全網最適合入門的物件導向程式設計教程：54 Python 字串與序列化-字串格式化與 format 方法
摘要：
在 Python 中，字串格式化是將變數插入到字串中的一種方式，Python 提供了多種字串格式化的方法，包括舊式的 % 格式化、新式的 str.format 方法以及 f-string（格式化字串字面量）。
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文件和程式碼獲取：
可訪問如下連結進行對文件下載：
https://github.com/leezisheng/Doc
本文件主要介紹如何使用 Python 進行物件導向程式設計，需要讀者對 Python 語法和微控制器開發具有基本瞭解。相比其他講解 Python 物件導向程式設計的部落格或書籍而言，本文件更加詳細、側重於嵌入式上位機應用，以上位機和下位機的常見串列埠資料收發、資料處理、動態圖繪製等為應用例項，同時使用 Sourcetrail 程式碼軟體對程式碼進行視覺化閱讀便於讀者理解。
相關示例程式碼獲取連結如下：https://github.com/leezisheng/Python-OOP-Demo
正文
字串格式化是將變數值插入到字串中的佔位符位置的過程。這使得能夠建立動態的文字，其中一些部分可能需要根據不同情況進行替換。
在 Python 中字串格式化的方式包括 Print 函式輸出格式化和 Format 函式格式化。
使用 Print 函式格式化符號實現格式化
常用格式化符號包括：
- （1）%c：格式化字元及其 ASCII 碼；
- （2）%s：格式化字串；
- （3）%d：格式化整數；
- （4）%u：格式化無符號整型；
- （5）%o：格式化無符號八進位制數；
- （6）%x：格式化無符號十六進位制數；
- （7）%f：格式化浮點數字，可指定小數點後的精度；
- （8）%e：用科學計數法格式化浮點數；
- （9）%g：%d 和 %e 的簡寫。
示例程式碼如下所示：
print("%c" % 'a')
print("%s" % "string")
print("%s" % 123)
print("%d" % 100.0)
執行結果如下：
同時轉換符格式化 (conversion specifier) 可以引用字典變數。
轉換符的格式為 %(mapping_key)flags，mapping_key 指明引用變數的名稱，flags 指明轉換格式。
示例程式碼如下：
print('%(language)s has %(number)01d quote types.'
% {'language': "Python", "number": 2})
執行結果如下：
使用 format()方法進行格式化
內建的字串類提供了透過使用 PEP 3101 所描述的 format()方法進行復雜變數替換和值格式化的能力。string 模組中的 Formatter 類允許你使用與內建 format()方法相同的實現來建立並定製你自己的字串格式化行為。
str.format()方法和 Formatter 類共享相同的格式字串語法（雖然對於 Formatter 類來說，其子類可以定義它們自己的格式字串語法）。任何字串都可以透過呼叫 format()方法而編寫一個格式化字串。這個方法返回一個新的字串，其中的特殊字元將會替換成傳入該方法的引數以及關鍵字引數。format 方法不限定引數數量，它使用我們前面提到的方法傳參中*args 和**kwargs 語法。
在格式化字串中被替換的特殊符號是開閉花括號：{和}。我們可以成對地插入，最終其會按照順序被 str.format 方法中傳入的位置引數所替換。
示例程式碼如下：
template = "Hello {}, you are currently {}."
print(template.format('Dusty', 'writing'))
執行結果如下：
str.format()方法可以使用位置引數或關鍵字引數來填充佔位符。位置引數是按順序傳遞的，而關鍵字引數使用佔位符名稱來匹配值。
示例程式碼如下，執行結果同上。
template = "Hello {0}, you are currently {1}."
print(template.format('Dusty', 'writing'))
template = "Hello {name}, you are currently {doing}."
print(template.format(name='Dusty', doing='writing'))
我們不是隻能傳遞字串變數給 format 方法，任何基本型別，例如可以被列印出來的整數或浮點數都可以。更有趣的是，複雜物件，包括列表、元組、字典以及任意物件都可以使用；在 format 的字串中我們可以透過索引和物件的屬性（方法不行）訪問變數。例如在下面的例子中，我們輸出一個郵件訊息，我們在郵箱地址中將發件人和收件人組合成元組，並將主題和訊息存放在字典中，就可以這樣來格式化：
emails = ("a@example.com", "b@example.com")
message = {
'subject': "You Have Mail!",'message': "Here's some mail for you!"
