【Python】Pandas基础操作手册（上）

哈喽，哈喽，大家好~ 我是你们的老朋友：保护小周ღ

今天给大家带来的是【Python】Pandas基础操作手册（上）本次主要讲解, python pandas 模块的一些基本概念, 以及了解 Dataframe 对象的创建, 赋值, 保存. 一起来看看叭~

本期收录于博主的专栏：Python_保护小周ღ的博客-CSDN博客

适用于编程初学者，感兴趣的朋友们可以订阅，查看其它 “Python 基础知识”。

更多精彩敬请期待：保护小周ღ *★,°*:.☆(￣▽￣)/$:*.°★* ‘

一、Pandas 是啥？

Pandas 是一个开源的 Python 数据分析库，主要用于数据操作和数据分析。它提供了高效、灵活的数据结构和函数，使得数据处理变得更加便捷。Pandas 主要包含两个核心数据结构：

Series：一维数组，类似于 Python 的列表或 NumPy 的一维数组，可以存储任意类型的数据，还支持索引。 形如:

DataFrame：二维表格，类似于电子表格或数据库表，可以看作是多个 Series 的集合。DataFrame 支持列名和行索引，方便数据的存储和访问。形如:

Pandas 的主要功能

数据清洗：处理缺失值、重复数据、格式转换等。
数据选择和过滤：根据条件选择特定的数据。
数据聚合和分组：对数据进行分组并进行求和、平均等计算。
数据合并：将多个 DataFrame 进行合并或连接。
时间序列分析：处理时间序列数据，提供丰富的时间日期功能。

应用领域

Pandas 广泛应用于数据科学、金融、统计分析、机器学习等领域，是数据分析和数据科学工作流中不可或缺的工具之一。

二、Pandas 相关操作

2.1 使用环境

集成开发环境： PyChorm

如何引入Pandas：

你可以在命令行中使用以下命令临时指定阿里云源下载安装：

pip install pandas -i https://mirrors.aliyun.com/pypi/simple/

导入模块：

import pandas as pd

在 Python 中，导入模块时常用的一些关键字和语法包括：

1. import ： 用于导入整个模块。

2. from ... import . . . ：用于从模块中导入特定的属性或函数。

3. as ： 用于给模块或导入的函数/类指定一个别名。

接下里我们就可以愉快的学习 Pandas 啦~

2.1 声明一个DataFrame对象并赋值

: pd.DataFrame 则是声明 dataframe 对象的类型, 以便可以调用方法(pyhton 是解释型语言, 如果不提前声明, 则需要解释到该行代码才能知道他的类型).

if __name__ == "__main__":
    # 声明一个 dataframe 对象
    dataframe: pd.DataFrame = pd.DataFrame()

2.1.1 DataFrame 直接赋值

当前标题的主要目的, 为了让大家了解其定义, 以及背后的数据结构, 没有太大的意义, 接下来是有意义的操作.

# 创建一个包含数据的字典(也就是 map 结构的数据)
    data = {
        '姓名': ['张三', '李四', '王五'],
        '年龄': [25, 30, 22],
        '邮箱': ['zhangsan@example.com', 'lisi@example.com', 'wangwu@example.com']
    }

    # 声明一个 DataFrame 对象并赋值
    df = pd.DataFrame(data)

你可以这样写:

# 声明一个 DataFrame 对象并赋值
    df = pd.DataFrame({
            '姓名': ['张三', '李四', '王五'],
            '年龄': [25, 30, 22],
            '邮箱': ['zhangsan@example.com', 'lisi@example.com', 'wangwu@example.com']
        })

2.1.2 定义一个 Series(列)

# 声明一个 DataFrame 对象并赋值
    df = pd.DataFrame({
            '姓名': ['张三', '李四', '王五'],
            '年龄': [25, 30, 22],
            '邮箱': ['zhangsan@example.com', 'lisi@example.com', 'wangwu@example.com']
        })
    print(df)

# 创建一个新的 Series (其参数是 list,  [] 列表)
    jobs_eries = pd.Series(['工程师', '医生', '教师'], name='职业')

    # 将 Series 添加到 DataFrame, 就这样水灵灵的添加了一列
    df['职业'] = jobs_eries

    # 打印
    print(df)

点击打开之后则是如下展示内容:

正常情况下 dataframe 对象的数据来源于外部文件什么的, 常用的话, 操作有从 excel 表. csv文件, JSON, sql, API, 中获取数据, 也有的从其他 dataframe 数据合并... 加入进来的.

