Python之pandas操作

　　中文网：https://www.pypandas.cn/

　　Pandas 是 Python 的核心数据分析支持库，提供了快速、灵活、明确的数据结构，旨在简单、直观地处理关系型、标记型数据。Pandas 的目标是成为 Python 数据分析实践与实战的必备高级工具，其长远目标是成为最强大、最灵活、可以支持任何语言的开源数据分析工具。经过多年不懈的努力，Pandas 离这个目标已经越来越近了。

Pandas 适用于处理以下类型的数据：

• 与 SQL 或 Excel 表类似的，含异构列的表格数据;
• 有序和无序（非固定频率）的时间序列数据;
• 带行列标签的矩阵数据，包括同构或异构型数据;
• 任意其它形式的观测、统计数据集, 数据转入 Pandas 数据结构时不必事先标记。

Pandas 的主要数据结构是 Series（一维数据）与 DataFrame（二维数据），这两种数据结构足以处理金融、统计、社会科学、工程等领域里的大多数典型用例。对于 R 用户，DataFrame 提供了比 R 语言 data.frame 更丰富的功能。Pandas 基于 NumPy 开发，可以与其它第三方科学计算支持库完美集成。

Pandas 就像一把万能瑞士军刀，下面仅列出了它的部分优势 ：

• 处理浮点与非浮点数据里的缺失数据，表示为 NaN；
• 大小可变：插入或删除 DataFrame 等多维对象的列；
• 自动、显式数据对齐：显式地将对象与一组标签对齐，也可以忽略标签，在 Series、DataFrame 计算时自动与数据对齐；
• 强大、灵活的分组（group by）功能：拆分-应用-组合数据集，聚合、转换数据；
• 把 Python 和 NumPy 数据结构里不规则、不同索引的数据轻松地转换为 DataFrame 对象；
• 基于智能标签，对大型数据集进行切片、花式索引、子集分解等操作；
• 直观地合并（merge）、**连接（join）**数据集；
• 灵活地重塑（reshape）、**透视（pivot）**数据集；
• 轴支持结构化标签：一个刻度支持多个标签；
• 成熟的 IO 工具：读取文本文件（CSV 等支持分隔符的文件）、Excel 文件、数据库等来源的数据，利用超快的 HDF5 格式保存 / 加载数据；
• 时间序列：支持日期范围生成、频率转换、移动窗口统计、移动窗口线性回归、日期位移等时间序列功能。

这些功能主要是为了解决其它编程语言、科研环境的痛点。处理数据一般分为几个阶段：数据整理与清洗、数据分析与建模、数据可视化与制表，Pandas 是处理数据的理想工具。

其它说明：

• Pandas 速度很快。Pandas 的很多底层算法都用 Cython 优化过。然而，为了保持通用性，必然要牺牲一些性能，如果专注某一功能，完全可以开发出比 Pandas 更快的专用工具。
• Pandas 是 statsmodels 的依赖项，因此，Pandas 也是 Python 中统计计算生态系统的重要组成部分。
• Pandas 已广泛应用于金融领域。

#数据结构

维数	名称	描述
1	Series	带标签的一维同构数组
2	DataFrame	带标签的，大小可变的，二维异构表格

小示例：

　　1. 列举目录下文件的名称并写入文件中

import pandas as pd
import os

dir_path = './event-data'

names = os.listdir(dir_path)

result = []
for name in names:
    if name.endswith('.csv'):
        result.append(name)

pd_result = pd.DataFrame(result)
pd_result.to_csv('names.csv', encoding='utf-8-sig')  # utf-8-sig编码可以避免名称有中文时乱码

　　2. 将目录下多个文件中的数据进行合并

import pandas as pd
import os

dir_path = './event-data'

names = os.listdir(dir_path)

file_merge = pd.DataFrame()

for name in names:
    print(name)
    if name.endswith('.csv'):
        df = pd.read_csv(os.path.join(dir_path, name))
        file_merge = file_merge.append(df)

file_merge.to_csv('event-data.csv', index=None)

更多其他操作:

