Python 課程 – 運算子（Operators）

主題：成員運算子（`in` / `not in`）

簡介

在 Python 中，成員運算子（in 與 not in）是檢查「某個元素是否屬於」資料容器的利器。無論是字串、列表、元組、集合或字典，只要是可迭代物件，都可以直接使用這兩個運算子完成查詢。
對於資料驗證、搜尋、條件過濾等常見需求，成員運算子提供了簡潔且可讀性高的寫法，讓程式碼遠離繁瑣的迴圈與索引操作。掌握它們不僅能提升開發效率，也能降低錯誤率，是每位 Python 開發者的必備功夫。

核心概念

1. 基本語法

element in container      # 若 element 出現在 container 中，回傳 True
element not in container  # 若 element 不在 container 中，回傳 True

container 可以是 字串、列表、元組、集合、字典的鍵，甚至是自訂的可迭代類別。
運算子本身會在背後呼叫容器的 __contains__ 方法，若未實作則會退回逐項比對（O(n)）。

2. 應用於不同資料型別

容器類型	範例	說明
字串	`"a" in "apple"`	判斷子字串是否出現在另一字串中
列表	`3 in [1, 2, 3, 4]`	檢查元素是否為列表成員
元組	`('x',) in (('a',), ('x',))`	同列表，只是不可變
集合	`5 in {1, 2, 3, 4, 5}`	集合的查找時間為 O(1)
字典	`'key' in {'key': 1, 'val': 2}`	預設檢查鍵是否存在

3. 成員運算子與迭代的關係

當容器沒有實作 __contains__ 時，Python 會將 in 轉換為以下等價的迭代方式：

any(element == item for item in container)

這表示即使是自訂類別，只要實作 __iter__，仍可使用 in 進行成員檢查，只是效能會退化為線性搜尋。

程式碼範例

以下範例展示 in / not in 在實務開發中的常見用法，並附上說明註解。

範例 1：字串搜尋與大小寫處理

# 判斷使用者輸入的關鍵字是否在說明文字中
description = "Python 提供了強大的文字處理功能。"
keyword = "文字"

# 直接使用 in，大小寫敏感
if keyword in description:
    print("找到關鍵字！")
else:
    print("關鍵字不在說明內。")

# 若要忽略大小寫，可先統一轉為小寫
if keyword.lower() in description.lower():
    print("（忽略大小寫）找到關鍵字！")

重點：字串的 in 搜尋是 O(m·n)（m 為關鍵字長度，n 為母字串長度），但在日常使用上已足夠快速。

範例 2：列表過濾與條件判斷

# 假設有一組使用者 ID，想檢查是否已在黑名單中
blacklist = [1001, 2034, 3056, 4099]

def is_allowed(user_id):
    # 使用 not in 判斷是否不在黑名單
    return user_id not in blacklist

# 測試
for uid in [1001, 2000, 3056, 8000]:
    print(f"User {uid} -> {'允許' if is_allowed(uid) else '拒絕'}")

技巧：如果黑名單資料量龐大，改用集合 (set) 可將查找時間從 O(n) 降至 O(1)。

範例 3：集合的快速成員測試

# 建立一個包含所有有效指令的集合
VALID_COMMANDS = {"start", "stop", "pause", "resume"}

def execute(command):
    if command in VALID_COMMANDS:
        print(f"執行指令: {command}")
    else:
        print(f"未知指令: {command}")

# 測試
execute("start")
execute("reset")

說明：集合的 in 檢查背後使用雜湊表，效能極佳，適合大量字串或數值的快速驗證。

範例 4：字典鍵檢查與預設值

# 使用者設定檔
profile = {
    "name": "Alice",
    "email": "alice@example.com",
    # "age" 欄位可能缺失
}

# 檢查鍵是否存在，若不存在給予預設值
age = profile["age"] if "age" in profile else 18
print(f"使用者年齡: {age}")

# 更 Pythonic 的寫法：dict.get()
age = profile.get("age", 18)
print(f"使用者年齡（get）: {age}")

提示：對字典使用 in 時，只會檢查鍵，不會檢查值。

範例 5：自訂可迭代類別的 `in` 支援

class MyRange:
    """模擬內建 range，但只支援正向迭代"""
    def __init__(self, start, stop):
        self.start = start
        self.stop = stop

    def __iter__(self):
        current = self.start
        while current < self.stop:
            yield current
            current += 1

