第3章　Python的基本數據類型

本章摘要

3-1　type( )函數

3-2　數值數據類型

3-3　布爾值數據類型

3-4　字符串數據類型

3-5　字符串與字符

3-6　bytes數據

3-7　專題——地球到月球時間計算/計算坐標軸兩點之間的距離

Python的基本數據類型有下列幾種。

（1）數值數據類型（numeric type）：常見的數值數據又可分成整數（int）、浮點數（float）、復數（complex number）（不常用所以不在本書討論范圍）。

（2）布爾值（Boolean）數據類型：也可歸為數值數據類型。

（3）文字序列類型（text sequence type）：也就是字符串（string）數據類型。

（4）字符組（bytes，有的書稱字節）數據類型：這是二進制的數據類型，長度是8位。

（5）序列類型（sequence type）：list（第6章說明）、tuple（第8章說明）。

（6）對映類型（mapping type）：dict（第9章說明）。

（7）集合類型（set type）：集合set（第10章說明）、凍結集合frozenset。

3-1　type( )函數

在正式介紹Python的數據類型前，筆者想介紹一下type( )函數，這個函數可以列出變量的數據類型類別。這個函數在讀者未來進入Python實戰時非常重要，因為變量在使用前不需要聲明，同時在程序設計過程中變量的數據類型會改變，我們常常需要使用此函數判斷目前的變量數據類型。或是在進階Python應用中，會調用一些方法（method），這些方法會返回一些數據，可以使用type( )獲得所返回的數據類型。

程序實例ch3_1.py：列出數值變量的數據類型。

執行結果

從上述執行結果可以看到，變量x的內容是10，數據類型是整數（int）。變量y的內容是3.33…3，數據類型是浮點數（float）。下一節會說明為何是這樣。

3-2　數值數據類型

3-2-1　整數int

整數的英文是integer，在計算機程序語言中一般用int表示。如果讀者學過其他計算機語言，在介紹整數時一定會告訴你，該計算機語言使用了多少空間存儲整數，所以設計程序時整數的大小必須是在某一區間， 否則會有溢位（overflow）造成數據不正確。例如，如果存儲整數的空間是32位，則整數大小為-2 147 483 648～2 147 483 647。在Python 2.x版時代，整數被限制在32位，另外還有長整數long，空間大小是64位，所以可以存儲的數值更大，達到-9 223 372 036 854 775 808 ~ 9 223 372 036 854 775 807。在Python 3中已經將整數可以存儲空間大小的限制取消了，所以沒有long了，也就是說int可以是任意大小的數值。

英文googol是指自然數10¹⁰⁰，計算機是用1e¹⁰⁰顯示，這是1938年美國數學家愛德華·卡斯納（Edward Kasner） 9歲的侄子米爾頓·西羅蒂（Milton Sirotta）所創造的。下列是筆者嘗試使用整數int顯示此googol值。

3-2-2　浮點數

浮點數的英文是float，既然整數大小沒有限制，浮點數大小當然也沒有限制。在Python語言中，帶有小數點的數字稱為浮點數。例如：

    x = 10.3

表示x是浮點數。

3-2-3　基本數值數據的使用

Python在聲明變量時可以不用設置這個變量的數據類型，未來如果這個變量內容是放整數，這個變量就是整數（int）數據類型，如果這個變量內容是放浮點數，這個變量就是浮點數數據類型。整數與浮點數最大的區別是，整數不含小數點，浮點數含小數點。

程序實例ch3_2.py：測試浮點數。

執行結果

在程序實例ch3_1.py中，x變量的值是“10”，列出x變量是整數變量，在這個實例中，x變量的值是“10.0”，列出x變量是浮點數變量。

3-2-4　整數與浮點數的運算

Python程序設計時不相同的數據類型也可以執行運算，程序設計時常常會發生整數與浮點數之間的數據運算，Python具有簡單的自動轉換能力，在計算時會將整數轉換為浮點數再執行運算。

程序實例ch3_3.py：不同數據類型的運算。

執行結果

上述變量y，由于是整數與浮點數的加法，所以結果是浮點數。此外，某一個變量如果是整數，但是如果最后所存儲的值是浮點數，Python也會將此變量轉成浮點數。

程序實例ch3_4.py：整數轉換成浮點數的應用。

執行結果

原先變量x所存儲的值是整數，所以列出的是整數。后來存儲了浮點數，所以列出的是浮點數。

3-2-5　二進制整數與函數bin( )

