基于Python實(shí)現(xiàn)層次性數(shù)據(jù)和閉包性質(zhì)

更新時(shí)間：2022年05月07日 08:33:48 作者：orion-orion

這篇文章主要介紹了如何利用Python實(shí)現(xiàn)層次性數(shù)據(jù)和閉包性質(zhì)，文中的示例代碼講解詳細(xì)，對(duì)我們學(xué)習(xí)Python有一定幫助，需要的可以了解一下

緒論

序?qū)梢詾槲覀兲峁┯糜跇?gòu)造復(fù)合數(shù)據(jù)的基本“粘接劑”，鑒于Python中tuple中元素不可變的性質(zhì)，我們通過list來實(shí)現(xiàn)序?qū)?，?code>[1, 2]。Python的PyListObject對(duì)象中實(shí)際是存放的是PyObject*指針，所以可以將PyListObject視為vecter<PyObject*>。這是一種盒子與指針表示方式(list內(nèi)的元素表示為一個(gè)指向?qū)ο蠛凶拥闹羔?。對(duì)于[1, 2]，可將其視為以下結(jié)構(gòu)：

我們不僅可以用[]去組合起各種數(shù)值，也可以用它取組合起其它序?qū)?。這樣，序?qū)褪且环N通用的建筑砌塊，通過它可以構(gòu)造所有不同種類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來。比如想組合數(shù)值1, 2, 3, 4，我們可以用[[1, 2], [3, 4]]的方式(下圖左)，也可以用[[1, [2, 3]], 4](下圖右)

可以構(gòu)建元素本身也是序?qū)Φ男驅(qū)?，這種能力稱為[]的閉包性質(zhì)。注意，這里的閉包是來自抽象代數(shù)的術(shù)語（不是Python語法中那個(gè)閉包）。抽象代數(shù)中，如果將某個(gè)運(yùn)算（操作）作用于某個(gè)集合的特定元素，產(chǎn)出的仍然是該集合的元素，則稱該集合元素在該運(yùn)算之下封閉。我們這里說組合數(shù)據(jù)對(duì)象的操作滿足閉包性質(zhì)，指通過它組合起數(shù)據(jù)對(duì)象得到的結(jié)果本身還可以通過同樣的操作再進(jìn)行組合。

閉包性質(zhì)可以使我們構(gòu)建層次性的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由一些部分構(gòu)成，而其中的各個(gè)部分又是由它們的部分構(gòu)成，并且可以繼續(xù)下去。下面我們介紹用序?qū)肀硎?strong>序列和樹。

1.序列的表示

利用序?qū)梢詨蛟斐龅囊活愑杏媒Y(jié)構(gòu)是序列——一批數(shù)據(jù)對(duì)象的有序匯集。利用序?qū)Ρ硎拘蛄械姆绞胶芏?，一種最直接的表示方式為[1, [2, [3, [4, None]]]]如下圖所示：

我們不妨將這種通過嵌套序?qū)π纬傻男蛄蟹Q為鏈表。因?yàn)镻ython本身不內(nèi)置鏈表結(jié)構(gòu)，我們不妨用序?qū)韺?shí)現(xiàn)鏈表：

class LinkedList():
    def __init__(self, *items) -> None:
        """提供兩種初始化方式:序?qū)蚨鄠€(gè)元素
        """
        if isinstance(items[0], list):
            self.pair = items[0]
        else:
            self.pair = self._construct(*items)

    def _construct(self, *items):
        """遞歸地構(gòu)造鏈表
        """
        if items == ():
            return None
        else:
            item, *rest = items
            return [item, self._construct(*rest)]

    def __repr__(self):
        """重寫打印函數(shù)
        """
        return "-->".join(map(str, self._flatten(self.pair)))

    def _flatten(self, pair):
        """遍歷鏈表，返回其一維展開
        """
        if pair is None:
            return []
        else:
            return [pair[0]] + self._flatten(pair[1])

    @property
    def head(self):
        """獲取鏈表頭部元素
        """
        return self.pair[0]

    @property
    def rest(self):
        """獲取鏈表頭部元素之外的元素，并以鏈表形式返回
        """
        if self.pair[1] is None:
            return None
        else:
            return LinkedList(self.pair[1])

這樣，我們就可以方便地構(gòu)造鏈表并將其打印輸出了：

print(LinkedList(1, 2, 3, 4))
# 1-->2-->3-->4

注意，None用于表示序?qū)Φ逆溄Y(jié)束。在語言設(shè)計(jì)上可能有以下爭(zhēng)論：None應(yīng)該是個(gè)普通的名字嗎？None應(yīng)該算是一個(gè)普通的名字嗎？None應(yīng)該算是一個(gè)符號(hào)嗎？他應(yīng)該算是一個(gè)空表嗎？在Python中，解決此問題的手段是將None的類型規(guī)定為<class 'NoneType'>，