• read_sql()
• to_sql()
• read_clipboard()
• from_dict()
• to_dict()
• to_clipboard()
• read_json()
• to_json()
• read_html()
• to_html()
• read_table()
• read_csv()
• to_csv()
• read_excel()
• to_excel()
• read_xml()
• to_xml()
• read_pickle()
• to_pickle()

read_sql()与to_sql()

我们一般读取数据都是从数据库中来读取的，因此可以在read_sql()方法中填入对应的sql语句然后来读取我们想要的数据，

pd.read_sql(sql, con, index_col=None,
            coerce_float=True, params=None,
            parse_dates=None,
            columns=None, chunksize=None)

参数详解如下：

• sql: SQL命令字符串
• con: 连接SQL数据库的Engine，一般用SQLAlchemy或者是PyMysql之类的模块来建立
• index_col：选择某一列作为Index
• coerce_float：将数字形式的字符串直接以float型读入
• parse_dates: 将某一列日期型字符串传唤为datatime型数据，可以直接提供需要转换的列名以默认的日期形式转换，或者也可以提供字典形式的列名和转换日期的格式，

我们用PyMysql这个模块来连接数据库，并且读取数据库当中的数据，首先我们导入所需要的模块，并且建立起与数据库的连接

import pandas as pd
from pymysql import *

conn = connect(host='localhost', port=3306, database='database_name',
               user='', password='', charset='utf8')

我们简单地写一条SQL命令来读取数据库当中的数据，并且用read_sql()方法来读取数据

sql_cmd = "SELECT * FROM table_name"
df = pd.read_sql(sql_cmd, conn)
df.head()

上面提到read_sql()方法当中parse_dates参数可以对日期格式的数据进行处理，那我们来试一下其作用

sql_cmd_2 = "SELECT * FROM test_date"
df_1 = pd.read_sql(sql_cmd_2, conn)
df_1.head()

output

  number  date_columns
0    1      2021-11-11
1    2      2021-10-01
2    3      2021-11-10

我们来看一个各个列的数据类型

df_1.info()

output

<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 3 entries, 0 to 2
Data columns (total 2 columns):
 #   Column        Non-Null Count  Dtype 
---  ------        --------------  ----- 
 0   number        3 non-null      int64 
 1   date_columns  3 non-null      object
dtypes: int64(1), object(1)
memory usage: 176.0+ bytes

正常默认情况下，date_columns这一列也是被当做是String类型的数据，要是我们通过parse_dates参数将日期解析应用与该列

df_2 = pd.read_sql(sql_cmd_2, conn, parse_dates="date_columns")
df_2.info()

output

<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 3 entries, 0 to 2
Data columns (total 2 columns):
 #   Column        Non-Null Count  Dtype         
---  ------        --------------  -----         
 0   number        3 non-null      int64         
 1   date_columns  3 non-null      datetime64[ns]
dtypes: datetime64[ns](1), int64(1)
memory usage: 176.0 bytes

就转换成了相对应的日期格式，当然我们还可以采用上面提到的另外一种格式

parse_dates={"date_column": {"format": "%d/%m/%y"}})

to_sql()方法

我们来看一下to_sql()方法，作用是将DataFrame当中的数据存放到数据库当中，请看下面的示例代码，我们创建一个基于内存的SQLite数据库

from sqlalchemy import create_engine
engine = create_engine('sqlite://', echo=False)

然后我们创建一个用于测试的数据集，并且存放到该数据库当中，

df = pd.DataFrame({'num': [1, 3, 5]})
df.to_sql('nums', con=engine)

查看一下是否存取成功了

engine.execute("SELECT * FROM nums").fetchall()

output

[(0, 1), (1, 3), (2, 5)]

我们可以尝试着往里面添加数据

df2 = pd.DataFrame({'num': [7, 9, 11]})
df2.to_sql('nums', con=engine, if_exists='append')
engine.execute("SELECT * FROM nums").fetchall()

output

[(0, 1), (1, 3), (2, 5), (0, 7), (1, 9), (2, 11)]

