8. Python3 pandas数据分析处理库

11.1 pandas的数据结构

pandas的数据结构如下图所示：

pandas的几种数据结构有内在联系，可以吧DataFrame看作Series的容器，把Panel看作DataFrame的容器。可以像操作字典那样在这些数据结构中插入或者移除数据对象。在介绍这些数据结构之前，记住一个原则：数据呈直线排列，并且数据和数据标签在默认情况下是相互对齐的。

11.1.1 序列

序列（Series）是可以容纳整数、浮点数、字符串等数据类型的一维带标签的数组（标签也被称为索引）。有多种方式可以生成序列，比如使用Numpy数组生成一个序列，如下图所示：

打印出来的s序列，左侧代表的是该序列的索引或者标签，右侧是该序列的值。这里使用的是默认的索引。在默认情况下，序列的索引值是[0,1，...，len(data)-1].可以使用序列的index和values属性得到序列的索引值和数据，如下图所示：

也可以在创建序列的同时声明序列的索引（另外，pandas也支持重复索引），如下图所示：

使用字典也可以生成序列。如果没有定义数据的索引值，则字典的关键字将成为序列的索引值，如下图所示：

也可以定义数据的索引值，如下图所示：

如果数据是纯量，则生成的数据的长度与索引的长度一致，如下图所示。

可以使用索引值从序列中选取数据，如下图所示：

序列和数组非常接近，很多数组的函数对序列也适用，并且对序列可以进行分片操作，如下图所示：

可以把序列想象成一个固定大小的字典，可以使用索引获取或者改变序列的值，如下图所示。

对序列的值执行类似于下图中的操作时，索引和值的对应关系不会改变。

序列和数组的一个重要不同点是：不同序列间进行运算时，相同索引位置会自动对齐，并进行运算，如下图所示。这一特性是pandas区别于大多数数据处理工具的重要特征。

从结果中可以看出，运算在两个序列的交集间进行；如果不是公共的索引值，则在运算结果中会自动标记为NaN。

序列有一个name属性，可以使用该属性定义序列的名字，如下图所示：

11.1.2 数据框

数据框（DataFrame）是二维的带标签的各列数据类型可以不同的数据结构。可以把数据框想象成一张电子表格或者字典序列数据结构。数据框是pandas中使用最频繁的数据结构，和序列一样，有多种方式可以生成一个数据框。在生成数据框的时候，可以定义行标签、列标签，要注意传递的标签和数据的匹配关系，否则可能会引起数据丢失。如果没有定义标签参数，则pandas会采取默认的方式进行定义。

注意：使用分层索引的方式，数据框也可以表示更高纬度的数据。

比较常用的方式是使用Python的字典结构来生成数据框，如下图所示：

这里没有定义行标签，panda会自动生成行标签，排序后的字典的键将成为数据框的列标签，如下图所示：

也可以通过传递columns参数来设置各列的先后顺序，如下图所示：

通过传递index参数可以定义各行的标签，如下图所示：

在定义列标签的时候，如果该列数据不存在，则会显示为NaN，如下图所示：

在字典内也可以嵌套序列数据结构来生成数据框，生成的数据框的索引值是多个序列索引值的交集，如下图所示：

在使用字典结构生成数据框的时候，传递columns参数会重写各列，如下图所示：

字典里并没有A/B/C这三个键，所以重写后生成了一个空的数据框。

可以使用类似于序列的方式进入各列或者使用‘.’符号选择某列，如下图所示：

返回的序列的索引值和在数据框中的索引值是一样的，并且自动使用列标签作为序列的名字。也可以使用行标签对数据框进行索引、分片操作，如下图所示：

注意：loc()函数里的参数是对数据框的行标签，返回一个序列；对行进行分片操作时返回一个数据框；也可以使用bool向量对行进行索引。对数据框操作的语法和对字典操作的语法类似，比如弹出某列，如下图所示：

如果某列数据不存在，则赋值操作会新建一列数据，赋的值会自动扩充到和数据框的行数一致。然后使用数据框的pop（）弹出该列，即删除数据。使用del也可以删除某列数据，如下图所示：