}
template = """
From: <{0[0]}>
To: <{0[1]}>
Subject: {message[subject]}
{message[message]}"""
print(template.format(emails, message=message))
我們在傳遞 emails 元組時傳遞了一個基於位置的引數，這兩個郵箱地址可以透過 0[x]獲得，其中 x 可以是 0 或 1，表示元組中第一個或第二個元素。第一個 0 表示傳入 format 的第一個位置引數（在這個例子中是 emails 元組）。
我們在傳遞 message 字典時傳遞了一個基於關鍵字的引數，其中透過字串鍵名訪問字典時，使用 message[subject]和 message[message]，注意這裡和平常訪問字典中值時有所不同，我們不需要加引號。
print(message['subject'])
如果有巢狀的資料結構，我們甚至可以實現多層查詢。這裡建議不要這樣做，因為這樣一來，模板字串很快就會變得難以理解。如果我們有一個字典包含了元組，可以這樣做，程式碼執行結果同上：
emails = ("a@example.com", "b@example.com")
message = {
'emails': emails,
'subject': "You Have Mail!",
'message': "Here's some mail for you!"
}
template = """
From: <{0[emails][0]}>
To: <{0[emails][1]}>
Subject: {0[subject]}
{0[message]}"""
print(template.format(message))
實際上，我們也可以給 format 函式傳遞任意物件作為引數，然後用點號標記訪問物件的屬性。在如下程式碼中，我們使用 format 函式輸出了類的名字、描述和屬性/方法。
class SensorClass(SerialClass):
'''
感測器類，繼承自SerialClass
'''
... ...
if __name__ == "__main__":
template = '''
Class Name : <{0.__name__}>
Class Description : <{0.__doc__}>
Class Method and Class Properties : <{0.__dict__}>
'''
print(template.format(SensorClass))
執行結果如下所示：
通常來說，我們會在想要格式化的物件已經存在的情況下使用這種查詢方式，但不會為了在模板中使用物件而建立一個類。
在模板字串中引入變數確實極具便利性，然而，有時候為了確保輸出結果的準確性，我們需要對這些變數進行適當的調整。例如，在進行準確率計算時，我們可能會得到冗長的小數，但在特定的應用場景中，我們並不希望這些詳盡的小數點後的數值出現在最終的展示中。
此時，str.format()方法就顯得尤為實用。它不僅允許我們靈活地控制輸出的格式，還提供了諸多選項以滿足不同的格式化需求，如指定小數位數、調整文字對齊方式以及設定填充字元等。透過這些功能，我們可以更加精準地控制輸出內容的呈現方式，從而確保資訊的傳達既準確又符合預期的展示效果。
標準格式說明符的一般形式如下：
format_spec ::= [[fill]align][sign]["z"]["#"]["0"][width][grouping_option]["." precision][type]
fill ::= <any character>
align ::= "<" | ">" | "=" | "^"
sign ::= "+" | "-" | " "
width ::= digit+
grouping_option ::= "_" | ","
precision ::= digit+
type ::= "b" | "c" | "d" | "e" | "E" | "f" | "F" | "g" | "G" | "n" | "o" | "s" | "x" | "X" | "%"
這裡，type 引數具體含義如下：
(1) s: string, 字串;
(2) d: decimal integer, 十進位制數;
(3) i: integer, 用法同%d;
(4) u: unsigned integer, 無符號十進位制數;
(5) f: float, 浮點數(預設保留小數點後6位);
(6) F: Float, 浮點數(預設保留小數點後6位);
(7) e: exponent, 將數字表示為科學計數法(小寫e, 預設保留小數點後6位);
(8) E: Exponent, 將數字表示為科學計數法(大寫E, 預設保留小數點後6位);
(9) o: octal, 八進位制數(即0-7);
(10) x: hexdecimal, 十六進位制數(即0-9a-f);
(11) X: Hexdecimal, 十六進進位制數(0-9A-F);
(12) g: general format, 通用格式，詳見如下...;
(13) G: General format, 通用格式，詳見如下...;
(14) %c: character, 將十進位制數轉換為所對應的unicode值;
(15) %r: representation, 呼叫__repr__魔法方法輸出;
(16) %%: 轉義%，輸出百分號。
具體可看下面示例：
price = 49.95
