二维数组创建方式的有趣之处在Python中

草帽路飞UU

前言

　　Python 提供了许多方法来创建二维列表/数组。然而，但大多数人不知道这些创建方法的区别。我也不知道，所以本文就来介绍一下关于二维数组的有趣地方。

　　创建一维数组/列表
　　先让我们先来看看创建大小为 N、初始化值为 0 的一维数组（列表）的常见方法。

　　原始方法

　　array1 = [0] * 5

　　array1

　　[0, 0, 0, 0, 0]



　　用列表推导式

　　array2 = [0 for i in range(5)]

　　array2

　　[0, 0, 0, 0, 0]



　　在 Python3 的 IDLE 操作如下：



创建二维数组

　　二维数组是一个线性存储在内存中的二维数据结构。这意味着它有两个维度，行和列，因此它也代表一个矩阵。

　　通过线性数据结构，我们的意思是元素被线性地放置在内存中，并且每个元素都与它的上一个和下一个元素相连。




如果我们把二维数组想象成表格的形式，但实际上，元素是线性地存储在内存中的。二维数组的元素在内存中是连续排列的。这意味着，如果一个元素出现在当前的内存地址，那么下一个元素将被放置在下一


个内存地址。这种类型的存储使数组可以随机访问。这意味着我们可以独立访问数组中的任何元素。就像下图：




在 Python 中创建二维数组，不像 C++ 和 Java 中那样简单，直接用两个 [][] 中括号。先来看一下 Java 中创建二维数组的方式。

　　先来看 Java 中创建二维数组的方式，Java 中创建二维数组的格式：

　　type arrayName[][];

　　type [][]arrayName;



　　比如，定义一个 4 行 2 列的整型二维数组：

　　int[][] arrayName = new int[4][2]; // // 2D integer array with 4 rows and 2 columns

　　创建一个 Python 二维数组的错误

　　也想模仿一下 Java，奈何只能得到一个语法错误：

　　>>> twoD_array = [][]

　　    SyntaxError: invalid syntax



　　抱歉，行不通。但是可以这样:

　　>>> twoD_array = [[]]

　　>>> twoD_array

　　[[]]



　　就像下图：




但这种方式不一一定符合你对二维数组的期望，后面会介绍。如果想要以一种更像 Java 的方式，可以使用这种方式：

　　matrix = []

　　for i in range(5):

　　  row = []

　　  for j in range(5):

　　    row.append(0)

　　  matrix.append(row)

　　print(matrix)



　　输出：

　　[[0, 0, 0, 0, 0], [0, 0, 0, 0, 0], [0, 0, 0, 0, 0], [0, 0, 0, 0, 0], [0, 0, 0, 0, 0]]

　　所以，为了创建一个二维数组，其本质就是用嵌套类别的方式，就像下面这样：

　　>>> li = [[1,2,3], [4,5,6]]

　　>>> li

　　[[1, 2, 3], [4, 5, 6]]



　　这样又太麻烦，我想有没有更好的方法。

　　方法一

　　像创建一维数组那样：

　　>>> rows, cols = (2, 3)

　　>>> arr = [[0] * cols] * rows

　　>>> arr

　　[[0, 0, 0], [0, 0, 0]]



　　方法二

　　利用列表推导式：

　　>>> arr = [[0 for i in range(cols)] for j in range(rows)]

　　>>> arr

　　[[0, 0, 0], [0, 0, 0]]



　　两种方式都提供与现在相同的输出。

　　更改一下二维数组的元素看看

　　之前说过，这种方式不一定能满足你对二维数组的期望，现在让我们更改方法一和方法二的数组中的元素：

　　# 方法一

　　>>> rows, cols = (2, 3)

　　>>> arr = [[0] * cols] * rows

　　>>> arr[0][0] = 1

　　>>> for row in arr:

　　...     print(row)

　　...

　　[1, 0, 0]

　　[1, 0, 0]



　　奇怪的事情发生了，明明我只改变了 arr[0][0]，我希望的是第一行的第一个元素更改为 1，但结果却是每行的第一个元素更改为 1。

　　再来看一下方法二：

　　# 方法二

　　>>> rows, cols = (2, 3)

　　>>> arr = [[0 for i in range(cols)] for j in range(rows)]

　　>>> arr[0][0] = 1

　　>>> for row in arr:

　　...     print(row)

　　...