2.1.3 DataFrame 从 Excel 中获取数据

# 读取
import openpyxl
# 保存
from openpyxl.utils.dataframe import dataframe_to_rows

通过 pandas 提供的 read_excel 方法可以从 excel 中读取数据,  第一个参数为 excel表的路径

    # 通过 pandas 提供的 read_excel 方法可以从 excel 中读取数据,
    # 第一个参数为 excel 的路径
    #  sheet_name 参数则是指定读取那个 excel表中 sheet 对象
    # 如果没有指定, sheet_name 参数默认读取, Sheet1 对象的值
    df = pd.read_excel('data.xlsx', sheet_name='Sheet1')

以下的是一些其他的常用参数, 用的最多的还是 sheet_naem 和 header

常用参数

sheet_name: 要读取的工作表名称或索引，默认为第一个工作表。
header: 指定行号作为列名，默认为 0。
index_col: 指定用作行索引的列。
usecols: 指定要读取的列，可以是列名或列索引。
dtype: 指定列的数据类型。

注意事项

需要安装 openpyxl 或 xlrd 库来支持 Excel 文件的读取。
Excel 文件中的空行可能会导致数据读取不一致(后面讲)。

2.1.4 DataFrame 从 CSV文件中获取数据

CSV（Comma-Separated Values，逗号分隔值）文件是一种广泛使用的纯文本文件格式，用于存储表格数据。CSV 文件通常用于数据导入和导出，特别是在不同软件和数据库之间传输数据时。以下是关于 CSV 文件的详细介绍及其格式特点。

1. CSV 文件的基本概念

定义：CSV 文件是一种将数据以文本形式存储的格式，使用特定的分隔符（通常是逗号）将数据项分隔开来。
用途：CSV 文件通常用于数据交换、数据分析和数据存储，支持多种应用程序，如电子表格软件（Excel）、数据库管理系统（如 MySQL、PostgreSQL）和编程语言（如 Python、R）。

2. CSV 文件的格式

CSV 文件具有以下基本格式特征：

行与列：数据被组织成行和列。每一行代表一条记录，而每一列代表记录中的一个字段（或属性）。
分隔符：默认情况下，字段使用逗号（,）分隔，但也可以使用其他分隔符，如制表符（\t）、分号（;）等。
第一行：通常，CSV 文件的第一行包含列名（即字段名），用于描述每列数据的内容。
文本引用：当字段包含分隔符、换行符或引号时，字段值通常用双引号（"）括起来。例如："John, Doe"。
缺失值：缺失的数据项可以用空字符串表示，通常会留出一个位置，表示该列没有数据。

3. 示例

以下是一个简单的 CSV 文件示例：
Name,Age,Occupation
John Doe,29,Software Engineer
Jane Smith,34,Data Scientist
"Bob, Jr.",25,"Intern, Marketing"
在这个示例中：

第一行包含列名 Name、Age 和 Occupation。
随后的每一行代表一个人的记录。
注意 "Bob, Jr." 和 "Intern, Marketing" 中的逗号被双引号括起来，以避免被误解析为分隔符。

4. CSV 文件的优缺点

优点

简单易用：CSV 格式直观、易于理解，适合大多数用户。
广泛支持：几乎所有数据处理工具和编程语言都支持 CSV 文件的读写。
可读性：作为纯文本文件，CSV 文件可以使用任何文本编辑器打开和编辑

缺点

缺乏约束：CSV 文件不支持数据完整性约束（如主键、外键约束等），这可能导致数据重复或不一致。例如，如果同一条记录被多次导入，可能无法自动检测并防止这种情况。
格式不统一：不同的应用程序可能对 CSV 的解析和格式化有不同的处理方式，导致同一文件在不同系统上可能出现读取错误或数据损坏。
无法保留数据类型：CSV 文件中的所有数据都被视为文本，无法直接存储数据类型信息（如整数、日期、布尔值等）。这可能导致在导入数据时出现错误或需要进行额外的转换。
格式化信息丢失：例如，在电子表格应用程序中，单元格可能具有特定的格式（如货币、百分比等），而 CSV 文件无法保留这些格式化信息。

不支持复杂数据结构

通过 pandas 提供的 read_csv 方法可以从 csv文件中读取数据, 第一个参数为 csv 文件的路径

df = pd.read_csv('data.csv', **kwargs)

**kwargs 是一种用于传递可变数量的关键字参数的语法。它的全称是 "keyword arguments"，使得函数可以接收任意数量的命名参数。

当你调用 pd.read_csv 函数时，可以使用 **kwargs 来传递其他参数，比如：

df = pd.read_csv('data.csv', sep=',', header=0, index_col=None)

这里的 sep=','、header=0 和 index_col=None 都是关键字参数。如果你把这些参数放在 **kwargs 中传递，可以这样写：

params = {
        'sep': ',',
        'header': 0,
        'index_col': None
    }

df = pd.read_csv('data.csv', **params)