在默认情况下，新建的数据会插入数据框的末尾。使用insert()函数可以设定插入位置，如下图所示：

注意：弹出、删除、插入操作都是对数据框进行原地修改。在选择行或列索引的时候，返回的是对原数据的指代，并不会复制原数据。

另一种比较常见的做法是使用嵌套的字典结构来生成数据框，被嵌套的字典的键被解释出行标签，外面的键被解释成列标签，如下图所示：

T属性可以转置数据框，如下图所示：

panel数据结构相比于序列和数据框的使用频率较低，这里不再进行详细介绍。

11.2 索引对象

pandas的索引对象是数据标签的容器。在创建序列或者数据框时，数组或者其它表示数据标签的有序数列表会自动地转换成索引对象，如下图所示：

索引对象不允许被修改，如下图所示：

可以把索引对象通过赋值的方式赋给其他数据结构，如下图所示：

注意：ss序列的索引对象和s序列的索引对象是相同的，赋值操作并没有建立一个新的索引对象。

11.3 核心的基本函数

当序列或者数据框的数据量非常大时，可以使用head（）函数展示前5行数据，tail（）函数默认展示最后5行数据。

shape（）属性返回数据的形状，values属性返回实际的数据，如下图：

reindex（）函数可以索引并创建一个新的对象

s序列里没有‘aa’和'bb'两个标签，可以使用fill_value参数来设定默认值，如下图：

可以通过设置method参数来定义填充默认值的办法。把method设置为“nearest”,将自动使用相近索引位置的值来填充默认值。把method设置为“nearest”,将自动使用相近索引位置的值来填充默认值，如下图所示：

对于数据框，不仅可以改变行标签，还可以改变列标签，如下图所示：

11.4 索引和旋转

pandas目前使用[]、iloc和loc语法进行索引。首先生成本节主要使用的数据框对象，如下图所示：

最基本的索引方式是使用[]语法。对df使用列标签后得到s序列，然后使用该序列的标签得到一个纯量，如下图所示。也可以吧一组列标签作为参数传递到[]中，对数据框进行索引，如下图所示：

loc语法是严格基于标签的，其接收的标签对象包括：

一个标签，如‘a’或者1（注意这里的1被解释成索引的标签）。
一列标签，如['a','b','c']
标签的一个分片‘a’:‘f’,但要注意分片的开始和结束位置都会包括在内。
单参数的可调用函数对象。

如果使用位置进行索引，则会触发TypeError异常，如下图所示：

假设需要选出所有时间范围内的a,b,c三列的值，loc语法如下图所示：

iloc语法是基于位置的，也可以使用布尔数组进行筛选。如果请求的索引超出数据框的边界，则会触发IndexError异常。其接收的参数包括：

一个整数，如5。
一个整数序列，如[1,2,3]。
一个分片对象，如1:7。
一个布尔数组。

单参数的可调用函数。

比如，要筛选出df这个数据框的前4行和前4列，iloc语法如下图所示：

这三种分片语法在操作数据框等数据对象时经常会用到。

11.5 算术运算与对齐

pandas的重要特点之一是可以对两个索引不相同的对象进行运算。对于二者独有的索引值，在运算结果里标识为NaN;对于公共的索引值，则会给出运算结果，如下图。

pandas会自动识别相同的索引值。对于数据框而言，会自动在行和列方向对齐，如下图所示，可以看到，对于a,b两个数据框进行加法运算的时候，pandas会自动寻找两个数据对象行、列索引的交集，并把对应的元素相加，其余位置的元素则被标记为默认值。

数据框和序列之间也可以进行算术运算，这时会用到数组的扩充转换机制。在默认情况下，序列的索引值和数据框的列索引相匹配，并自动扩充到各行，如下图所示。

11.6 处理默认值

在进行数据分析的时候遇到默认值是一件比较麻烦的事情，由于数据本身不存在或者存在收集不全面，经常会导致默认值的存在。pandas从计算效率和方便的角度出发，默认使用NaN来表示数据的默认值。np.nan和Python内建的None也被认为是默认值，如下图：