可以用二進制方式代表整數，Python中定義凡是以0b開頭的數字，代表這是二進制的整數。

bin( )函數可以將一般整數數字轉換為二進制。

程序實例ch3_5.py：將十進制數值與二進制數值互轉的應用。

執行結果

3-2-6　八進制整數與函數oct( )

可以用八進制方式代表整數，Python中定義凡是以0o開頭的數字，代表這是八進制的整數。

oct( )函數可以將一般數字轉換為八進制。

程序實例ch3_6.py：將十進制數值與八進制數值互轉的應用。

執行結果

3-2-7　十六進制整數與函數hex( )

可以用十六進制方式代表整數，Python中定義凡是以0x開頭的數字，代表這是十六進制的整數。

hex( )函數可以將一般數字轉換為十六進制。

程序實例ch3_7.py：將十進制數值與八進制數值互轉的應用。

執行結果

3-2-8　強制數據類型的轉換

有時候設計程序時，可以自行強制使用下列函數，轉換變量的數據類型。

int( )：將數據類型強制轉換為整數。

float( )：將數據類型強制轉換為浮點數。

程序實例ch3_8.py：將浮點數強制轉換為整數的運算。

執行結果

程序實例ch3_9.py：將整數強制轉換為浮點數的運算。

執行結果

3-2-9　數值運算常用的函數

下列是數值運算時常用的函數。

abs( )：計算絕對值。

pow（x,y）：返回x的y次方。

round( )：這是采用運算法則的Bankers Rounding概念，如果處理位數左邊是奇數則使用四舍五入，如果處理位數左邊是偶數則使用五舍六入，例如，round(1.5)=2，round(2.5)=2。

處理小數時，第2個參數代表取到小數第幾位，1代表取到小數第1位。根據保留小數位的后兩位，采用"50"舍去，"51"進位，例如，round(2.15,1)=2.1，round(2.25,1)=2.2，round(2.151,1)=2.2，round(2.251,1)=2.3。

程序實例ch3_10.py：abs( )、pow( )、round( )、round(x,n）函數的應用。

執行結果

需留意的是，使用上述abs( )、pow( )或round( )函數，盡管可以得到運算結果，但是原先變量的值是沒有改變的。

3-2-10　科學記數法

科學記數的概念如下，將一個數字轉換成下列數學式：

    a×10n

a是浮點數，例如，123456可以表示為1.23456 ×10⁵，以10為基底數我們用E或e表示，指數部分則轉為一般數字，然后省略“×”符號，最后表達式如下：

    1.23456E+5

或

    1.23456e+5

如果是碰上小于1的數值，則E或e右邊是負值“-”。例如，0.000123轉成科學記數法，最后表達式如下：

    1.23E-4

或

    1.23e-4

下列是示范輸出。

4-2-2節和4-2-3節會介紹將一般數值轉成科學記數法輸出的方式，以及格式化輸出方式。

3-3　布爾值數據類型

Python的布爾值（Boolean）數據類型的值有兩種，True（真）或False（偽）。它的數據類型代號是bool。布爾值一般應用在程序流程的控制中，特別是在條件表達式中，程序可以根據這個布爾值判斷應該如何執行下一步工作。

程序實例ch3_11.py：列出布爾值True與布爾值False的數據類型。

執行結果

如果將布爾值數據類型強制轉換成整數，如果原值是True，將得到1；如果原值是False，將得到0。

程序實例ch3_12.py：將布爾值強制轉換為整數，同時列出轉換的結果。

執行結果

在本章一開始說過，有時候也可以將布爾值當作數值數據，因為True會被視為1，False會被視為0，可以參考下列實例。

程序實例ch3_13.py：將布爾值與整數值相加，并觀察最后變量數據類型，可以發現，最后的變量數據類型是整數值。

執行結果

此外，在程序設計中False值不一定是要經過條件判斷是False，才可以得到False，下列情況也會被視為False。

    布爾值False
    整數0
    浮點數0.0
    空字符串 ''
    空列表 [ ]
    空元組 ( )
    空字典 { }
    空集合 set( )
    None

至于其他的都會被視為True。

3-4　字符串數據類型

字符串（string）數據是指兩個單引號（‘）之間或是兩個雙引號（“）之間任意個數字元符號的數據，它的數據類型代號是str。在英文字符串的使用中常會發生某字中間有單引號的情況，其實這是文字的一部分，如下所示：