常用参数

sep: 指定分隔符，默认为 ','，可以设置为 '\t'（制表符）等。
header: 指定行号作为列名，默认为 0。设置为 None 时不使用任何行作为列名。
index_col: 指定用作行索引的列，可以是列名或列的索引。
dtype: 指定列的数据类型。
na_values: 自定义缺失值的标识。

注意事项

确保文件路径正确。
大文件可能会占用较多内存，可以使用 chunksize 参数按块读取。

使用 CSV 文件呢, 相较于 excel 文件来说, 更加轻量, 如果单纯的执行数据存取, 中转操作, CSV 将是不二之选, 但是, 如果程序运行的结果要给领导康康的话, 还是保存为 excel 文件方便查阅~

2.1.5 DataFrame 从 JSON 中获取数据

在 python 中, 字典类型的数据和 JSON 数据是可以互相转换的

1. 字典转换为 JSON

要将 Python 字典转换为 JSON 字符串，可以使用 json.dumps() 函数。

import json

# 定义一个 Python 字典
data = {
    "name": "Alice",
    "age": 30,
    "city": "New York",
    "is_student": False,
    "courses": ["Math", "Science"],
}

# 将字典转换为 JSON 字符串
json_string = json.dumps(data)

# 打印 JSON 字符串
print("JSON 字符串:")
print(json_string)

2. JSON 转换为字典

要将 JSON 字符串转换为 Python 字典，可以使用 json.loads() 函数。

import json 

# 1. 字典转换为 JSON
    data = {
        "name": "Alice",
        "age": 30,
        "city": "New York",
        "is_student": False,
        "courses": ["Math", "Science"],
    }

    # 将字典转换为 JSON 字符串
    json_string = json.dumps(data)
    print("JSON 字符串:")
    print(json_string)

    # 2. JSON 转换为字典
    data_dict = json.loads(json_string)
    print("\nPython 字典:")
    print(data_dict)

通过 pandas 提供的 read_json 方法可以从 excel 中读取数据, 第一个参数为 json 文件的路径也可以是 json 对象

df = pd.read_json('data.json', **kwargs)

同时, 也是支持 **kwargs 格式的传参(详情可见上文 csv部分) 即:

params = {
        'orient': 'split',
        'convert_dates': True,
    }

df = pd.read_json('data.json', **params)

常用参数

orient: 指定 JSON 数据的格式，常用值包括 'split', 'records', 'index', 'columns', 'values'。
dtype: 指定列的数据类型。
convert_dates: 指定是否将字符串转换为日期，默认为 True。

注意事项

确保 JSON 数据格式正确，避免解析错误。
大的 JSON 文件可能会占用大量内存。

2.1.6 DataFrame 从数据库中获取数据

前提条件

确保已安装 pandas 和 SQLAlchemy 库，可以使用以下命令安装：
```
pip install pandas sqlalchemy
```
需要有一个可用的 SQL 数据库（例如 SQLite、MySQL、PostgreSQL 等）和相应的连接信息。

下面是一个示例，展示如何从 mysql 数据库读取数据。假设我们有一个名为 employees.db 的数据库，里面有一个名为 employees 的表。

# 创建数据库连接
    
    # 数据库连接配置
    username = 'your_username'
    password = 'your_password'
    host = 'your_host'
    port = 'your_port'  # 通常是 3306
    database = 'your_database'
    
    engine = create_engine(f'mysql+pymysql://{username}:{password}@{host}:{port}/{database}')

    # SQL 查询语句
    sql_query = 'SELECT * FROM employees'

    # 使用 pd.read_sql 从 SQL 数据库读取数据到 DataFrame
    df = pd.read_sql(sql_query, engine)

    # 显示 DataFrame 的前几行
    print(df.head())

常用参数

con: 数据库连接对象。
index_col: 指定用作行索引的列。
params: SQL 查询的参数。
coerce_float: 将字符串转换为浮点数，默认为 True。

注意事项

确保 SQL 查询语句正确，避免 SQL 注入风险。
使用连接池来提高性能。

正常情况下, 我们是不会采用这种方式来操作数据库的, 而是通过请求后端提供的 API 来操作数据库, 也是为了数据库安全考虑, 以及规范~~~

2.1.7 DataFrame 从 API 中获取数据

这种方式也是, 也是在实际应用中非常常见的操作一切操作还会在后端留痕, 更加安全嘛.