# 使用 in 進行成員測試
r = MyRange(1, 5)   # 產生 1,2,3,4
print(3 in r)      # True
print(5 in r)      # False

說明：即使未實作 __contains__，只要提供 __iter__，in 仍可正常工作，只是效能會是線性搜尋。

常見陷阱與最佳實踐

陷阱	可能的錯誤	建議的做法
大小寫不一致	`"A" in "abc"` 永遠回傳 `False`	先統一 `lower()` 或 `upper()`，或使用正規表達式
把字典值當鍵檢查	`value in my_dict` 只會比對鍵	若要檢查值，使用 `value in my_dict.values()`
在大資料集合使用列表	`x in large_list` 會變成 O(n)	改用 `set` 或 `dict` 以獲得 O(1) 查找
忘記 `not in` 的優先度	`if not a in b:` 被解讀為 `if (not a) in b:`	使用括號 `if a not in b:`，或直接寫 `if not (a in b):`
對非可迭代物件使用 `in`	`3 in 5` 會拋出 `TypeError`	確認左側是可迭代容器，或使用 `hasattr(obj, '__contains__')` 事先檢查

最佳實踐：

優先選擇集合 (set) 進行「是否存在」的判斷，特別是資料量大且查詢頻繁的情況。
使用 dict.get() 取代 key in dict + 索引的寫法，讓程式更簡潔且避免 KeyError。
保持語意一致：in 用於「存在」，not in 用於「不存在」，盡量避免在同一行混用 not 與 in 造成閱讀困難。

善用型別註記（Python 3.9+）提升 IDE 靜態檢查，減少誤用：

def has_permission(user_id: int, allowed: set[int]) -> bool:
    return user_id in allowed

實際應用場景

API 請求參數驗證
在處理 RESTful API 時，常會檢查傳入的 action 是否屬於允許的指令集合：

ALLOWED_ACTIONS = {"create", "update", "delete"}
if request.json.get("action") not in ALLOWED_ACTIONS:
    raise ValueError("不支援的操作")

資料清理與去重
讀取 CSV 時，可利用 set 追蹤已出現的 ID，快速過濾重複資料：

seen_ids = set()
for row in csv_reader:
    if row["id"] in seen_ids:
        continue   # 重複，直接跳過
    seen_ids.add(row["id"])
    process(row)

使用者權限檢查
角色權限往往以列表或集合方式儲存，判斷使用者是否具備某個功能：
```
user_roles = {"admin", "editor"}
if "admin" in user_roles:
    show_admin_panel()
```

文字過濾
建立敏感字詞集合，檢查訊息內容是否包含禁用詞彙：

BLOCKED_WORDS = {"spam", "廣告", "詐騙"}
def is_clean(message: str) -> bool:
    return not any(word in message for word in BLOCKED_WORDS)

總結

in / not in 是 Python 中檢查「元素是否屬於」容器的核心運算子，支援多種可迭代型別。
透過 集合 (set) 可將查詢時間從線性 (O(n)) 降至常數 (O(1))；字典則僅檢查鍵。
常見的陷阱包括大小寫不一致、誤用字典值、在大列表上使用線性搜尋等，遵循最佳實踐能顯著提升效能與可讀性。
成員運算子在 API 驗證、權限管理、資料清理、文字過濾 等實務情境中扮演關鍵角色，是每位 Python 開發者不可或缺的工具。

掌握 in 與 not in，不僅能讓程式碼更簡潔，同時也能在大量資料處理時保持高效、可靠。祝你在 Python 的旅程中，玩得開心、寫得順手！