注意到上面的if_exists参数上面填的是append，意味着添加新数据进去，当然我们也可以将原有的数据替换掉，将append替换成replace

df2.to_sql('nums', con=engine, if_exists='replace')
engine.execute("SELECT * FROM nums").fetchall()

output

[(0, 7), (1, 9), (2, 11)]

from_dict()方法和to_dict()方法

有时候我们的数据是以字典的形式存储的，有对应的键值对，我们如何根据字典当中的数据来创立DataFrame，假设

a_dict = {
    '学校': '清华大学',
    '地理位置': '北京',
    '排名': 1
}

一种方法是调用json_normalize()方法，代码如下

df = pd.json_normalize(a_dict)

output

     学校 地理位置  排名
0  清华大学   北京   1

当然我们直接调用pd.DataFrame()方法也是可以的

df = pd.DataFrame(json_list, index = [0])

output

     学校 地理位置  排名
0  清华大学   北京   1

当然我们还可以用from_dict()方法，代码如下

df = pd.DataFrame.from_dict(a_dict,orient='index').T

output

     学校 地理位置  排名
0  清华大学   北京   1

这里最值得注意的是orient参数，用来指定字典当中的键是用来做行索引还是列索引，请看下面两个例子

data = {'col_1': [1, 2, 3, 4],
       'col_2': ['A', 'B', 'C', 'D']}

我们将orient参数设置为columns，将当中的键当做是列名

df = pd.DataFrame.from_dict(data, orient='columns')

output

   col_1 col_2
0      1     A
1      2     B
2      3     C
3      4     D

当然我们也可以将其作为是行索引，将orient设置为是index

df = pd.DataFrame.from_dict(data, orient='index')

output

       0  1  2  3
col_1  1  2  3  4
col_2  A  B  C  D

to_dict()方法

语法如下：

df.to_dict(orient='dict')

针对orient参数，一般可以填这几种形式

一种是默认的dict，代码如下

df = pd.DataFrame({'shape': ['square', 'circle', 'triangle'],
                   'degrees': [360, 360, 180],
                   'sides': [4, 5, 3]})
df.to_dict(orient='dict')

output

{'shape': {0: 'square', 1: 'circle', 2: 'triangle'}, 'degrees': {0: 360, 1: 360, 2: 180}, 'sides': {0: 4, 1: 5, 2: 3}}

也可以是list，代码如下

df.to_dict(orient='list')

output

{'shape': ['square', 'circle', 'triangle'], 'degrees': [360, 360, 180], 'sides': [4, 5, 3]}

除此之外，还有split，代码如下

df.to_dict(orient='split')

output

{'index': [0, 1, 2], 'columns': ['shape', 'degrees', 'sides'], 'data': [['square', 360, 4], ['circle', 360, 5], ['triangle', 180, 3]]}

还有records，代码如下

df.to_dict(orient='records')

output

[{'shape': 'square', 'degrees': 360, 'sides': 4}, {'shape': 'circle', 'degrees': 360, 'sides': 5}, {'shape': 'triangle', 'degrees': 180, 'sides': 3}]

最后一种是index，代码如下

df.to_dict(orient='index')

output

{0: {'shape': 'square', 'degrees': 360, 'sides': 4}, 1: {'shape': 'circle', 'degrees': 360, 'sides': 5}, 2: {'shape': 'triangle', 'degrees': 180, 'sides': 3}}

read_json()方法和to_json()方法

我们经常也会在实际工作与学习当中遇到需要去处理JSON格式数据的情况，我们用Pandas模块当中的read_json()方法来进行处理，我们来看一下该方法中常用到的参数

orient：对应JSON字符串的格式主要有

• split: 格式类似于：{index: [index], columns: [columns], data: [values]}

例如我们的JSON字符串长这样

a = '{"index":[1,2,3],"columns":["a","b"],"data":[[1,3],[2,8],[3,9]]}'
df = pd.read_json(a, orient='split')

output

   a  b
1  1  3
2  2  8
3  3  9

• records: 格式类似于：[{column: value}, ... , {column: value}]