    This is James's ball

如果用單引號去處理上述字符串將產生錯誤，如下所示：

碰到這種情況，可以用雙引號解決，如下所示：

程序實例ch3_14.py：使用單引號與雙引號設置與輸出字符串數據的應用。

執行結果

3-4-1　字符串的連接

數學的運算符“+”，可以進行兩個字符串相加的操作，產生新的字符串。

程序實例ch3_15.py：字符串連接的應用。

執行結果

3-4-2　處理多于一行的字符串

程序設計時如果字符串長度多于一行，可以使用三個單引號（或是三個雙引號）將字符串括起來即可。

程序實例ch3_16.py：使用三個單引號處理多于一行的字符串。

執行結果

讀者可以留意第2行Silicon左邊的3個單引號和第3行末端的3個單引號，另外，上述第2行若是少了"str1 = "，3個單引號間的跨行字符串就變成了程序的注釋。

3-4-3　轉義字符

在字符串使用中，如果字符串內有一些特殊字符，例如單引號、雙引號等，必須在此特殊字符前加上“\”（反斜杠），才可正常使用，這種含有“\”符號的字符稱為轉義字符（Escape Character）。

字符串使用中特別是碰到字符串含有單引號時，如果是使用單引號定義這個字符串，必須要使用此轉義字符，才可以順利顯示，可參考ch3_17.py的第3行。如果是使用雙引號定義字符串，則可以不必使用轉義字符，可參考ch3_17.py的第6行。

程序實例ch3_17.py：轉義字符的應用，這個程序第9行增加了“\t”字符，所以“can’t”跳到下一個Tab鍵位置輸出。同時有“\n”字符，這是換行符號，所以“loving”跳到下一行輸出。

執行結果

3-4-4　str( )函數

str( )函數有如下幾個用法。

（1）設置空字符串。

（2）設置字符串。

（3）強制將數值數據轉換為字符串數據。

程序實例ch3_18.py：使用str( )函數將數值數據強制轉換為字符串的應用。

執行結果

上述字符串相加，讀者可以想成是字符串連接，執行結果是一個字符串，所以上述執行結果555是數值數據，222333則是一個字符串。

3-4-5　將字符串轉換為整數

int( )函數可以將字符串轉為整數，在未來的程序設計中也常會發生將字符串轉換為整數數據，下面將直接以實例做說明。注：如果數字是非數字字符組成，會產生錯誤。

程序實例ch3_19.py：將字符串數據轉換為整數數據的應用。

執行結果

上述執行結果55是數值數據，2233則是一個字符串。

3-4-6　字符串與整數相乘產生字符串復制效果

在Python中允許將字符串與整數相乘，結果是字符串將重復該整數的次數。

程序實例ch3_20.py：字符串與整數相乘的應用。

執行結果

3-4-7　聰明地使用字符串加法和換行字符\n

有時在設計程序時，想將字符串分行輸出，可以使用字符串加法功能，在加法過程中加上換行字符“\n”即可產生字符串分行輸出的結果。

程序實例ch3_21.py：將數據分行輸出的應用。

執行結果

3-4-8　字符串前加r

在使用Python時，如果在字符串前加上r，可以防止轉義字符被轉義，可參考3-4-3節的轉義字符表，相當于可以取消轉義字符的功能。

程序實例ch3_22.py：字符串前加上r的應用。

執行結果

3-5　字符串與字符

在Python中沒有所謂的字符（character）數據，如果字符串含一個字符，我們稱這是含一個字符的字符串。

3-5-1　ASCII碼

計算器內部最小的存儲單位是位（bit），這個位只能存儲0或1。一個英文字符在計算器中是被存儲成8個位的一連串0或1中，存儲這個英文字符的編碼稱為ASCII（American Standard Code for Information Interchange，美國信息交換標準程序代碼），有關ASCII碼的內容可以參考附錄E。

在這個ASCII表中由于是用8位定義一個字符，所以使用了0～127定義了128個字符，在這128個字符中有33個字符是無法顯示的控制字符，其他則是可以顯示的字符。不過有一些應用程序擴充了功能，讓部分控制字符可以顯示，例如，撲克牌花色、笑臉等。至于其他可顯示字符有一些符號，例如+、-、=、0～9、A～Z或a～z等。這些符號每一個都有一個編碼，我們稱這個編碼是ASCII碼。

