了解 Python 集合: 它們是什么，如何創建它們，何時使用它們，什么是內置函數，以及它們與集合論操作的關系

集合、 列表與元組

列表(list)和元組(tuple)是標準的 Python 數據類型，它們將值存儲在一個序列中。集合(set)是另一種標準的 Python 數據類型，它也可用于存儲值。它們之間主要的區別在于，集合不同于列表或元組，集合中的每一個元素不能出現多次，并且是無序存儲的。

Python 集合的優勢

由于集合中的元素不能出現多次，這使得集合在很大程度上能夠高效地從列表或元組中刪除重復值，并執行取并集、交集等常見的的數學操作。

本教程將向你介紹一些關于 Python 集合和集合論的話題：

如何初始化空集和帶有數值的集合

如何向集合中添加值或者從集合中刪除值

如何高效地使用集合，用于成員檢測、從列表中刪除重復值等任務。

如何執行常見的集合操作，例如求并集、交集、差集以及對稱差。

可變集合和不可變集之間的區別

集合初始化

集合是一個擁有確定(唯一)的、不變的的元素，且元素無序的可變的數據組織形式。

你可以使用「set()」操作初始化一個空集。

如果你觀察一下上面的「dataScientist」和「dataEngineer」集合中的變量，就會發現集合中元素值的順序與添加時的順序是不同的，這是因為集合是無序的。

集合包含的值也可以通過花括號來初始化。

請牢記，花括號只能用于初始化包含值的集合。如下圖所示，使用不包含值的花括號是初始化字典(dict)的方法之一，而不是初始化集合的方法。

向集合添加值或刪除值

你可以使用「add」方法向集合中添加一個值。

從集合中刪除值

有好幾種方法可以從集合中刪除一個值：

選項 1：你可以使用「remove」方法從集合中刪除一個值。

選項 2：你可以使用「discard」方法，從集合中刪除一個值。

這種方法相對于「remove」方法的好處是，如果你試圖刪除一個集合中不存在的值，系統不會返回「KeyError」。如果你熟悉字典(dict)數據結構，你可能會發現這種方法與字典的「get」方法的工作模式相似。

選項 3：你還可以使用「pop」方法從集合中刪除并且返回一個任意的值。

需要注意的是，如果集合是空的，該方法會返回一個「KeyError」。

刪除集合中所有的值

你可以使用「clear」方法刪除集合中所有的值。

graphicDesigner.clear()

在集合上進行迭代

與許多標準 Python 數據類型一樣，用戶可以在集合(set)上進行迭代。

如果你仔細觀察「dataScientist」集合中打印出來的每一個值，你會發現集合中的值被打印出來的順序與它們被添加的順序是不同的。

將集合中的值變為有序

本教程已經向大家強調了集合是無序的。如果你認為你需要以有序的形式從集合中取出值，你可以使用「sorted」函數，它會輸出一個有序的列表。

type(sorted(dataScientist))

下面的代碼按照字母降序(這里指 Z-A)輸出「dataScientist」集合中的值。

sorted(dataScientist, reverse = True)

刪除列表中的重復項

首先我們必須強調的是，集合是從列表(list)中刪除重復值的最快的方法。為了證明這一點，讓我們研究以下兩種方法之間的差異。

方法 1：使用集合刪除列表中的重復值。

print(list(set([1, 2, 3, 1, 7])))

方法 2：使用一個列表推導式(list comprehension)從一個列表中刪除重復值。

性能的差異可以用「timeit」庫來測量，這個庫允許你對 Python 代碼進行計時。下面的代碼將每種方法運行了 10,000 次，并且以秒為單位輸出了總計時間。

對比這兩種方法，結果表明，使用集合刪除重復值是更加高效的。雖然時間差異看似很小，但實際上在有一個非常大的列表時，能幫你節省很多的時間。

集合運算方法

Python 中常用的集合方法是執行標準的數學運算，例如：求并集、交集、差集以及對稱差。下圖顯示了一些在集合 A 和集合 B 上進行的標準數學運算。每個韋恩(Venn)圖中的紅色部分是給定集合運算得到的結果。

Python 集合有一些讓你能夠執行這些數學運算的方法，還有一些給你等價結果的運算符。在研究這些方法之前，讓我們首先初始化「dataScientist」和「dataEngineer」這兩個集合。

并集

一個表示為「dataScientist ∪ dataEngineer」的并集，是屬于「dataScientist」或「dataEngineer」或同時屬于二者元素的集合。你可以使用「union」方法找出兩個集合中所有唯一的值。

交集

集合「dataScientist」和「dataEngineer」的交集可以表示為「dataScientist ∩ dataEngineer」，是所有同時屬于兩個集合的元素集合。

差集

集合「dataScientist」和「dataEngineer」的差集可以表示為「dataScientist \ dataEngineer」，是所有屬于「dataScientist」但不屬于「dataEngineer」的元素集合。

對稱集

一個「dataScientist」和「dataEngineer」的對稱集，表示為「dataScientist △ dataEngineer」，它是所有屬于兩個集合但不屬于二者共有部分的集合。

集合推導式

你之前可能已經學習過列表推導式(list comprehensions)、字典推導式(dictionary comprehensions)和生成器推導式。這里還有一個集合推導式(Set Comprehension)。集合推導式和它們是很類似的，Python 中的集合推導式可以按照下面的方法構造：

不可變集

嵌套集合的問題在于，集合中通常不能包含集合等可變的值。在這種情況下，你可能希望使用一個不可變集(frozenset)。除了值不可以改變，不可變集和可變集是很相似的。你可以使用「frozenset()」創建一個不可變集。

如果你使用如下所示的不可變集，就可以創建一個嵌套集合了。

重要的是，你需要記住，不可變集的一個主要的缺點是：由于它們是不可變的，這意味著你不能向其中添加元素或者刪除其中的元素。

結語

Python 集合是非常實用的，它能夠高效地從列表等數據結構中刪除重復的值，并且執行常見的數學運算，例如：求并集、交集。人們經常遇到的一個挑戰是：何時使用各種數據類型，例如什么時候使用集合或字典。作者希望本文能展示基本的集合概念，并有利于我們在不同任務中使用不同的數據類型。

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總結

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