例如我们的JSON字符串长这样

a = '[{"name":"Tom","age":"18"},{"name":"Amy","age":"20"},{"name":"John","age":"17"}]'
df_1 = pd.read_json(a, orient='records')

output

   name  age
0   Tom   18
1   Amy   20
2  John   17

• index: 格式类似于：{index: {column: value}}

例如我们的JSON字符串长这样

a = '{"index_1":{"name":"John","age":20},"index_2":{"name":"Tom","age":30},"index_3":{"name":"Jason","age":50}}'
df_1 = pd.read_json(a, orient='index')

output

          name  age
index_1   John   20
index_2    Tom   30
index_3  Jason   50

• columns: 格式类似于：{column: {index: value}}

我们要是将上面的index变成columns，就变成

df_1 = pd.read_json(a, orient='columns')

output

     index_1 index_2 index_3
name    John     Tom   Jason
age       20      30      50

• values: 数组

例如我们的JSON字符串长这样

v='[["a",1],["b",2],["c", 3]]'
df_1 = pd.read_json(v, orient="values")

output

   0  1
0  a  1
1  b  2
2  c  3

to_json()方法

将DataFrame数据对象输出成JSON字符串，可以使用to_json()方法来实现，其中orient参数可以输出不同格式的字符串，用法和上面的大致相同，这里就不做过多的赘述

read_html()方法和to_html()方法

有时候我们需要抓取网页上面的一个表格信息，相比较使用Xpath或者是Beautifulsoup，我们可以使用pandas当中已经封装好的函数read_html来快速地进行获取，例如我们通过它来抓取菜鸟教程Python网站上面的一部分内容

url = "https://www.runoob.com/python/python-exceptions.html"
dfs = pd.read_html(url, header=None, encoding='utf-8')

返回的是一个list的DataFrame对象

df = dfs[0]
df.head()

output

                异常名称               描述
0                NaN              NaN
1      BaseException          所有异常的基类
2         SystemExit          解释器请求退出
3  KeyboardInterrupt  用户中断执行(通常是输入^C)
4          Exception          常规错误的基类

当然read_html()方法也支持读取HTML形式的表格，我们先来生成一个类似这样的表格，通过to_html()方法

df = pd.DataFrame(np.random.randn(3, 3))
df.to_html("test_1.html")

当然这个HTML形式的表格长这个样子

然后我们再通过read_html方法读取该文件，

dfs = pd.read_html("test_1.html")
dfs[0]

read_csv()方法和to_csv()方法

read_csv()方法

read_csv()方法是最常被用到的pandas读取数据的方法之一，其中我们经常用到的参数有

• filepath_or_buffer: 数据输入的路径，可以是文件的路径的形式，例如

pd.read_csv('data.csv')

output

   num1  num2  num3  num4
0     1     2     3     4
1     6    12     7     9
2    11    13    15    18
3    12    10    16    18

也可以是URL，如果访问该URL会返回一个文件的话

pd.read_csv("http://...../..../data.csv")

• sep: 读取csv文件时指定的分隔符，默认为逗号，需要注意的是：“csv文件的分隔符”要和“我们读取csv文件时指定的分隔符”保持一致

假设我们的数据集，csv文件当中的分隔符从逗号改成了"\t"，需要将sep参数也做相应的设定

pd.read_csv('data.csv', sep='\t')

• index_col: 我们在读取文件之后，可以指定某一列作为DataFrame的索引

pd.read_csv('data.csv', index_col="num1")

output

      num2  num3  num4
num1                  
1        2     3     4
6       12     7     9
11      13    15    18
12      10    16    18

除了指定单个列，我们还可以指定多个列，例如

df = pd.read_csv("data.csv", index_col=["num1", "num2"])

output

           num3  num4
num1 num2            
1    2        3     4
6    12       7     9
11   13      15    18
12   10      16    18

• usecols：如果数据集当中的列很多，而我们并不想要全部的列、而是只要指定的列就可以，就可以使用这个参数

pd.read_csv('data.csv', usecols=["列名1", "列名2", ....])

output

   num1  num2
0     1     2
1     6    12
2    11    13
3    12    10

除了指定列名之外，也可以通过索引来选择想要的列，示例代码如下

df = pd.read_csv("data.csv", usecols = [0, 1, 2])

output

   num1  num2  num3
0     1     2     3
1     6    12     7
2    11    13    15
3    12    10    16