可以使用fillna()函数填充默认值，也可以使用pad方法填充默认值：

11.7 多级索引

多级索引是pandas数据结构的一个重要特性，它使得padas可以处理复杂的、高纬度的数据。从本质上讲，它可以在序列（ID）、数据框（2D）这类低纬度的数据结构中存储并处理高纬度的数据。MultiIndex想象成由元组构成的数组。有多种方式可以构建多级索引对象。首先生成一个由元组构成的数组，如下图所示：

然后使用该数组生成一个多级索引对象，如图11-57所示

最后使用这个多级索引对象生成一个具有多级索引的序列，如下图所示：

除上述方式外，还可以使用数组构成的列表或者可迭代对象创建多级索引对象。索引对象可以施加到任意一个轴上，层数可以任意增加，如下图：

可以使用swaplevel（）函数来交换两个层级的索引，如下图：

11.8 读写数据

pandas提供了多种读写数据的接口，读写数据的范围主要包括读取文本数据、从数据库中读取数据、和其他库中的数据交互。pandas可以读取各种格式的文本数据，并把它们转换成数据框。read_csv()和read_table（）是读取文本数据的两个重要参数。在读取数据的时候，这两个函数会自动解析文本里的数据类型，而不需要人为地设定每列的数据类型。首先创建一个CSV(逗号分隔的值)文件。

使用read_csv()函数读取刚才创建的CSV文件，如下图所示：

也可以使用read_table（）函数来读取文件，但是需要定义分隔符这个参数，如下图：

注意：上面这两个函数在默认情况下会把第一行的数据推断为head，如下图所示：

可以定义header属性值为None，不读取第一行数据作为头，pandas默认使用整数作为头，如下图所示：

用户也可以自己定义各列的标签，如下图：

read_csv()和read_table()函数的常用参数如表所示：

JSON数据也是数据处理过程中经常会遇到的数据结构。JSON数据格式在网络编程中会经常遇到。相比于表格数据，JSON格式的数据要稍微复杂一些。JSON数据主要由两种结构组成。

name/value对，在python中被解释为字典。

一组有序的值。值可以是字符串、数字、布尔值、对象、数组或者name/value对。可以使用json模块的loads（）函数读取JSON的数据，如下图。也可以使用padas的read_json函数读取JSON格式的数据，并把它们转换成数据框，如下图所示：

11.9 组合数据

在进行数据分析前经常需要编写程序来清洗组合数据，幸运的是，pandas提供了提供了一系列函数来完成这类繁琐重复的工作。先介绍下concat（）函数，它可以用来连接或者堆叠数据，也可以处理集合的交集或者并集操作。如下图：

这个例子仅简单堆叠数据对象。还可以通过定义join参数的值来操作在某一个轴向上数据的堆叠方式，如下图所示：

在1轴这个方向上堆叠数据，并通过定义‘inner’来取两个数据框在0轴上的交集。因为df1和df3在0轴上公共的索引值只有2,3，所以组合的结果也就只出现索引值为2和3的两行数据、可以通过下图来理解inner这种组合方式。

除了可以用concat（）函数进行组合外，还可以使用append（）函数简洁地在0轴上对数据进行组合，如下图：

pandas还提供了与数据库风格一致的高性能的数据组合方式，其内在的逻辑与关系型数据库（SQL）非常接近。

使用过关系型数据库的读者应该会对其专业术语有所了解。有几个关于表的关系的概念需要重点掌握。

一对一。在对两个表根据索引进行相加操作的时候，索引下的值必须唯一。
多对一。在对两个表进行相加操作时，其中一个表的索引下有一个或者多个相同的值。
多对多。在对两个表进行相加操作时，两个表的索引下有多个相同的值。

表的相加操作其实是对两个表进行笛卡儿乘积运算，然后根据相应的条件进行筛选。比如两个表之间的关系是一对一，对他们进行相加操作，如果如下:

通过设置on这个参数来定义在哪个索引值下对两个表进行相加操作。除可以在一个索引值下对表进行相加操作外，还可以对表在多个索引值下进行相加的操作，如下图：

不论是在一个索引值下还是在多个索引值下，表的相加操作都是先生成两个表的笛卡儿乘积，然后判断索引值是否相等，如果相等，则把该行放入相加的结果中。下图能帮助读者更好地理解表的相加操作的概念。

how这个参数用于定义在相加结果中会出现哪些关键字，如果左边或者右边的某个索引值下的数据不相等，则输出结果会包含空值（NaN）。下表列出了how参数的值和SQL操作的对应关系。

比如在左键外部相加，如下图：

而下图可以帮助读者更好地理解表的这种相加操作。

11.1 数据分组操作

对数据进行分组，并针对各组执行不同的操作，这是数据分析的一个关键流程。分组一般由三部分工作组成。

分割：根据某个原则把数据分割成几部分。

应用：针对每组的数据要执行不同的操作。

组合：把每组得到的结果组合起来。

在和数据库直接交互时，可以使用下面的SQL语句进行分组。

pandas提供了非常简捷的语法来完成类似上面的操作。pandas的数据对象可以在任意轴上进行分割。在进行分组操作的时候，首要要创建一个分组对象，如下图：

grouped是一个分组对象，目前还没有对各个组进行计算，但是他包括了后续操作会用到的所有信息。比如，要计算得到的组的平均值，可以使用该对象的mean（）方法，如图所示：

除使用一个关键字分组外，还可以使用多个关键字，甚至多个关键字数组对数据进行分组，并计算各组的和，如下图：

注意：返回的结果是一个具有多级索引的数据框对象。

分组对象是一个迭代器，可以通过这种方式查看详细的分组情况，如下图：

上面的分组操作针对的都是整个数据对象，也可以选定其中的某一列或者某几列数据进行分组，如下图：

11.11 时间序列

pandas是一个重要的时间序列的分析工具，特别是在金融分析。通过测量某个量与时间的变化关系，可以得到一个时间序列。许多时间序列的频率是固定的，意思就是各个点之间的时间间隔是相同的。当然，也会遇到时间间隔并不相同的时间序列。

11.11.1 时间序列解释

最基本的时间序列是索引值为一些时间点的序列，如下图：

时间序列和普通序列很相似，只是索引值变成了一些时间点而已。时间序列继承了普通序列的所有方法，可以进行索引、选择等操作。

普通的时间序列值的频率一般是不相等的，但有时我们仍然希望时间点的出现是等间隔的。幸运的是，pandas提供了一整套处理这类问题的函数。比如，可以使用resample()函数把不同时间间隔的序列转换成等时间间隔的序列，如下图：

在图11-86中使用了data_range（）函数来创建时间索引值，这个函数的主要参数包括时间的开始（start）和结束（en），以及时间范围（periods）、时间间隔（fred）、时区（tz）。需要注意的是，在设置了时间的开始和结束后，不需要再设置时间范围这个值。freq这个参数可以和整数相乘，如图11-88所示。

‘2D’表示两个时间点的时间间隔是两天。时间间隔在pandas中由两部分组成：基础时间间隔对象和一个乘数。一般很少直接用到基础时间间隔对象，而是使用它们的同名字符指代它们，如Y-年，M-月，D-天，还有WOM，代表某个月的某一周。比如，要使用每个月第二周的星期三作为时间序列的索引对象，如图11-89所示：

在处理时间序列的时候，可能最让人头疼的地方是不同时区之间时间的转换。因此，在处理时区这个问题，大多采用UTC时间（世界标准时间），不同时区的时间被描述成UTC时间再加上一个偏离值。比如，我国的时间用UTC时间来表示就是UTC+8，意思就是我国的时间比UTC时间要晚8小时。pandas提供了一些抽象的函数来处理复杂的时区转换，极大地方便了对时间序列的处理。在使用data_range()函数生成时间索引对象的时候，如果没有定义tz参数，那么该对象的tz属性就为空；反之，如果定义了tz参数，那么生成的时间序列的索引值就具备时区属性，如下图：