　　[1, 0, 0]

　　[0, 0, 0]



　　方法二正是我想要的答案。

　　什么原因呢？

　　我这里就简单解释一下：

　　方法一中，Python 不会创建 2 个 list 对象，而是仅创建一个 list 对象，并且数组 arr 的所有索引都指向同一列表对象( list )，如图所示。





方法二，会创建 2 个单独的列表对象，如下图：




我们可以通过 is() 函数来检查上面的方法一和方法二是否指向同一个对象：

　　可以看到通过方法二创建的数组 arr1[0] 和 arr1[1] 结果为 False。

　　>>> rows, cols = (5, 5)

　　>>> arr1 = [[0 for i in range(cols)] for j in range(rows)]

　　>>> print(arr1[0] is arr1[1])

　　False



　　而方法一结果为 True，说明是同一对象。

　　>>> arr2 = [[0]*cols]*rows

　　>>> print(arr2[0] is arr2[1])

　　True



　　所以正确的创建二维数组的方式就是用方法二，  也就是：


　　rows, cols = (5, 5)

　　arr2 = [[0 for i in range(cols)] for j in range(rows)]



　　一个 5 行 5 列的二维数组就创建成功：

　　>>> for row in arr2:

　　...     print(row)

　　...


　　[0, 0, 0, 0, 0]

　　[0, 0, 0, 0, 0]

　　[0, 0, 0, 0, 0]

　　[0, 0, 0, 0, 0]

　　[0, 0, 0, 0, 0]



　　不过，还没完，还有一点，我们发现 i 和 j 变量好像都没使用，所以我们用单下划线 _ 进行变量舍弃：

　　rows, cols = (5, 5)

　　arr2 = [[0 for _ in range(cols)] for _ in range(rows)] # 创建一个正确的5行5列的数组


　　在 Python 中，单个独立下划线是用作一个名字，来表示某个变量是临时的或无关紧要的。

　　方法三

　　最后，如果想要一个支持数学运算的二维数组，推荐使用 numpy 包。官网点此处。

　　numpy 中的矩阵操作最常使用的是二维数组类型。有很多方法可以创建一个新的数组；其中最有用的是 zeros 函数，它接受一个形状参数并返回一个给定形状的数组，其值被初始化为零。

　　>>> import numpy

　　>>> numpy.zeros(5,5)

　　array([[0., 0., 0., 0., 0.],

　　       [0., 0., 0., 0., 0.],

　　       [0., 0., 0., 0., 0.],

　　       [0., 0., 0., 0., 0.],

　　       [0., 0., 0., 0., 0.]])

　　>>>

　　>>> numpy.empty((5,5)) # allocate, but don't initialize

　　array([[0., 0., 0., 0., 0.],

　　       [0., 0., 0., 0., 0.],

　　       [0., 0., 0., 0., 0.],

　　       [0., 0., 0., 0., 0.],

　　       [0., 0., 0., 0., 0.]])

　　>>>

　　>>> numpy.ones((5,5)) # initialize with ones

　　array([[1., 1., 1., 1., 1.],

　　       [1., 1., 1., 1., 1.],

　　       [1., 1., 1., 1., 1.],

　　       [1., 1., 1., 1., 1.],

　　       [1., 1., 1., 1., 1.]])



　　总结

　　本文的创造灵感来自于学习 Python 的列表时，想到 Java 中的数组和二维数组，就想上网搜搜 Python 二维数组的定义方式，然后就找到了 StackOverflow 上的这一个问题：How to define a two-

dimensional array?，在这个问题的回答下，抱着玩一玩的心态写完了这篇文章。

　　至此，我们终于能够正确创建一个 Python 的二维数组了。对，就是它：

　　arr2 = [[0 for _ in range(5)] for _ in range(5)]  # 创建一个正确的5行5列的数组

　　本文介绍了 Python 中的二维数组的三种创建方式，我们都知道数组是线性数据结构，包含了连续内存空间中相同数据类型的元素，所以我们能很方便的检索到数组中的每一个值，二维数组也不例外。通

过 arr[row][cols] 能很方便的获取二维数组中的元素。