符串可以使用单引号、双引号或三引号表示, 而 Java 中的字符串只能使用双引号表示。

列表(list)

列表是一种有序的可变序列, 可以存储任意类型的元素。列表使用方括号 [] 来表示, 各个元素之间用逗号隔开。

a = [1, 2, 3]
b = ['hello', 'world']
c = [1, 'hello', 3.14]
lst = [1, 2, 'hello', True, [4, 5]]

和 Java 中的 ArrayList 类似, 都是一种有序的可变序列。不同之处在于, Python 中的列表可以存储任意类型的元素, 而 Java 中的 ArrayList 只能存储对象类型。

此外, Python 中的列表使用方括号 [] 表示, 而 Java 中的 ArrayList 需要通过 import java.util.ArrayList; 来导入, 使用时需要先创建对象再添加元素。

它的底层实现是基于动态数组和可扩展数组的, Python 中的列表可以动态地增加或缩减大小, 这是因为列表中的元素实际上是存储在一个动态分配的数组中的。

在 Python 中, 列表的底层实现使用了一个数组缓冲区(array buffer), 用于存储列表中的元素。当列表的大小增加时, Python 会为数组缓冲区分配更大的内存空间, 将现有的元素复制到新的缓冲区中, 然后释放旧的缓冲区。这种方法可以有效地减少内存分配和复制的次数, 提高程序的效率。

与 Java 语言的 ArrayList 不同之处在于, Java 中的 ArrayList 使用了连续的存储空间(连续的内存地址), 并且在容量不足时需要重新分配内存空间, 将现有的元素复制到新的内存空间中, 这样就可能导致内存分配和复制的次数增加, 影响程序的性能。

因此, 在处理大量数据时, Python 中的列表可能会更加高效。

但是, 由于 Python 中的列表可以存储任意类型的元素, 因此在处理相同类型的元素时, Java 中的 ArrayList 可能会更加高效。

元组(tuple)

元组是一种有序的不可变序列, 也可以存储任意类型的元素。元组使用圆括号 () 来表示, 各个元素之间用逗号隔开。

a = (1, 2, 3)
b = ('hello', 'world')
c = (1, 'hello', 3.14)
tup = (1, 2, 'hello', True, (4, 5))

和 Java 中的数组有些相似, 都是一种有序的不可变序列。但元组的长度和元素内容不能被修改。元组通常用于存储不同类型的数据, 例如多个返回值的函数结果, 或者将多个元素作为一个整体进行传递。

元组底层实现是基于数组的, 与列表类似, 但是由于元组是不可变的, 因此在创建时会分配一个固定的内存空间来存储元素, 这个空间在后续的使用中不会被改变。因为元组是不可变的, 所以它们可以被用作字典的键, 而列表则不能。

与 Java 语言的数组不同之处在于, Python 中的元组可以存储任意类型的元素, 而 Java 中的数组虽然也是固定大小的, 但它们是可变的, 可以通过下标来修改元素内容。

此外, Python 中的元组使用圆括号 () 表示, 而 Java 中的数组需要使用方括号 [] 来声明。

集合(set)

和 Java 中的 HashSet 类似, 都是一种无序的可变集合, 不允许出现重复元素。集合使用花括号 {} 或 set() 函数来创建, 各个元素之间用逗号隔开。

s1 = {1, 2, 3, 4, 5}
s2 = set([3, 4, 5, 6, 7])
s3 = set('hello')

Python 中的集合底层实现是基于哈希表的, 它可以实现常数时间(O(1))的插入、删除和查找操作。

在 Python 中, 哈希表是通过一个数组来实现的, 每个数组元素都是一个指向链表的指针, 每个链表节点存储一个键值对。当需要插入一个元素时, Python 会根据元素的哈希值(hash value)来计算出在数组中的位置, 然后将元素插入到对应的链表中。当需要查找一个元素时, Python 也会根据元素的哈希值来计算出在数组中的位置, 然后遍历对应的链表查找元素。当需要删除一个元素时, Python 会根据元素的哈希值来计算出在数组中的位置, 然后在对应的链表中删除元素。

与 Java 语言的 HashSet 不同之处在于, Java 中的 HashSet 也是基于哈希表实现的, 但是它使用的是数组加链表或红黑树的方式来实现, 而 Python 中的集合只使用了链表, 这也意味着 Python 中的集合在存储大量元素时, 可能会受到哈希冲突(hash collision)的影响, 导致链表长度增加, 进而影响程序的性能。另外, Python 中的集合可以存储任意类型的元素, 而 Java 中的 HashSet 只能存储对象类型的元素。

此外, Python 中的集合使用花括号 {} 或 set() 函数来创建, 而 Java 中的 HashSet 需要通过 import java.util.HashSet; 来导入, 使用时需要先创建对象再添加元素。

字典(dict)

和 Java 中的 HashMap 类似, 都是一种无序的键值对(key-value)集合, 每个键都必须是唯一的, 键和值可以是任意类型的元素。字典使用花括号 {} 来表示, 键和值之间用冒号 : 隔开, 各个键值对之间用逗号隔开。例如:

dic = {'name': 'Alice', 'age': 20, 'gender': 'female'}

字典的底层实现是通过哈希表(hash table)来实现的。哈希表是一种基于数组实现的数据结构, 它通过将键映射到数组中的一个位置来实现快速的键值查找。Python 中的字典底层实现中使用了一些哈希表优化技术, 例如使用开放地址法(open addressing)解决哈希冲突、缩小哈希表的负载因子(load factor)等等。

与 Python 不同, Java 中的字典(Map)是一个接口类型, 它有多种实现方式, 例如 HashMap、TreeMap、LinkedHashMap 等等。其中, HashMap 是最常用的一种实现方式, 它也是基于哈希表实现的。Java 中的哈希表同样使用了开放地址法解决哈希冲突, 并且也有一些优化技术, 例如链式哈希表(chained hash table)和重新哈希(rehashing)等等。

Python 中的字典可以存储任意类型的键和值, 而 Java 中的 HashMap 只能存储对象类型的键和值。

此外, Python 中的字典使用花括号 {} 表示, 而 Java 中的 HashMap 需要通过 import java.util.HashMap; 来导入, 使用时需要先创建对象再添加键值对。