Pandas系列（十六）- 你需要学会的骚操作

pandas有一种功能非常强大的方法，它就是accessor，可以将它理解为一种属性接口，通过它可以获得额外的方法。其实这样说还是很笼统，下面我们通过代码和实例来理解一下。

pd.Series._accessors
Out[93]: {'cat', 'dt', 'str'}

对于Series数据结构使用_accessors方法，我们得到了3个对象：cat，str，dt。

• .cat：用于分类数据（Categorical data）

• .str：用于字符数据（String Object data）

• .dt：用于时间数据（datetime-like data）

下面我们依次看一下这三个对象是如何使用的。

一、str对象的使用

•  Series数据类型：str字符串

# 定义一个Series序列
addr = pd.Series([
    'Washington, D.C. 20003',
    'Brooklyn, NY 11211-1755',
    'Omaha, NE 68154',
    'Pittsburgh, PA 15211'
]) 
addr.str.upper()
Out[95]: 
0     WASHINGTON, D.C. 20003
1    BROOKLYN, NY 11211-1755
2            OMAHA, NE 68154
3       PITTSBURGH, PA 15211
dtype: object
addr.str.count(r'd')
Out[96]: 
0    5
1    9
2    5
3    5
dtype: int64

关于以上str对象的2个方法说明：

• Series.str.upper：将Series中所有字符串变为大写；

• Series.str.count：对Series中所有字符串的个数进行计数；

其实不难发现，该用法的使用与Python中字符串的操作很相似。没错，在pandas中你一样可以这样简单的操作，而不同的是你操作的是一整列的字符串数据。仍然基于以上数据集，再看它的另一个操作：

regex = (r'(?P<city>[A-Za-z ]+), '      # 一个或更多字母
         r'(?P<state>[A-Z]{2}) '        # 两个大写字母
         r'(?P<zip>d{5}(?:-d{4})?)')  # 可选的4个延伸数字
addr.str.replace('.', '').str.extract(regex)
Out[98]: 
         city state         zip
0  Washington    DC       20003
1    Brooklyn    NY  11211-1755
2       Omaha    NE       68154
3  Pittsburgh    PA       15211

关于以上str对象的2个方法说明：

• Series.str.replace：将Series中指定字符串替换；

• Series.str.extract：通过正则表达式提取字符串中的数据信息；

这个用法就有点复杂了，因为很明显看到，这是一个链式的用法。通过replace将 " . " 替换为""，即为空，紧接着又使用了3个正则表达式（分别对应city，state，zip）通过extract对数据进行了提取，并由原来的Series数据结构变为了DataFrame数据结构。 

当然，除了以上用法外，常用的属性和方法还有.rstrip，.contains，split等，我们通过下面代码查看一下str属性的完整列表：

[i for i in dir(pd.Series.str) if not i.startswith('_')]
Out[99]: 
['capitalize',
 'cat',
 'center',
 'contains',
 'count',
 'decode',
 'encode',
 'endswith',
 'extract',
 'extractall',
 'find',
 'findall',
 'get',
 'get_dummies',
 'index',
 'isalnum',
 'isalpha',
 'isdecimal',
 'isdigit',
 'islower',
 'isnumeric',
 'isspace',
 'istitle',
 'isupper',
 'join',
 'len',
 'ljust',
 'lower',
 'lstrip',
 'match',
 'normalize',
 'pad',
 'partition',
 'repeat',
 'replace',
 'rfind',
 'rindex',
 'rjust',
 'rpartition',
 'rsplit',
 'rstrip',
 'slice',
 'slice_replace',
 'split',
 'startswith',
 'strip',
 'swapcase',
 'title',
 'translate',
 'upper',
 'wrap',
 'zfill']

属性有很多，对于具体的用法，如果感兴趣可以自己进行摸索练习。

二、dt对象的使用

• Series数据类型：datetime

因为数据需要datetime类型，所以下面使用pandas的date_range()生成了一组日期datetime演示如何进行dt对象操作。

daterng = pd.Series(pd.date_range('2017', periods=9, freq='Q'))
daterng
Out[101]: 
0   2017-03-31
1   2017-06-30
2   2017-09-30
3   2017-12-31
4   2018-03-31
5   2018-06-30
6   2018-09-30
7   2018-12-31
8   2019-03-31
dtype: datetime64[ns]
daterng.dt.day_name()
Out[102]: 
0      Friday
1      Friday
2    Saturday
3      Sunday
4    Saturday
5    Saturday
6      Sunday
7      Monday
8      Sunday
dtype: object
# 查看下半年
daterng[daterng.dt.quarter > 2]
Out[104]: 
2   2017-09-30
3   2017-12-31
6   2018-09-30
7   2018-12-31
dtype: datetime64[ns]
daterng[daterng.dt.is_year_end]
Out[105]: 
3   2017-12-31
7   2018-12-31
dtype: datetime64[ns]

以上关于dt的3种方法说明：

• Series.dt.day_name()：从日期判断出所处星期数；

• Series.dt.quarter：从日期判断所处季节；

• Series.dt.is_year_end：从日期判断是否处在年底；

其它方法也都是基于datetime的一些变换，并通过变换来查看具体微观或者宏观日期。

[i for i in dir(pd.Series.dt) if not i.startswith('_')]
Out[106]: 
['ceil',
 'components',
 'date',
 'day',
 'day_name',
 'dayofweek',
 'dayofyear',
 'days',
 'days_in_month',
 'daysinmonth',
 'floor',
 'freq',
 'hour',
 'is_leap_year',
 'is_month_end',
 'is_month_start',
 'is_quarter_end',
 'is_quarter_start',
 'is_year_end',
 'is_year_start',
 'microsecond',
 'microseconds',
 'minute',
 'month',
 'month_name',
 'nanosecond',
 'nanoseconds',
 'normalize',
 'quarter',
 'round',
 'second',
 'seconds',
 'strftime',
 'time',
 'to_period',
 'to_pydatetime',
 'to_pytimedelta',
 'total_seconds',
 'tz',
 'tz_convert',
 'tz_localize',
 'week',
 'weekday',
 'weekday_name',
 'weekofyear',
 'year']