可以使用下列函數執行數據的轉換。

chr（ x ）：返回函數x值的ASCII或Unicode字符。

例如，從ASCII表可知，字符a的ASCII碼值是97，可以使用下列方式打印出此字符。

英文小寫與英文大寫的碼值相差32，可參考下列實例。

3-5-2　Unicode碼

計算機是美國發明的，因此ASCII碼對于英語系國家的確很好用，但是地球是一個多種族的社會，存在幾百種語言與文字，ASCII所能容納的字符是有限的，只要隨便一個不同語系的外來詞，例如，含重音字符就無法顯示了，更何況有幾萬中文字或其他語系文字。為了讓全球語系的用戶可以彼此用計算機溝通，因此有了Unicode碼。

Unicode碼的基本精神是，世上所有的文字都有一個碼值，可以參考下列網頁：

http://www.unicode.org/charts

目前，Unicode內定義了超過11萬的文字，它的定義方式是以“\u”開頭后面有4個十六進制的數字，所以是從“\u0000”至“\uFFFF”。在上述網頁中可以看到不同語系表，其中，East Asian Scripts字段可以看到CJK（Chinese，Japanese，Korean），在這里可以看到漢字的Unicode碼值表，CJK統一漢字的編碼為4E00～9FBB。

在Unicode編碼中，前128個碼值是保留給ASCII碼使用，所以對于原先存在ASCII碼中的英文大小寫、標點符號等，是可以正常在Unicode碼中使用的，Unicode編碼中經常用的是ord( )函數。

ord（ x ）：可以返回函數字符參數x的Unicode碼值，如果是中文字也可返回Unicode碼值。如果是英文字符，Unicode碼值與ASCII碼值是一樣的。有了這個函數，可以很輕易地獲得字符的Unicode碼值。

程序實例ch3_23.py：這個程序首先會將整數97轉換成英文字符‘a’，然后將字符‘a’轉換成Unicode碼值，最后將中文字‘魁’轉成Unicode碼值。

執行結果

3-5-3　utf-8編碼

utf-8是針對Unicode字符集的可變長度編碼方式，這是Internet目前所遵循的編碼方式，在這種編碼方式下，utf-8使用1～4個byte表示一個字符，這種編碼方式會根據不同的字符變化編碼長度。

　ASCII使用utf-8編碼規則

對于ASCII字符而言，基本上它使用1個byte存儲ASCII字符，utf-8的編碼方式是byte的第一個位是0，其他7個位則是此字符的ASCII碼值。

　中文字的utf-8編碼規則

對于需要n個byte編碼的Unicode漢字字符而言，例如需要3個byte編碼的漢字，第一個byte的前n(3)位皆設為1，n+1(4)設為0。后面第2和第3個byte的前2位是10，其他沒有說明的二進制全部是此漢字字符的Unicode碼。依照此規則，可以得到漢字的utf-8編碼規則如下：

    1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx      # xx就是要填入的Unicode碼

例如，從ch3_23.py的執行結果可知“魁”的Unicode碼值是0x9b41，如果轉成二進制方式則如下所示：

    10011011 01000001

我們可以用下列更細的方式，將“魁”的Unicode碼值填入xx內。

從上圖可以得到“魁”的utf-8編碼結果是0xe9ad81，3-6-1節的實例2也可以驗證這個結果。

3-6　bytes數據

使用Python處理一般字符串數據時，可以很放心地使用Unicode字符串str數據類型，至于Python內部如何處理可以不用理會，這些事情Python的直譯程序會處理。

但是有一天需要與外界溝通或交換數據時，特別是我們使用中文，如果不懂中文字符串與bytes數據的轉換，所獲得的數據將會是亂碼。例如，設計電子郵件的接收程序，所接收的可能是bytes數據，這時必須學會將bytes數據轉成Unicode字符串，否則會有亂碼產生。或是有一天你要設計供中國人使用的網絡聊天室，必須設計將使用者所傳送的Unicode中文字符串轉成bytes數據傳上聊天室，然后也要設計將網絡接收的bytes數據轉成Unicode中文字符串，這個聊天室才可以順暢使用。

bytes數據格式是在字符串前加上b，例如，下列是“魁”的bytes數據。

    b'\xe9\xad\x81'

如果是英文字符串的bytes數據格式，相對單純地會顯示原始的字符，例如，下列是字符串“abc”的bytes數據。

    b'abc'

