Pandas 实践手册（一）

口仆

发布于 2020-11-06 13:33:50

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本系列参考自「Python Data Science Handbook」第三章，旨在对 Pandas 库的使用方法进行归纳与总结。

1 安装和使用

关于 pandas 的安装可以参考官方教程[1]，官方推荐直接基于 Anaconda 进行安装。安装完成后，我们可以导入 pandas 并查看其版本：

In[1]: import pandas
       pandas.__version__
Out[1]: '1.0.3'

与 Numpy 一样，为了使用方便我们会将 Pandas 以「别名」的形式导入：

In[2]: import pandas as pd

在接下来的介绍中我们都将使用该导入方式。值得一提的是，在 Jupyter lab 中我们可以通过 「Tab 键」来进行自动补全，使用「问号」来查看相关文档，如下所示：

In [3]: pd.<TAB> # 查看可以调用的方法
In [4]: pd? # 查看官方文档

2 Pandas 对象

本章节将介绍三种基本的 Pandas 对象（数据结构）：Series、DataFrame 和 Index。我们可以简单地将 Pandas 对象理解为 Numpy 数组的增强版本，其中行与列可以通过标签进行识别，而不仅是简单的数字索引。Pandas 为这些基本数据结构提供了一系列有用的工具与方法。为了小节之间的独立性，每节的最开始会先进行包导入（编号每节独立）：

In[1]: import numpy as np
       import pandas as pd

2.1 Series 对象

Series 对象是一个可索引数据的「一维数组」，我们可以基于列表或数组来创建该对象：

In[2]: data = pd.Series([0.25, 0.5, 0.75, 1.0])
       data
Out[2]: 0 0.25
        1 0.50
        2 0.75
        3 1.00
        dtype: float64

如上所示，Series 对象包含了一个值序列和一个索引序列，我们可以分别通过 values 与 index 属性来进行访问。values 属性是一个 Numpy 数组：

In[3]: data.values
Out[3]: array([0.25, 0.5 , 0.75, 1.  ]) # 输出的缩进就是这样，还蛮怪的

index 属性则是一个类数组的对象，类型为 pd.Index，将在之后进行介绍：

In[4]: data.index
Out[4]: RangeIndex(start=0, stop=4, step=1)

和 Numpy 数组类似，我们可以通过方括号输入对应的索引来访问数据：

In[5]: data[1]
Out[5]: 0.5

In[6]: data[1:3] # 支持切片
Out[6]: 1 0.50
        2 0.75
        dtype: float64

2.1.1 Series 作为广义 Numpy 数组

虽然看起来和一维 Numpy 数组很像，但 Series 对象要比其更加通用和灵活。两者的关键区别在于：Numpy 数组使用「隐式定义」的数值索引来访问值，而 Series 对象则使用「明确」定义的索引来访问值。这一明确的索引定义赋予了 Series 对象额外的能力，例如索引不一定是整数，也可以是任意类型的值：

In[7]: data = pd.Series([0.25, 0.5, 0.75, 1.0],
                        index=['a', 'b', 'c', 'd'])
       data
Out[7]: a 0.25
        b 0.50
        c 0.75
        d 1.00
        dtype: float64

元素的访问也随之更改：

In[8]: data['b']
Out[8]: 0.5

我们甚至可以使用「非连续」的索引：

In[9]: data = pd.Series([0.25, 0.5, 0.75, 1.0],
                        index=[2, 5, 3, 7])
       data
Out[9]: 2 0.25
        5 0.50
        3 0.75
        7 1.00
        dtype: float64

In[10]: data[5]
Out[10]: 0.5

2.1.2 Series 作为特殊的字典

我们还可以将 Series 看作一种特殊的 Python 字典。字典是一种将任意的键映射到任意的值上的数据结构，而 Series 则是将包含类型信息的键映射到包含类型信息的值上的数据结构。「类型信息」可以为 Series 提供比普通字典更高效的操作。

我们可以直接基于字典来构建 Series 对象：

In[11]: population_dict = {'California': 38332521,
                           'Texas': 26448193,
                           'New York': 19651127,
                           'Florida': 19552860,
                           'Illinois': 12882135}
        population = pd.Series(population_dict)
        population
Out[11]: California    38332521
         Texas         26448193
         New York      19651127
         Florida       19552860
         Illinois      12882135
         dtype: int64