另外usecols参数还有一个比较好玩的地方在于它能够接收一个函数，将列名作为参数传递到该函数中调用，要是满足条件的，就选中该列，反之则不选择该列

# 选择列名的长度大于 4 的列
pd.read_csv('girl.csv', usecols=lambda x: len(x) > 4)

• prefix: 当导入的数据没有header的时候，可以用来给列名添加前缀

df = pd.read_csv("data.csv", header = None)

output

      0     1     2     3
0  num1  num2  num3  num4
1     1     2     3     4
2     6    12     7     9
3    11    13    15    18
4    12    10    16    18

如果我们将header设为None，pandas则会自动生成表头0, 1, 2, 3..., 然后我们设置prefix参数为表头添加前缀

df = pd.read_csv("data.csv", prefix="test_", header = None)

output

  test_0 test_1 test_2 test_3
0   num1   num2   num3   num4
1      1      2      3      4
2      6     12      7      9
3     11     13     15     18
4     12     10     16     18

• skiprows: 过滤掉哪些行，参数当中填行的索引

代码如下：

df = pd.read_csv("data.csv", skiprows=[0, 1])

output

    6  12   7   9
0  11  13  15  18
1  12  10  16  18

上面的代码过滤掉了前两行的数据，直接将第三行与第四行的数据输出，当然我们也可以看到第二行的数据被当成是了表头

• nrows: 该参数设置一次性读入的文件行数，对于读取大文件时非常有用，比如 16G 内存的PC无法容纳几百G的大文件

代码如下：

df = pd.read_csv("data.csv", nrows=2)

output

   num1  num2  num3  num4
0     1     2     3     4
1     6    12     7     9

to_csv()方法

该方法主要是用于将DataFrame写入csv文件当中，示例代码如下

df.to_csv("文件名.csv", index = False)

我们还能够输出到zip文件的格式，代码如下

df = pd.read_csv("data.csv")
compression_opts = dict(method='zip',
                        archive_name='output.csv')
df.to_csv('output.zip', index=False,
          compression=compression_opts)

read_excel()方法和to_excel()方法

read_excel()方法

要是我们的数据是存放在excel当中就可以使用read_excel()方法，该方法中的参数和上面提到的read_csv()方法相差不多，这里就不做过多的赘述，我们直接来看代码

df = pd.read_excel("test.xlsx")

• dtype: 该参数能够对指定某一列的数据类型加以设定

df = pd.read_excel("test.xlsx", dtype={'Name': str, 'Value': float})

output

    Name  Value
0  name1    1.0
1  name2    2.0
2  name3    3.0
3  name4    4.0

• sheet_name: 对于读取excel当中的哪一个sheet当中的数据加以设定

df = pd.read_excel("test.xlsx", sheet_name="Sheet3")

output

    Name  Value
0  name1     10
1  name2     10
2  name3     20
3  name4     30

当然我们要是想一次性读取多个Sheet当中的数据也是可以的，最后返回的数据是以dict形式返回的

df = pd.read_excel("test.xlsx", sheet_name=["Sheet1", "Sheet3"])

output

{'Sheet1':     Name  Value
0  name1      1
1  name2      2
2  name3      3
3  name4      4, 'Sheet3':     Name  Value
0  name1     10
1  name2     10
2  name3     20
3  name4     30}

例如我们只想要Sheet1的数据，可以这么来做

df1.get("Sheet1")

output

    Name  Value
0  name1      1
1  name2      2
2  name3      3
3  name4      4

to_excel()方法

将DataFrame对象写入Excel表格，除此之外还有ExcelWriter()方法也有着异曲同工的作用，代码如下

df1 = pd.DataFrame([['A', 'B'], ['C', 'D']],
                   index=['Row 1', 'Row 2'],
                   columns=['Col 1', 'Col 2'])
df1.to_excel("output.xlsx")

当然我们还可以指定Sheet的名称

df1.to_excel("output.xlsx", sheet_name='Sheet_Name_1_1_1')

有时候我们需要将多个DataFrame数据集输出到一个Excel当中的不同的Sheet当中

df2 = df1.copy()
with pd.ExcelWriter('output.xlsx') as writer:
    df1.to_excel(writer, sheet_name='Sheet_name_1_1_1')
    df2.to_excel(writer, sheet_name='Sheet_name_2_2_2')