表操作

利用序?qū)⒃氐男蛄斜硎緸殒湵碇螅覀兙涂梢允褂贸Ｒ?guī)的程序設(shè)計(jì)技術(shù)，通過獲取鏈表的head和rest的方式完成對(duì)鏈表的各種操作了。如下面的過程list-ref實(shí)際參數(shù)是一個(gè)表和一個(gè)數(shù)n，它返回這個(gè)表中的第n項(xiàng)：

def list_ref(items, n):
    if n == 0:
        return items.head
    else:
        return list_ref(items.rest, n-1)
print(list_ref(LinkedList(1, 4, 9, 16, 25), 3)) # 16

length過程則用于返回表中的項(xiàng)數(shù)：

def length(items):
    if items is None:
        return 0
    else:
        return 1 + length(items.rest)

print(length(LinkedList(1, 3, 5, 7))) # 4

或者寫為迭代的形式(此處用尾遞歸的形式，即遞歸調(diào)用是整個(gè)函數(shù)體中最后執(zhí)行的語句且它的返回值不屬于表達(dá)式的一部分時(shí)，這樣就無需保存返回值，可在常數(shù)空間內(nèi)執(zhí)行迭代型計(jì)算):

# 以迭代的方式計(jì)算lengths(尾遞歸)
def length(items):
    def length_iter(a, count):
        if a is None:
            return count
        else:
            return length_iter(a.rest, count + 1)
    return length_iter(items, 0)

print(length(LinkedList(1, 3, 5, 7))) # 4

當(dāng)然， Python解釋器默認(rèn)是不開啟尾遞歸優(yōu)化的，需要用其他黑魔法實(shí)現(xiàn)，參考《Python開啟尾遞歸優(yōu)化!》

還有一種常見操作是append，如對(duì)odds：[1, 3, 5, 7]、squares:[1, 4, 9, 16, 25]、append(odds, squares) 得[1 3 5 7 1 4 9 16 25]，append(squares, odds)得[1 4 9 16 25 1 3 5 7]，也可以通過遞歸實(shí)現(xiàn)：

def append(lk_list1, lk_list2):
    if lk_list1 is None:
        return lk_list2.pair
    else:
        return [lk_list1.head, append(lk_list1.rest, lk_list2)]


odds = LinkedList(1, 3, 5, 7)
squares = LinkedList(1, 4, 9, 16, 25)
print(LinkedList(append(odds, squares))) # 1-->3-->5-->7-->1-->4-->9-->16-->25
print(LinkedList(append(squares, odds))) # 1-->4-->9-->16-->25-->1-->3-->5-->7

對(duì)鏈表的映射

另外一個(gè)特別擁有用的操作時(shí)將某種操作應(yīng)用于一個(gè)鏈表的所有元素，得到所有結(jié)果構(gòu)成的表。下面的過程將一個(gè)鏈表中的所有元素按給定因子做一次縮放：

def scale_list(items, factor):
    if items is None:
        return None
    else:
        return [items.head * factor, scale_list(items.rest, factor)]

print(LinkedList(scale_list(LinkedList(1, 2, 3, 4, 5), 10)))
# 10-->20-->30-->40-->50

我們可以抽象出這一具有一般性的想法，將其中的公共模式表述為一個(gè)高階函數(shù)(接收其它函數(shù)做為參數(shù))。

def my_map(proc, items):
    if items is None:
        return None
    else:
        return [proc(items.head), my_map(proc, items.rest)]

print(LinkedList(my_map(abs, LinkedList(-10, 2.5, -11.6, 17))))
# 10-->2.5-->11.6-->17
print(LinkedList(my_map(lambda x: x**2, LinkedList(1, 2, 3, 4, 5))))
# 1-->4-->9-->16-->25