可以看到索引即为字典的键（新版 Pandas 中似乎不会对键进行排序以生成索引，而是保持原状）。我们可以像字典一样通过索引访问值，也可以使用字典不支持的切片操作（注意此处的切片会包含尾部）：

In[12]: population['California']
Out[12]: 38332521

In[13]: population['California':'Texas']
Out[13]: California    38332521
         Texas         26448193
         dtype: int64

2.1.3 构建 Series 对象

如上所述，Series 对象的构建方式有很多种，其基本遵循如下形式：

>>> pd.Series(data, index=index)

其中 index 为可选参数，data 可以是很多数据结构之一，例如：

「列表或 Numpy 数组」：

In[14]: pd.Series([2, 4, 6])
Out[14]: 0    2
         1    4
         2    6
         dtype: int64

「标量」（重复填充）：

In[15]: pd.Series(5, index=[100, 200, 300])
Out[15]: 100    5
         200    5
         300    5
         dtype: int64

「字典」（键即为索引）：

In[16]: pd.Series({2:'a', 1:'b', 3:'c'})
Out[16]: 1    b
         2    a
         3    c
         dtype: object

索引还可以特别设置为子集的形式，例如：

In[17]: pd.Series({2:'a', 1:'b', 3:'c'}, index=[3, 2])
Out[17]: 3    c
         2    a
         dtype: object

2.2 DataFrame 对象

与 Series 对象一样，DataFrame 对象也可以被认为是 Numpy 数组的推广，或是一种特殊的 Python 字典。下面我们将分别从这两个角度进行介绍。

2.2.1 DataFrame 作为广义 Numpy 数组

我们可以将 DataFrame 看做一个拥有灵活的行索引与列名的「二维」 Numpy 数组，其本质上就是一系列对齐（共享相同的索引）的 Series 对象。为了说明这一点，我们首先构建一个包含五大洲面积数据的 Series：

In[18]: area_dict = {'California': 423967, 'Texas': 695662, 'New York': 141297,
                     'Florida': 170312, 'Illinois': 149995}
        area = pd.Series(area_dict)
        area
Out[18]: California    423967
         Texas         695662
         New York      141297
         Florida       170312
         Illinois      149995
         dtype: int64

将该对象与之前的人口数据进行合并（使用字典），即可得到一个 DataFrame 对象：

In[19]: states = pd.DataFrame({'population': population,
                               'area': area})
        states
Out[19]:            population area
         California 38332521 423967
         Texas      26448193 695662
         New York   19651127 141297
         Florida    19552860 170312
         Illinois   12882135 149995

与 Series 对象类似，我们可以通过 index 属性来获取 DataFrame 对象的索引标签：

In[20]: states.index
Out[20]: Index(['California', 'Texas', 'New York', 'Florida', 'Illinois'], dtype='object')

此外，DataFrame 对象还有一个 columns 属性，其为一个包含列标签的 Index 对象：

In[21]: states.columns
Out[21]: Index(['population', 'area'], dtype='object')

因此，DataFrame 对象可以看做是二维 Numpy 数组的推广，其行与列都拥有广义的索引以方便进行数据查询。

2.2.2 DataFrame 作为特殊的字典

我们也可以将 DataFrame 对象看作一种特殊的字典，其将一个「列名」映射到一个 Series 对象上。例如：

In[22]: states['area']
Out[22]: California    423967
         Texas         695662
         New York      141297
         Florida       170312
         Illinois      149995
         Name: area, dtype: int64

注意如果直接访问行索引会报错，因此 DataFrame 对象需要首先通过列索引来找到列对象，再去通过行索引访问具体的值。而对于二维 Numpy 数组来说，data[0] 返回的是第一行，需要与 DataFrame 区分开来（其返回的是列）。

2.2.3 构建 DataFrame 对象

DataFrame 对象的构建方式同样有很多种，例如：

「基于单个 Series 对象构建」：

In[23]: pd.DataFrame(population, columns=['population'])
Out[23]:            population
         California 38332521
         Texas      26448193
         New York   19651127
         Florida    19552860
         Illinois   12882135

