Python 的切片為什麼不會索引越界？

豌豆花下貓發表於2021-12-20
Python索引

切片（slice）是 Python 中一種很有特色的特性，在正式開始之前，我們先來複習一下關於切片的知識吧。

切片主要用於序列物件中，按照索引區間擷取出一段索引的內容。

切片的書寫形式：[i : i+n : m] ；其中，i 是切片的起始索引值，為列表首位時可省略；i+n 是切片的結束位置，為列表末位時可省略；m 可以不提供，預設值是 1，不允許為 0，當 m 為負數時，列表翻轉。

切片的基本含義是：從序列的第 i 位索引起，向右取到後 n 位元素為止，按 m 間隔過濾 。

下面是一些很有代表性的例子，基本涵蓋了切片語法的使用要點：

# @Python貓
li = [1, 4, 5, 6, 7, 9, 11, 14, 16]

# 以下寫法都可以表示整個列表，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] # 從1起，取5-1位元素
li[1:5:2] == [4,6] # 從1起，取5-1位元素，按2間隔過濾
li[-1:] == [16] # 取倒數第一個元素
li[-4:-2] == [9, 11] # 從倒數第四起，取-2-(-4)=2位元素
li[:-2] == li[-len(li):-2] == [1,4,5,6,7,9,11] # 從頭開始，取-2-(-len(li))=7位元素

# 步長為負數時，列表先翻轉，再擷取
li[::-1] == [16,14,11,9,7,6,5,4,1] # 翻轉整個列表
li[::-2] == [16,11,7,5,1] # 翻轉整個列表，再按2間隔過濾
li[:-5:-1] == [16,14,11,9] # 翻轉整個列表，取-5-(-len(li))=4位元素
li[:-5:-3] == [16,9] # 翻轉整個列表，取-5-(-len(li))=4位元素，再按3間隔過濾

# 切片的步長不可以為0
li[::0]  # 報錯（ValueError: slice step cannot be zero）

像 C/C++、Java 和 JavaScript 等語言，雖然也支援某些“切片”功能，例如擷取陣列或字串的片段，但是，它們並沒有一種在語法層面上的通用性支援。

根據維基百科資料，Fortran 是最早支援切片語法的語言（1966），而 Python 則是最具代表性的語言之一。

主要程式語言對切片的支援

另外，像 Perl、Ruby、Go 和 Rust 等語言，雖然也有切片，但都不及 Python 那樣靈活和自由（因為它支援 step、負數索引、預設索引）。

程式語言中切片語法的形式

切片的基本用法就能夠滿足大部分的需求，但是，Python 切片還有一些進階的用法，例如：切片佔位符用法（可實現列表的賦值、刪除與拼接操作）、自定義物件實現切片功能、迭代器切片（itertools.islice()）、檔案物件切片等等。關聯閱讀：Python進階：全面解讀高階特性之切片！

關於切片的介紹與溫習，就到這裡了。

下面進入文章標題的問題：Python 的切片語法為什麼不會出現索引越界呢？

當我們根據單個索引進行取值時，如果索引越界，就會得到報錯：“IndexError: list index out of range”。

>>> li = [1, 2]
>>> li[5]
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
IndexError: list index out of range

對於一個非空的序列物件，假設其長度為 length，則它有效的索引值是從 0 到（length - 1）。如果把負數索引也考慮進去，則單個索引值的有效區間是 [-length, length - 1] 閉區間。

但是，當 Python 切片中的索引超出這個範圍時，程式並不會報錯。

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

其實，對於這種現象，官方文件中有所介紹：

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.

也就是說：

  • 當左或右索引值大於序列的長度值時，就用長度值作為該索引值；
  • 當左索引值預設或者為 None 時，就用 0 作為左索引值；
  • 當右索引值預設或者為 None 時，就用序列長度值作為右索引值；
  • 當左索引值大於等於右索引值時，切片結果為空物件。

對照上面的例子，可以得到：

>>> li = [1, 2]
>>> li[1:5]  # 等價於 li[1:2]
[2]
>>> li[5:6]  # 等價於 li[2:2]
[]

歸結起來一句話：Python 直譯器把可能導致索引越界的操作給遮蔽了，你的寫法可以很自由，但是最終的結果會被死死限制在合法的索引區間內。

對於這個現象，我其實是有點疑惑的，為什麼 Python 不直接報索引越界呢，為什麼要修正切片的邊界值，為什麼一定要返回一個值呢，即便這個值可能是個空序列？

當我們使用“li[5:6]”時，至少在字面意義上想表達的是“取出索引從 5 到 6 所對應的值”，就像是在說“取出書架上從左往右數的第 6 和 7 本書”。

如果程式是如實地遵照我們的指令的話，它就應該報錯，就應該說：對不起，書架上的書不夠數。

實話說，我並沒有查到這方面的解釋，這篇文章也不是要給大家科普 Python 在設計上有什麼獨到的見解。恰恰相反，這篇文章的主要目的之一是希望得到大家的回覆解答。

在 Go 語言中，遇到同樣的場景時，它的做法是報錯“runtime error: slice bounds out of range”。

在 Rust 語言中，遇到同樣的場景時，它的做法是報錯“byte index 5 is out of bounds of ......”。

在其它支援切片語法的語言中，也許還有跟 Python 一樣的設計。但是，我還不知道有沒有（學識淺薄）……

最後，繼續回到標題中的問題“Python 的切片為什麼不會索引越界”。我其實想問的問題有兩個：

  • 當切片語法中的索引超出邊界時，為什麼 Python 還能返回結果，返回結果的計算原理是什麼？
  • 為什麼 Python 的切片語法要允許索引超出邊界呢，為什麼不設計成丟擲索引錯誤？

對於第一個問題的回答，官方文件已經寫得很明白了。

對於第二個問題，本文暫時沒有答案。

也許我很快就能找到答案，但是，也可能需要很久。不管如何，本文先到此為止了。

如果你喜歡研究 Python 設計上的小細節，感興趣探求“為什麼”問題的解答，歡迎關注“Python為什麼”系列文章。

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本文屬於“Python為什麼”系列（Python貓出品），該系列主要關注 Python 的語法、設計和發展等話題，以一個個“為什麼”式的問題為切入點，試著展現 Python 的迷人魅力。所有文章將會歸檔在 Github 上，專案地址：https://github.com/chinesehuazhou/python-whydo

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