這里的公共模式，其實(shí)就類似于設(shè)計(jì)模式中的模板方法，參見設(shè)計(jì)模式：模板方法。

現(xiàn)在我們可以用map給scale_list一個(gè)新定義：

def scale_list(items, factor):
    return LinkedList(my_map(lambda x: x*factor, items))

print(scale_list(LinkedList(1, 2, 3, 4, 5), 10))
# 10-->20-->30-->40-->50

map是一種很重要的結(jié)構(gòu)，不僅因?yàn)樗砹艘环N公共模式，而且因?yàn)樗⑵鹆艘环N處理表的高層抽象（與今日的Scala何其相似?。诶习姹镜?code>scale_list中，程序的遞歸結(jié)構(gòu)將人的注意力吸引到對(duì)表中元素的逐個(gè)處理中。通過map定義的scale_list抑制了這種細(xì)節(jié)層面上的情況，強(qiáng)調(diào)的是從元素表到結(jié)果表的一個(gè)縮放變換。這兩種定義形式之間的差異，并不在于計(jì)算機(jī)會(huì)執(zhí)行不同的計(jì)算過程（其實(shí)不會(huì)），而在于我們對(duì)同一個(gè)過程的不同思考方式。從作用上看，map幫我們建起了一層抽象屏障，將實(shí)現(xiàn)表轉(zhuǎn)換過程的實(shí)現(xiàn)，與與如何提取表中元素以及組合結(jié)果的細(xì)節(jié)隔離開。

2.層次性結(jié)構(gòu)

注意，由于下面由于我們會(huì)涉及更復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，我們統(tǒng)一將序列就用Python內(nèi)置的列表表示。

我們下面來看元素本身也是序列的序列。比如我們可以認(rèn)為[[1, 2], 3, 4]是將[1, 2]做為元素加入序列[3, 4]而得。這種表結(jié)構(gòu)可以看做是樹，即序列中的元素就是樹的分支，而那些本身也是序列的元素就形成了樹中的子樹：

遞歸是處理樹結(jié)構(gòu)的一種很自然的工具，因?yàn)槲覀兂３？梢詫?duì)于樹的操作歸結(jié)為對(duì)它們的分支的操作，再將這種操作歸結(jié)為對(duì)分支的分支的操作，如此下去，直至達(dá)到了樹的葉子。如類似2.2.1中用length統(tǒng)計(jì)序列長(zhǎng)度，我們通過以下代碼統(tǒng)計(jì)樹葉數(shù)目：

def count_leaves(tree):
    if not tree:
        return 0
    elif isinstance(tree, int):
        return 1
    else:
        return count_leaves(tree[0]) + count_leaves(tree[1:])
tree = [[1, 2], 3, 4]
print(count_leaves(tree)) # 4

對(duì)樹的映射

map是處理序列的一種強(qiáng)有力抽象，與此類似，map與遞歸結(jié)合也是處理樹的一種強(qiáng)有力抽象。類似于2.2.1中用scale_list過程對(duì)序列元素進(jìn)行縮放，我們也可以設(shè)計(jì)scale_tree過程，該過程以一個(gè)因子和一棵葉子為數(shù)值的樹作為參數(shù)，返回一顆具有同樣形狀的樹，該樹中的每個(gè)數(shù)值都乘以了這個(gè)因子：

def scale_tree(tree, factor):
    if not tree:
        return []
    if isinstance(tree, int):
        return tree * factor
    else:
        return [scale_tree(tree[0], factor)] + scale_tree(tree[1:], factor)

tree = [1, [2, [3, 4], 5], [6, 7]]
print(scale_tree(tree, 10))
# [10, [20, [30, 40], 50], [60, 70]]

實(shí)現(xiàn)scale_tree的另一種方法是將樹看成子樹的序列，并對(duì)它使用map。我們?cè)谶@種序列上做映射，一次對(duì)各棵子樹做縮放，并返回結(jié)果的表。對(duì)于基礎(chǔ)情況，也就是當(dāng)被處理的樹是樹葉時(shí)，就直接用因子去乘它：

def scale_tree(tree, factor):
    return list(map(lambda sub_tree: scale_tree(sub_tree, factor)
                    if isinstance(sub_tree, list)
                    else sub_tree * factor, tree))
tree = [1, [2, [3, 4], 5], [6, 7]]
print(scale_tree(tree, 10))
# [10, [20, [30, 40], 50], [60, 70]]

此處的map我們直接采用Python語言內(nèi)置的map，當(dāng)然也可以自己實(shí)現(xiàn)my_map，如下：

def my_map(proc, items):
    if items == []:
        return []
    else:
        return [proc(items[0])] + my_map(proc, items[1:])

3.序列做為一種約定的界面

數(shù)據(jù)抽象可以讓我們?cè)O(shè)計(jì)出不被數(shù)據(jù)表示細(xì)節(jié)糾纏的程序，使程序保持很好的彈性。在這一節(jié)里，我們將要介紹與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有關(guān)的另一種強(qiáng)有力的設(shè)計(jì)原理——使用約定的界面。