三、cat对象的使用

• Series数据类型：Category

在说cat对象的使用前，先说一下Category这个数据类型，它的作用很强大。虽然我们没有经常性的在内存中运行上g的数据，但是我们也总会遇到执行几行代码会等待很久的情况。使用Category数据的一个好处就是：可以很好的节省在时间和空间的消耗。下面我们通过几个实例来学习一下。

　

colors = pd.Series([
    'periwinkle',
    'mint green',
    'burnt orange',
    'periwinkle',
    'burnt orange',
    'rose',
    'rose',
    'mint green',
    'rose',
    'navy'
])
import sys
colors.apply(sys.getsizeof)
Out[109]: 
0    59
1    59
2    61
3    59
4    61
5    53
6    53
7    59
8    53
9    53
dtype: int64

上面我们通过使用sys.getsizeof来显示内存占用的情况，数字代表字节数。

还有另一种计算内容占用的方法：memory_usage()，后面会使用。

现在我们将上面colors的不重复值映射为一组整数，然后再看一下占用的内存。

mapper = {v: k for k, v in enumerate(colors.unique())}
mapper
Out[111]: {'periwinkle': 0, 'mint green': 1, 'burnt orange': 2, 'rose': 3, 'navy': 4}
as_int = colors.map(mapper)
as_int
Out[113]: 
0    0
1    1
2    2
3    0
4    2
5    3
6    3
7    1
8    3
9    4
dtype: int64
as_int.apply(sys.getsizeof)
Out[114]: 
0    24
1    28
2    28
3    24
4    28
5    28
6    28
7    28
8    28
9    28
dtype: int64

• 注：对于以上的整数值映射也可以使用更简单的pd.factorize()方法代替。

我们发现上面所占用的内存是使用object类型时的一半。其实，这种情况就类似于Category data类型内部的原理。

内存占用区别：Categorical所占用的内存与Categorical分类的数量和数据的长度成正比，相反，object所占用的内存则是一个常数乘以数据的长度。 

下面是object内存使用和category内存使用的情况对比。

colors.memory_usage(index=False, deep=True)
Out[115]: 650
colors.astype('category').memory_usage(index=False, deep=True)
Out[116]: 495

上面结果是使用object和Category两种情况下内存的占用情况。我们发现效果并没有我们想象中的那么好。但是注意Category内存是成比例的，如果数据集的数据量很大，但不重复分类（unique）值很少的情况下，那么Category的内存占用可以节省达到10倍以上，比如下面数据量增大的情况：

manycolors = colors.repeat(10)
len(manycolors) / manycolors.nunique() 
Out[118]: 20.0
manycolors.memory_usage(index=False, deep=True)
Out[119]: 6500
manycolors.astype('category').memory_usage(index=False, deep=True)
Out[120]: 585

可以看到，在数据量增加10倍以后，使用Category所占内容节省了10倍以上。

除了占用内存节省外，另一个额外的好处是计算效率有了很大的提升。因为对于Category类型的Series，str字符的操作发生在.cat.categories的非重复值上，而并非原Series上的所有元素上。也就是说对于每个非重复值都只做一次操作，然后再向与非重复值同类的值映射过去。

对于Category的数据类型，可以使用accessor的cat对象，以及相应的属性和方法来操作Category数据。

ccolors = colors.astype('category')
ccolors.cat.categories
Out[122]: Index(['burnt orange', 'mint green', 'navy', 'periwinkle', 'rose'], dtype='object')
ccolors.unique()
Out[123]: 
[periwinkle, mint green, burnt orange, rose, navy]
Categories (5, object): [periwinkle, mint green, burnt orange, rose, navy]

实际上，对于开始的整数类型映射，我们可以先通过reorder_categories进行重新排序，然后再使用cat.codes来实现对整数的映射，来达到同样的效果。

ccolors.cat.reorder_categories(mapper).cat.codes
Out[124]: 
0    0
1    1
2    2
3    0
4    2
5    3
6    3
7    1
8    3
9    4
dtype: int8

dtype类型是Numpy的int8（-127~128）。可以看出以上只需要一个单字节就可以在内存中包含所有的值。我们开始的做法默认使用了int64类型，然而通过pandas的使用可以很智能的将Category数据类型变为最小的类型。

让我们来看一下cat还有什么其它的属性和方法可以使用。下面cat的这些属性基本都是关于查看和操作Category数据类型的。

　

[i for i in dir(ccolors.cat) if not i.startswith('_')]
Out[125]: 
['add_categories',
 'as_ordered',
 'as_unordered',
 'categories',
 'codes',
 'ordered',
 'remove_categories',
 'remove_unused_categories',
 'rename_categories',
 'reorder_categories',
 'set_categories']

但是Category数据的使用不是很灵活。例如，插入一个之前没有的值，首先需要将这个值添加到.categories的容器中，然后再添加值。

ccolors.iloc[5] = 'a new color'
# ...
ValueError: Cannot setitem on a Categorical with a new category, set the categories first
ccolors = ccolors.cat.add_categories(['a new color'])
ccolors.iloc[5] = 'a new color'  

如果你想设置值或重塑数据，而非进行新的运算操作，那么Category类型不是那么有用。