「基于字典的列表构建」：

In[24]: data = [{'a': i, 'b': 2 * i}
                for i in range(3)]
        pd.DataFrame(data)
Out[24]:   a b
         0 0 0
         1 1 2
         2 2 4

即使字典中缺少部分键，Pandas 也会自动填充为 NaN：

In[25]: pd.DataFrame([{'a': 1, 'b': 2}, {'b': 3, 'c': 4}])
Out[25]:   a    b  c
         0 1.0  2  NaN
         1 NaN  3  4.0

「基于 Series 对象的字典构建」：

In[26]: pd.DataFrame({'population': population,
                      'area': area})
Out[26]:            population area
         California 38332521 423967
         Texas      26448193 695662
         New York   19651127 141297
         Florida    19552860 170312
         Illinois   12882135 149995

「基于二维 Numpy 数组构建」（不指定则为整数索引）：

In[27]: pd.DataFrame(np.random.rand(3, 2),
                     columns=['foo', 'bar'],
                     index=['a', 'b', 'c'])
Out[27]:   foo      bar
        a  0.165577 0.626570
        b  0.799517 0.376820
        c  0.614334 0.886437

「基于 Numpy 结构化数组构建」（较为特殊）：

In[28]: A = np.zeros(3, dtype=[('A', 'i8'), ('B', 'f8')])
        A
Out[28]: array([(0, 0.0), (0, 0.0), (0, 0.0)], dtype=[('A', '<i8'), ('B', '<f8')])
In[29]: pd.DataFrame(A)
Out[29]:   A B
         0 0 0.0
         1 0 0.0
         2 0 0.0

以上是书中列举的常用构建方法，这里补充一个在使用过程中遇到的构建案例：

「基于嵌套列表（或元组）构建」（可以混用）：

In[extra1]: pd.DataFrame([[1,2],[2,3],[3,4]], columns=['A', 'B'])
Out[extra2]:  A B
            0 1 2
            1 2 3
            2 3 4

对于这种构建方式，在实践过程中我们可以对于每组数据构建一个列表，然后通过 list(zip(a_list, b_list)) 创建嵌套列表，再基于上述方式创建 DataFrame 即可（行索引为默认整数索引）。

2.3 Index 对象

在 Series 对象与 DataFrame 对象中，都包含由于查找与修改数据的「索引」（index），其结构为一个 Index 对象。我们可以将 Index 对象看做一个「不可变数组」或是一个「有序集合」（多重集，因为可能包含重复值）。下面将分别从这两个角度进行介绍。首先我们基于一个整数列表创建一个简单的 Index 对象：

In[30]: ind = pd.Index([2, 3, 5, 7, 11])
        ind
Out[30]: Int64Index([2, 3, 5, 7, 11], dtype='int64')

2.3.1 Index 作为不可变数组

Index 对象可以执行很多与数组类似的操作，如通过索引访问：

In[31]: ind[1]
Out[31]: 3

In[32]: ind[::2]
Out[32]: Int64Index([2, 5, 11], dtype='int64')

其也拥有很多与 Numpy 数组相似的属性：

In[33]: print(ind.size, ind.shape, ind.ndim, ind.dtype)
Out[33]: 5 (5,) 1 int64

需要注意的是，Index 对象与 Numpy 数组的区别在于其是不可变的（类似列表与元组的区别），我们不能对索引进行修改：

In[34]: ind[1] = 0
TypeError: Index does not support mutable operations

这样可以保证在共享索引时更加安全。

2.3.2 Index 作为有序集合

Pandas 对象的设计初衷之一是便于执行数据集之间的连接这样的操作。Index 对象遵循 Python 内置的 set 数据结构的特性，可以方便地进行各种连接操作，例如：

In[35]: indA = pd.Index([1, 3, 5, 7, 9])
        indB = pd.Index([2, 3, 5, 7, 11])
In[36]: indA & indB # 交集
Out[36]: Int64Index([3, 5, 7], dtype='int64')

In[37]: indA | indB # 并集
Out[37]: Int64Index([1, 2, 3, 5, 7, 9, 11], dtype='int64')

In[38]: indA ^ indB # 对称差集
Out[38]: Int64Index([1, 2, 9, 11], dtype='int64')

上述操作也可以通过对象方法执行，如 indA.intersection(indB)。

「未完待续」