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Python 的切片为什么不会索引越界?

进击的Coder • 2 年前 • 205 次点击  


这是「进击的Coder」的第 538 篇技术分享
作者:豌豆花下猫
来源:Python 猫

阅读本文大概需要 8 分钟。



切片(slice)是 Python 中一种很有特色的特性,在正式开始之前,我们先来复习一下关于切片的知识吧。

切片主要用于序列对象中,按照索引区间截取出一段索引的内容。

切片的书写形式:[i : i+n : m] ;其中,i 是切片的起始索引值,为列表首位时可省略;i+n 是切片的结束位置,为列表末位时可省略;m 可以不提供,默认值是 1,不允许为 0,当 m 为负数时,列表翻转。

切片的基本含义是:从序列的第 i 位索引起,向右取到后 n 位元素为止,按 m 间隔过滤

下面是一些很有代表性的例子,基本涵盖了切片语法的使用要点:

# @Python猫
li = [145679111416]

# 以下写法都可以表示整个列表,其中 X >= len(li)
li[0:X] == li[0:] == li[:X] == li[:] == li[::] == li[-X:X] == li[-X:]

li[1:5] == [4,5,6,7# 从1起,取5-1位元素
li[1:5:2] == [4,6# 从1起,取5-1位元素,按2间隔过滤
li[-1:] == [16# 取倒数第一个元素
li[-4:-2] == [911# 从倒数第四起,取-2-(-4)=2位元素
li[:-2] == li[-len(li):-2] == [1,4,5,6,7,9,11# 从头开始,取-2-(-len(li))=7位元素

# 步长为负数时,列表先翻转,再截取
li[::-1] == [16,14,11,9,7,6,5,4,1# 翻转整个列表
li[::-2] == [16,11,7,5,1# 翻转整个列表,再按2间隔过滤
li[:-5:-1] == [16,14,11,9# 翻转整个列表,取-5-(-len(li))=4位元素
li[:-5:-3] == [16,9# 翻转整个列表,取-5-(-len(li))=4位元素,再按3间隔过滤

# 切片的步长不可以为0
li[::0]  # 报错(ValueError: slice step cannot be zero)

像 C/C++、Java 和 JavaScript 等语言,虽然也支持某些“切片”功能,例如截取数组或字符串的片段,但是,它们并没有一种在语法层面上的通用性支持。

根据维基百科资料,Fortran 是最早支持切片语法的语言(1966),而 Python 则是最具代表性的语言之一。

主要编程语言对切片的支持

另外,像 Perl、Ruby、Go 和 Rust 等语言,虽然也有切片,但都不及 Python 那样灵活和自由(因为它支持 step、负数索引、缺省索引)。

编程语言中切片语法的形式

切片的基本用法就能够满足大部分的需求,但是,Python 切片还有一些进阶的用法,例如:切片占位符用法(可实现列表的赋值、删除与拼接操作)、自定义对象实现切片功能、迭代器切片(itertools.islice())、文件对象切片等等。关联阅读:Python进阶:全面解读高级特性之切片!

关于切片的介绍与温习,就到这里了。

下面进入文章标题的问题:Python 的切片语法为什么不会出现索引越界呢?

当我们根据单个索引进行取值时,如果索引越界,就会得到报错:“IndexError: list index out of range”。

>>> li = [12]
>>> li[5]
Traceback (most recent call last):
  File "", line 1in 
IndexError: list index out of range

对于一个非空的序列对象,假设其长度为 length,则它有效的索引值是从 0 到(length - 1)。如果把负数索引也考虑进去,则单个索引值的有效区间是 [-length, length - 1] 闭区间。

但是,当 Python 切片中的索引超出这个范围时,程序并不会报错。

>>> li = [12]
>>> li[1:5]  # 右索引超出
[2]
>>> li[5:6]  # 左右索引都超出
[]

其实,对于这种现象,官方文档中有所介绍:

The slice of s from i to j is defined as the sequence of items with index k such that i <= k < j. If i or j is greater than len(s), use len(s). If i is omitted or None, use 0. If j is omitted or None, use len(s). If i is greater than or equal to j, the slice is empty.

也就是说:

  • 当左或右索引值大于序列的长度值时,就用长度值作为该索引值;
  • 当左索引值缺省或者为 None 时,就用 0 作为左索引值;
  • 当右索引值缺省或者为 None 时,就用序列长度值作为右索引值;
  • 当左索引值大于等于右索引值时,切片结果为空对象。

对照上面的例子,可以得到:

>>> li = [12]
>>> li[1:5]  # 等价于 li[1:2]
[2]
>>> li[5:6]  # 等价于 li[2:2]
[]

归结起来一句话:Python 解释器把可能导致索引越界的操作给屏蔽了,你的写法可以很自由,但是最终的结果会被死死限制在合法的索引区间内。

对于这个现象,我其实是有点疑惑的,为什么 Python 不直接报索引越界呢,为什么要修正切片的边界值,为什么一定要返回一个值呢,即便这个值可能是个空序列?

当我们使用“li[5:6]”时,至少在字面意义上想表达的是“取出索引从 5 到 6 所对应的值”,就像是在说“取出书架上从左往右数的第 6 和 7 本书”。

如果程序是如实地遵照我们的指令的话,它就应该报错,就应该说:对不起,书架上的书不够数。

实话说,我并没有查到这方面的解释,这篇文章也不是要给大家科普 Python  在设计上有什么独到的见解。恰恰相反,这篇文章的主要目的之一是希望得到大家的回复解答。

在 Go 语言中,遇到同样的场景时,它的做法是报错“runtime error: slice bounds out of range”。

在 Rust 语言中,遇到同样的场景时,它的做法是报错“byte index 5 is out of bounds of ......”。

在其它支持切片语法的语言中,也许还有跟 Python 一样的设计。但是,我还不知道有没有(学识浅薄)……

最后,继续回到标题中的问题“Python 的切片为什么不会索引越界”。我其实想问的问题有两个:

  • 当切片语法中的索引超出边界时,为什么 Python 还能返回结果,返回结果的计算原理是什么?
  • 为什么 Python 的切片语法要允许索引超出边界呢,为什么不设计成抛出索引错误?

对于第一个问题的回答,官方文档已经写得很明白了。

对于第二个问题,本文暂时没有答案。

也许我很快就能找到答案,但是,也可能需要很久。不管如何,本文先到此为止了。

End

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