在1.3節(jié)中我們看到，通過實(shí)現(xiàn)為高階過程的程序抽象，可以讓我們抓住處理數(shù)值數(shù)據(jù)的一些程序模式。而在復(fù)合數(shù)據(jù)上工作做出類似的操作，則對(duì)我們操控?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的方式有著深刻的依賴性。如考慮一個(gè)與2.2.2節(jié)中的count_leaves類似的過程，它以一棵樹為參數(shù)，計(jì)算出那些值為奇數(shù)的葉子的平方和：

def sum_odd_squares(tree):
    if not tree:
        return 0
    elif isinstance(tree, int):
        if tree % 2 == 1:
            return tree**2
        else:
            return 0
    else:
        return sum_odd_squares(tree[0]) + sum_odd_squares(tree[1:])

從表面上看，這一過程與下面的過程很不一樣。下面的這個(gè)過程給定一個(gè)整數(shù)nn，對(duì)∀k?n∀k?n計(jì)算Fib(k)并篩選出其中為偶數(shù)的值，其中Fib(k)為第kk個(gè)Fibonacci數(shù)（設(shè)第0個(gè)Fibonacci數(shù)為0）：

def fib(n):
    if n == 0:
        return 0
    elif n == 1:
        return 1
    else:
        return fib(n-1) + fib(n-2)

該過程表示如下：

def even_fibs(n):  # 枚舉從0到n的整數(shù)
    def next(k):
        if k > n:
            return []
        else:
            f = fib(k)  # 對(duì)每個(gè)整數(shù)計(jì)算其fib
            if f % 2 == 0:  # 過濾結(jié)果，選出其中偶數(shù)
                return [f] + next(k + 1)  # 累積結(jié)果
            else:
                return next(k+1)
    return next(0)
print(even_fibs(5)) # [0, 2] (即[0 1 1 2 3 5]中的偶數(shù)為[0, 2])

雖然sum_odd_squares過程和even_fibs過程結(jié)構(gòu)式差異非常大，但是對(duì)于兩個(gè)計(jì)算的抽象描述卻會(huì)揭露出它們間極大的相似性。sum_odd_squares過程：

枚舉出一棵樹的樹葉
過濾它們，選出其中的奇數(shù)
對(duì)選出的每一個(gè)數(shù)求平方
用+累積起得到的結(jié)果

而 sum_odd_squares過程：

枚舉從00到nn的整數(shù)
對(duì)每個(gè)整數(shù)計(jì)算相應(yīng)的Fibonacci數(shù)
過濾它們，選出其中的偶數(shù)
用connect累計(jì)得到的結(jié)果

注意，connect函數(shù)用于對(duì)將兩個(gè)數(shù)值對(duì)象連接為列表或?qū)?shù)值對(duì)象加入一個(gè)列表，定義如下：

def con(x, y):
    # y規(guī)定為int，x可以為int或list
    if isinstance(x, int):
        return [x] + [y]
    else:
        return x + [y]

信號(hào)工程師可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，這種過程其實(shí)可以描述為信號(hào)流過一系列的級(jí)聯(lián)處理步驟，每個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)程序方案中的一部分。如下圖所示：

遺憾的是，上面兩個(gè)過程的定義并沒有展現(xiàn)這種信號(hào)流結(jié)構(gòu)。具體地說，我們的兩個(gè)過程將enumerate工作散布在程序中各處，并將它與map、filter和reduce混在一起。如果我們能夠重新組織這一程序，使信號(hào)流結(jié)構(gòu)明顯表現(xiàn)在寫出的過程中，將會(huì)大大提高代碼的清晰性。

其中map、filter、reduce算子可以采用Python內(nèi)置函數(shù)，也可以自己實(shí)現(xiàn)。自己實(shí)現(xiàn)的話可以這樣寫：

def my_map(proc, sequence):
    if not sequence:
        return []
    else:
        return [proc(sequence[0])] + my_map(proc, sequence[1:])


print(my_map(lambda x: x**2, [1, 2, 3, 4, 5]))
# [1, 4, 9, 16, 25]


def my_filter(predicate, sequence):
    if not sequence:
        return []
    elif predicate(sequence[0]):
        return [sequence[0]] + my_filter(predicate, sequence[1:])
    else:
        return my_filter(predicate, sequence[1:])


print(my_filter(lambda x: x % 2, [1, 2, 3, 4, 5]))
# [1, 3, 5]