3-6-1　Unicode字符串轉成bytes數據

將Unicode字符串轉成bytes數據稱為編碼（encode），所使用的是encode( )函數，這個方法的參數是指出編碼的方法，可以參考下列表格。

如果Unicode字符串是英文則轉成bytes數據相對容易，因為對于utf-8格式編碼，Unicode也是用一個byte存儲每個字符串的字符。

實例1：英文Unicode字符串數據轉成bytes數據。

假設有一個字符串string，內容是‘abc’，可以使用下列方法設置，同時檢查此字符串的長度。

下面將Unicode字符串string用utf-8編碼格式轉成bytes數據，然后列出bytes數據的長度、數據類型，以及bytes數據的內容。

實例2：中文Unicode字符串數據轉成bytes數據。

假設有一個字符串name，內容是‘洪錦魁’，可以使用下列方法設置，同時檢查此字符串的長度。

下面將Unicode字符串name用utf-8編碼格式轉成bytes數據，然后列出bytes數據的長度、數據類型，以及bytes數據的內容。

由上述數據可以得到原來Unicode字符串用了3byte存儲一個中文字，所以3個中文字獲得了bytes的數據長度是9。

3-6-2　bytes數據轉成Unicode字符串

對于一個專業的Python程序設計師而言，常常需要從網絡取得數據，所取得的是bytes數據，這時需要將此數據轉成Unicode字符串，將bytes數據轉成Unicode字符串可以稱為譯碼，所使用的是decode( )函數，這個方法的參數是指出編碼的方法，與encode( )函數相同。

實例1：bytes數據轉成Unicode字符串數據。

實例2：bytes數據轉成Unicode字符串數據。

下面是將nameBytes數據使用utf-8編碼格式轉成Unicode字符串的方法，同時列出字符串長度和字符串內容。

3-7　專題——地球到月球時間計算/計算坐標軸兩點之 間的距離

3-7-1　計算地球到月球所需時間

馬赫是音速的單位，主要是為了紀念奧地利科學家恩斯特·馬赫（Ernst Mach）而命名，一馬赫就是一倍音速，它的速度大約是每小時1225千米。

程序實例ch3_24.py：從地球到月球約384 400千米，假設火箭的速度是一馬赫，設計一個程序計算需要多少天、多少小時才可抵達月球。這個程序省略分鐘數。

執行結果

由于尚未介紹完整的格式化程序輸出，所以使用上述方式輸出，第4章會改良上述程序。Python之所以可以成為當今最流行的程序語言，主要是它有豐富的函數庫與方法，上述求商（第5行）和余數（第6行），在2-9節中介紹了divmod( )函數，其實可以用divmod( )函數一次取得商和余數，如下：

    商, 余數 = divmod(被除數, 除數）        # 函數方法
    days, hours = divmod(total_hours, 24）  # 本程序應用方式

程序實例ch3_25.py：使用divmod( )函數重新設計ch3_24.py。

執行結果　與ch3_24.py相同。

3-7-2　計算坐標軸兩個點之間的距離

有兩個點坐標分別是（x1, y1）、（x2, y2），這兩個點的距離計算公式如下。

可以將上述公式轉成下列計算機數學表達式。

    dist = ( (x1 – x2）2 + (y1 – y2）2 ） ** 0.5  # ** 0.5相當于開根號

在人工智能的應用中，常用點坐標代表某一個對象的特征（feature），計算兩個點之間的距離，相當于可以了解物體間的相似程度。距離越短代表相似度越高，距離越長代表相似度越低。

程序實例ch3_26.py：有兩個點坐標分別是(1, 8）與(3, 10），請計算這兩個點之間的距離。

執行結果

習題

1. 假設a是10，b是 18，c是5，請計算下列執行結果，取整數結果。（3-2節）

（a） s = a + b – c

（b） s = 2 * a + 3 – c

（c） s = b * c + 20 / b

（d） s = a % c * b + 10

（e） s = a ** c – a * b * c

2. 請重新設計第2章習題2，請使用int( )函數，以整數列出本金和。（3-2節）

3. 請重新設計第2章習題2，使用round( )函數，以整數列出本金和。（3-2節）

4. 地球和月球的距離是384 400千米，假設火箭飛行速度是每分鐘250千米，請問從地球飛到月球需要多少天、多少小時、多少分鐘，請舍去秒鐘。（3-2節）

5. 請列出你自己名字十進制的Unicode碼值。（3-5節）

6. 請列出你自己名字十六進制的Unicode碼值。（3-5節）

7. 請將Unicode字符串“Python王者歸來”轉成bytes數據，然后輸出bytes數據。（3-6節）

8. 重新設計ch3_25.py，需計算至分鐘與秒鐘數。（3-7節）

9. 請修改ch3_26.py，計算這兩個點坐標（1, 8）與（3, 10）距坐標原點（0, 0）的距離。