formatted_price = "The price is {:.2f} dollars.".format(price)
print(formatted_price)
執行結果如下：
冒號之後的 0.2f 格式指示符表明，從左向右，對於小於 1 的值，確保小數點左側有個 0；小數點之後保留兩位數字，將輸入值格式化為浮點數。
我們也可以透過佔位值讓每個數字佔據特定數量的字元位置。這對於輸出表格資料很有用，例如：
orders = [('burger', 2, 5),
('fries', 3.5, 1),
('cola', 1.75, 3)]
print("PRODUCT QUANTITY PRICE SUBTOTAL")
for product, price, quantity in orders:
subtotal = price * quantity
print("{0:10s}{1: ^9d} ${2: <8.2f}${3: >7.2f}".format(product, quantity, price, subtotal))
這裡，quantity 變數的格式化運算子{1: ^9d}為例，d 表示這是一個整數值，數字 9 說明這個值需要佔據 9 個字元。
但是對於整數來說，預設是用 0 而不是空格來填充的。所以我們在冒號之後新增一個空格作為佔位符。插入符號說明數字按照居中方式對齊。執行結果如下：
我們也可以使用 < 或 > 選擇不同的對齊方式（左對齊/右對齊）。這裡，我們對 price 和 subtotal 變數使用相似的指示符。對於 price，我們使用{2: <8.2f}；對於 subtotal，我們使用{3: >7.2f}。我們都指定了一個空格作為填充字元，不過用 < 和 > 符號分別說明數字按照長度為 8 和 7 的位置居左和居右對齊。而且，每個浮點數都保留兩位小數。
對於不同的資料型別，“型別”字元的不同會導致輸出格式的變化。我們已經瞭解了 s、d 和 f 這三種型別，它們分別用於表示字串、整數和浮點數。實際上，大部分其他的格式指示符都可以看作是這三種基本型別的變體或擴充套件。例如，o 型別用於表示八進位制整數，而 X 型別則用於表示十六進位制整數。此外，n 型別指示符是一個特殊的存在，它允許我們根據本地的習慣對整數進行分隔。這對於浮點數，% 型別指示符則具有特殊的功能，它可以將浮點數乘以 100，從而將其轉換為百分數形式。
示例程式碼如下：
_# 使用千位分隔符_
number = 1234567
formatted_number = "Formatted number: {:,}".format(number)
print(formatted_number)
_# 使用百分比格式_
percentage = 0.25
formatted_percentage = "Formatted percentage: {:.2%}".format(percentage)
print(formatted_percentage)
執行結果如下：
值得注意的是，這些標準的格式化運算子不僅可以應用於內建的資料型別，還可以應用於其他物件。對於非標準物件，我們可以定義自己的格式指示符來滿足特定的需求。例如，如果我們將 datetime 物件傳遞給 format，就可以使用那些可用於 datetime.strftime 函式的指示符，例如：
from datetime import datetime
now = datetime.now()
_# 格式化日期和時間_
formatted_date = "Current date and time: {:%Y-%m-%d %H:%M:%S}".format(now)
print(formatted_date)
輸出結果如下：
需要注意的是：這些指示符必須按照正確的順序，不過它們都是可選的：首先是填充字元，其次是對齊方式，然後是大小，最後是型別。
::= [[fill]align][sign]["z"]["#"]["0"][width][grouping_option]["." precision][type]
除了使用標準的格式化運算子，我們也可以透過重寫 format 特殊方法來自定義我們自己物件的格式化運算子，可以透過檢視如下文件進一步瞭解更加細節的操作：https://peps.python.org/pep-3101/。
同時，開閉花括號：{和}除了在格式化字串中作為被替換的特殊符號，花括號符號本身也常用於字串。我們需要有辦法跳過格式化，只作為花括號符號本身出現，而不是被替換。我們可以透過重複兩次花括號來實現，例如，我們可以用 Python 來格式化一個基本的 Java 程式：
template = """
public class {0} {{
public static void main(String[] args) {{
System.out.println("{1}");
}}
}}"""
print(template.format("MyClass", "print('hello world')"))
執行結果如下：
可以看到輸出的類名和內容已經被兩個引數所替換，而雙花括號被替換為單花括號，結果得到的就是一段合法的 Java 程式碼。只要在模板中看到{{或}}，也就是用於封閉 Java 類和方法定義的符號。我們知道 format 方法會將它們替換為單個的花括號符號，而不是替換為傳入 format 方法的引數。
這裡，我們也總結了常用的一些格式化標準符號使用方法：
總的來說，格式化運算子是 Python 中一個非常強大的工具，它允許我們根據需要靈活地控制資料的輸出格式。透過深入瞭解這些運算子的用法和特點，我們可以編寫出更加清晰、易讀和高效的程式碼。