# print(list(accumulate([1,2,3])))

def my_reduce(op, sequence):
    if sequence[-1] and not sequence[:-1]:
        return sequence[-1]
    else:
        return op(my_reduce(op, sequence[:-1]), sequence[-1])

print(my_reduce(add, [1, 2, 3, 4, 5])) # 15
print(my_reduce(mul, [1, 2, 3, 4, 5])) # 120
print(my_reduce(con, [1, 2, 3, 4, 5])) # [1, 2, 3, 4, 5]

為了簡(jiǎn)便起見，我們下面map、filter、reduce算子統(tǒng)一采用Python內(nèi)置函數(shù)。

除了這三個(gè)算子之外，我們還需要枚舉(enumerate)出需要處理的數(shù)據(jù)序列。對(duì)于even-fibs，我們需要生成一個(gè)給定區(qū)間里的整數(shù)序列：

def enumerate_interval(low, high):
    if low > high:
        return []
    else:
        return [low] + enumerate_interval(low + 1, high)

print(enumerate_interval(2, 7)) # [2, 3, 4, 5, 6, 7]

對(duì)于sum_odd_squares，則需要枚舉出一棵樹的所有樹葉：

# 枚舉一棵樹所有的樹葉：
def enumerate_tree(tree):
    if not tree:
        return []
    elif isinstance(tree, int):
        return [tree]
    else:
        return enumerate_tree(tree[0]) + enumerate_tree(tree[1:])

print(enumerate_tree([1, [2, [3, 4], 5]])) # [1, 2, 3, 4, 5]

現(xiàn)在，我們就可以像上面的信號(hào)流圖那樣重新構(gòu)造sum_odd_squares和even-fibs了。

sum_odd_squares的構(gòu)造方法如下：

def sum_odd_squares(tree):
    return reduce(add,
                  map(lambda x: x**2,
                      filter(lambda x: x % 2,
                             enumerate_tree(tree))))

print(sum_odd_squares([1, 2, 3, 4, 5])) # 35

even-fibs的構(gòu)造方法如下：

def even_fibs(n):
    return reduce(con,
                  filter(lambda x: not x % 2,
                         map(fib,
                             enumerate_interval(0, n))))

print(even_fibs(5)) #[0, 2]

將程序表示為一些針對(duì)序列的操作，這樣做的價(jià)值就愛在于能幫助我們得到模塊化的程序設(shè)計(jì)。而在工程設(shè)計(jì)中，模塊化結(jié)構(gòu)是控制復(fù)雜性的一種威力強(qiáng)大的策略。如同信號(hào)處理中設(shè)計(jì)者從標(biāo)準(zhǔn)的過濾器和變換裝置中選出一些東西來級(jí)聯(lián)，從而構(gòu)造出各種系統(tǒng)。同樣地，序列操作也形成了一個(gè)可以混合和匹配使用的標(biāo)準(zhǔn)程序元素庫(kù)。

如我們?cè)诹硪粋€(gè)產(chǎn)生前n+1n+1個(gè)Fibonacci數(shù)的平方的程序里，就可以使用取自過程sum_odd_squares和even-fibs的片段：

def list_fib_squares(n):
    return reduce(con,
                  map(lambda x: x**2,
                      map(fib,
                          enumerate_interval(0, n))))

print(list_fib_squares(5)) # [0, 1, 1, 4, 9, 25]

也可以重新安排有關(guān)的各個(gè)片段，將它們用在產(chǎn)生一個(gè)序列中所有奇數(shù)的平方之乘積的程序里：

def product_of_squares_of_odd_elements_sequence(sequence):
    return reduce(mul,
                  map(lambda x: x**2,
                      filter(lambda x: x % 2, sequence)))

print(product_of_squares_of_odd_elements_sequence([1, 2, 3, 4, 5])) # [0, 1, 1, 4, 9, 25]

我們同樣可以采用序列操作的方式，重新去形式化各種常規(guī)的數(shù)據(jù)處理應(yīng)用。假定有一個(gè)人事記錄的序列，現(xiàn)在希望找出其中薪水最高的程序員的工資。假定有一個(gè)salary返回記錄中的工資，謂詞函數(shù)is_programmer檢查某個(gè)記錄是不是程序員，此時(shí)我們就可以寫：

def salary_of_hightest_paid_programmer(records):
    return reduce(max,
                  map(salary,
                      filter(is_programmer, records)))

在這里，用表實(shí)現(xiàn)的序列被做為一種方便的界面，我們可以利用這種界面去組合起各種處理模塊。

到此這篇關(guān)于基于Python實(shí)現(xiàn)層次性數(shù)據(jù)和閉包性質(zhì)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Python層次性數(shù)據(jù)內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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