我们还可以在现有的Sheet的基础之上，再添加一个Sheet

df3 = df1.copy()
with pd.ExcelWriter('output.xlsx', mode="a", engine="openpyxl") as writer:
    df3.to_excel(writer, sheet_name='Sheet_name_3_3_3')

我们可以生成至Excel文件并且进行压缩包处理

with zipfile.ZipFile("output_excel.zip", "w") as zf:
    with zf.open("output_excel.xlsx", "w") as buffer:
        with pd.ExcelWriter(buffer) as writer:
            df1.to_excel(writer)

对于日期格式或者是日期时间格式的数据，也能够进行相应的处理

from datetime import date, datetime
df = pd.DataFrame(
    [
        [date(2019, 1, 10), date(2021, 11, 24)],
        [datetime(2019, 1, 10, 23, 33, 4), datetime(2021, 10, 20, 13, 5, 13)],
    ],
    index=["Date", "Datetime"],
    columns=["X", "Y"],
)
with pd.ExcelWriter(
    "output_excel_date.xlsx",
    date_format="YYYY-MM-DD",
    datetime_format="YYYY-MM-DD HH:MM:SS"
) as writer:
    df.to_excel(writer)

多行数据处理实例:

def write_excel():
    table = pd.DataFrame(columns=['name', 'age', 'sex'])  # 执行字段
    # 追加数据
    table.loc[0] = ['ixng', 23, 'nan']  # 指定索引数据
    table.loc[1] = ['ixa', 30, 'nv']
    print(table)
    table.to_excel('test.xlsx', index=False)

read_table()方法

对于txt文件，既可以用read_csv()方法来读取，也可以用read_table()方法来读取，其中的参数和read_csv()当中的参数大致相同，这里也就不做过多的赘述

df = pd.read_table("test.txt", names = ["col1", "col2"], sep=' ')

output

   col1  col2
0     1     2
1     3     4
2     5     6
3     7     8
4     9    10
5    11    12

我们要读取的txt文件当中的数据是以空格隔开的，因此再sep参数上面需要设置成空格

read_pickle()方法和to_pickle()方法

Python当中的Pickle模块实现了对一个Python对象结构的二进制序列和反序列化，序列化过程是将文本信息转变为二进制数据流，同时保存数据类型。例如数据处理过程中，突然有事儿要离开，可以直接将数据序列化到本地，这时候处理中的数据是什么类型，保存到本地也是同样的类型，反序列化之后同样也是该数据类型，而不是从头开始处理

to_pickle()方法

我们先将DataFrame数据集生成pickle文件，对数据进行永久储存，代码如下

df1.to_pickle("test.pkl")

read_pickle()方法

代码如下

df2 = pd.read_pickle("test.pkl")

read_xml()方法和to_xml()方法

XML指的是可扩展标记语言，和JSON类似也是用来存储和传输数据的，还可以用作配置文件

XML和HTML之间的差异

XML和HTML为不同的目的而设计的

• XML被设计用来传输和存储数据，其重点是数据的内容
• HTML被设计用来显示数据，其焦点是数据的外观
• XML不会替代HTML，是对HTML的补充

对XML最好的理解是独立于软件和硬件的信息传输工具，我们先通过to_xml()方法生成XML数据

df = pd.DataFrame({'shape': ['square', 'circle', 'triangle'],
                   'degrees': [360, 360, 180],
                   'sides': [4, np.nan, 3]})
df.to_xml("test.xml")

我们用pandas中的read_xml()方法来读取数据

df = pd.read_xml("test.xml")

output

      shape  degrees  sides
0    square      360    4.0
1    circle      360    NaN
2  triangle      180    3.0

read_clipboard()方法

有时候数据获取不太方便，我们可以通过复制的方式，通过Pandas当中的read_clipboard()方法来读取复制成功的数据，例如我们选中一部分数据，然后复制，运行下面的代码

df_1 = pd.read_clipboard()

output

   num1  num2  num3  num4
0     1     2     3     4
1     6    12     7     9
2    11    13    15    18
3    12    10    16    18

to_clipboard()方法

有复制就会有粘贴，我们可以将DataFrame数据集输出至剪贴板中，粘贴到例如Excel表格中

df.to_clipboard()