准备工作

在开始之前，请确保你已经安装了请求库。

Requests：一个简单易用的 HTTP 客户端库。

可以使用以下命令安装 requests 库：

pip install requests

其次, 需要提供一个可以访问的 API , 提供数据来源, 可能返回一个 json, 也可能返回一个 excel 呢,这个要看双方的约定是啥样的.

import requests

# API 端点(举例)
url = "https://jsonplaceholder.typicode.com/posts"

# 发起 GET 请求
response = requests.get(url)

# 检查请求是否成功
if response.status_code == 200:
    # 解析 JSON 数据, 有可能是别的啥格式, 具体看约定
    data = response.json()
    print(data)
else:
    print(f"请求失败，状态码: {response.status_code}")

总之这一快, 主要是 request 模块的内容的, 感兴趣的朋友可以去了解一下(博主还没有写这一块的博客).

2.3 将 ''nan'' 转换为 ‘’ (空字符)

在 Pandas 的 DataFrame 中，NaN（Not a Number）值表示缺失或无效的数据。NaN 值的出现通常有以下几种原因：

数据缺失：
数据在收集或录入过程中可能会丢失。例如，用户未填写某个字段，或者在数据抓取过程中部分数据未能成功获取。

计算结果：
某些计算操作可能会产生 NaN 值。例如，尝试对零进行除法、计算无穷大与无穷大的差等情况都会导致 NaN。

合并操作：
在进行 DataFrame 的合并（如 merge 或 join）时，如果某些键在一侧缺失，则结果中的相应值会被填充为 NaN。

数据类型转换：
在尝试将某种类型的数据转换为另一种类型时，如果转换失败，Pandas 可能会将结果设置为 NaN。例如，尝试将字符串转换为数值时，遇到无法转换的字符串。

缺省值：
在创建 DataFrame 时，可以指定缺省值为 NaN，以便于后续的数据处理和分析。例如，可以通过 NumPy 的 np.nan 来初始化 DataFrame 的某些元素。

举个例子:

第一步:

使用 pandas 将学生表的 sheet1 工作簿的数据读取成一个 dataframe 的对象在内存中.

所以像这种情况, 在内存中出现了 NaN值, 在数据计算中, 或者使用都是不方便的, 那么以下是常用的几种方法.

在数据分析过程中，处理 NaN 值是很常见的任务。Pandas 提供了多种方法来处理这些缺失值，例如：

dropna()：删除含有 NaN 的行或列。

fillna(value)：用指定的值填充 NaN。

isna() 或 isnull()：检查哪些位置是 NaN。

在 Pandas 中，isna() 和 isnull() 方法用于检查 DataFrame 或 Series 中哪些位置是 NaN（缺失值）。这两个方法的功能相同，可以互换使用。它们返回一个布尔型的 DataFrame 或 Series，其中 True 表示该位置是 NaN，False 表示该位置不是 NaN。

定位缺失值：可以通过布尔索引直接定位缺失值的位置。

missing_values = dataframe[dataframe.isna().any(axis=1)]
print("\n包含 NaN 的行：")
print(missing_values)

2.4 DataFrame 的保存

Pandas DataFrame 可以保存为多种格式，以便于数据的持久化和共享。以下是一些常用的保存格式及其对应的函数：

2.4.1 CSV 格式

函数：to_csv()
示例：
```
df.to_csv('data.csv', index=False)
```
- index=False 表示不保存行索引。

2.4.2 Excel 格式

函数：to_excel()
示例：
```
df.to_excel('data.xlsx', index=False)
```
- 需要安装 openpyxl 或 xlsxwriter 库来支持 Excel 格式。

def saveDFToExcelSheet(df: pd.DataFrame, target_path, sheet_name):
    """
    将 dataFrame 数据存入指定的 路径下的 excel表 sheet中.
    :param df: 保存的 pandas 对象
    :param target_path: 目标文件的路径
    :param sheet_name: 要保存为的 sheet 的名字
    :return:
    """
    # 检查目标文件是否存在
    try:
        workbook = openpyxl.load_workbook(target_path)
    except FileNotFoundError:
        # 如果文件不存在，则创建一个新的工作簿
        workbook = openpyxl.Workbook()

    # 检查 sheet_name 是否已经存在
    if sheet_name in workbook.sheetnames:
        # 如果已经存在，则将新建的工作表重命名
        new_sheet_name = sheet_name + "_new"
        new_sheet = workbook.create_sheet(new_sheet_name)
    else:
        # 如果不存在，则直接创建新的工作表
        new_sheet = workbook.create_sheet(sheet_name)

    # 将 DataFrame 中的数据写入工作表
    for row in dataframe_to_rows(df, index=False, header=True):
        new_sheet.append(row)

    # 保存工作簿到目标文件
    workbook.save(target_path)
    print("sheet 对象已成功保存至指定 excel 中")