Python 課程 – 資料結構：字串（str）

建立、索引、切片

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簡介

字串（str）是程式設計中最常見的資料型別之一，無論是讀取使用者輸入、處理檔案內容，或是與外部 API 交換資料，都離不開字串的操作。
在 Python 中，字串不僅支援 Unicode，還提供了直觀且功能強大的索引與切片機制，讓開發者可以以簡潔的語法完成複雜的文字處理。

本篇文章將從 字串的建立、索引、切片 三個核心概念出發，結合實務範例說明其使用方式，並探討常見的陷阱與最佳實踐，最後提供幾個在日常開發中常見的應用情境，幫助讀者快速上手並寫出可靠、可讀性高的程式碼。

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核心概念

1. 字串的建立

在 Python 中，字串可以使用單引號 (')、雙引號 (") 或三引號 ('''、""") 包起來。
三引號常用於 多行文字 或 文件說明文字（docstring）。

# 單行字串
s1 = 'Hello, World!'
s2 = "Python is fun"

# 多行字串（保留換行與縮排）
s3 = """這是一段
跨越多行的文字，
可以直接寫在程式碼裡。"""

# 使用 raw string（避免跳脫字元被解譯）
path = r'C:\Users\Alice\Documents\file.txt'

• 提示：若字串中同時需要單引號與雙引號，可交替使用或搭配跳脫字元（\）避免語法錯誤。

quote = "She said, \"It's a beautiful day!\""

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2. 字串的索引（Indexing）

字串是 不可變（immutable） 的序列，意味著每個字元都有固定的位置（索引），且索引從 0 開始。
使用方括號 [] 即可取得單一字元。

msg = "Python 3.11"
first_char = msg[0]      # 'P'
last_char  = msg[-1]     # '1'（負索引從尾端開始算起）
second_last = msg[-2]    # '1'

2.1 取出子字元時的常見錯誤

• 索引超出範圍：msg[100] 會拋出 IndexError。
• 負索引過大：msg[-100] 同樣會拋出 IndexError。

解決方式：先檢查字串長度，或使用 try/except 捕捉例外。

try:
    ch = msg[100]
except IndexError:
    ch = None   # 或者給一個預設值

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3. 字串的切片（Slicing）

切片讓你一次取得 連續的子字串，語法為 string[start:stop:step]，其中：

參數	含義	預設值
start	起始索引（包含），可為負數	0
stop	結束索引（不包含），可為負數	字串長度
step	步長（正向或負向），若為負則反向	1

3.1 基本切片範例

txt = "abcdefghij"

# 取得第 2~5 個字元（索引 1~4）
sub1 = txt[1:5]          # 'bcde'

# 省略 start，從開頭到第 4 個字元（不含第 4 個）
sub2 = txt[:4]           # 'abcd'

# 省略 stop，從第 5 個字元到結尾
sub3 = txt[4:]           # 'efghij'

# 設定 step 為 2，取出每隔一個的字元
sub4 = txt[::2]          # 'acegi'

# 反向切片，取得字串反轉
rev = txt[::-1]          # 'jihgfedcba'

3.2 使用負索引與步長

# 取出倒數第 3 到倒數第 1 個字元（不含倒數第 0 個）
sub5 = txt[-3:-0]        # 'ij'（-0 等同於 0）

# 反向切片，從倒數第 1 個往前取三個字元
sub6 = txt[-1:-4:-1]     # 'jih'

3.3 切片的「深拷貝」概念

由於字串是不可變物件，切片本身不會產生 引用問題。
即使你對切片結果再做修改（實際上是產生新字串），原字串仍保持不變：

original = "2023-08-15"
date_part = original[:10]   # '2023-08-15'
# 嘗試改變 date_part（實際上是建立新字串）
date_part = date_part.replace('-', '/')
# original 仍是原本的內容
print(original)   # 2023-08-15

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常見陷阱與最佳實踐

陷阱	說明	最佳做法
忘記字串不可變	直接修改字串會拋出錯誤，或不會改變原字串	使用 replace()、join() 等產生新字串
切片步長為 0	string[::0] 會產生 ValueError	步長必須是非零整數
負索引與切片起止混淆	s[-1:0] 會得到空字串，因為 stop 必須在 start 之後（正向切片）	反向切片時使用負步長 s[-1:0:-1]
使用 + 連接大量字串	會產生大量臨時字串，效能低	使用 ''.join(list_of_strings)
忽略 Unicode 正規化	不同編碼形式的相同字元會被視為不同字串	使用 unicodedata.normalize() 統一編碼

小技巧

• 快速檢查子字串是否存在：if "abc" in s:
• 取得字串長度：len(s)，配合切片可避免 IndexError。
• 字串格式化：f"{name}: {value:.2f}" 比 % 或 format() 更直觀。

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實際應用場景

1. 日誌檔案分析
   讀取一行日誌後，只取出時間戳記與訊息等關鍵資訊：

   line = "2023-08-15 14:23:07,123 - INFO - Process started"
   timestamp = line[:23]          # '2023-08-15 14:23:07,123'
   level = line[26:30]            # 'INFO'
   message = line[33:]            # 'Process started'
   

2. CSV 檔案欄位切割
   假設每個欄位長度固定，可直接使用切片取得：

   row = "John    Doe     03011990M"
   first_name = row[0:8].strip()   # 'John'
   last_name  = row[8:16].strip()  # 'Doe'
   birthday   = row[16:24]          # '03011990'
   gender     = row[24]            # 'M'
   

3. 網址參數解析
   從 URL 中抽取 query string：

   url = "https://example.com/search?q=python+string&lang=zh-TW"
   query_part = url.split('?')[1]            # 'q=python+string&lang=zh-TW'
   params = dict(p.split('=') for p in query_part.split('&'))
   # {'q': 'python+string', 'lang': 'zh-TW'}
   

4. 文字加密/解密（簡易 Caesar Cipher）
   使用切片與步長實作字母位移：

   import string
   
   alphabet = string.ascii_lowercase
   shift = 3
   # 建立加密映射表
   trans = str.maketrans(alphabet, alphabet[shift:] + alphabet[:shift])
   
   def caesar_encrypt(text):
       return text.lower().translate(trans)
   
   print(caesar_encrypt("hello world"))   # khoor zruog
   

5. 反向顯示密碼
   為了 UI 安全，顯示最後四位，其餘以星號取代：

   pwd = "Abcdef123456"
   masked = '*' * (len(pwd) - 4) + pwd[-4:]
   print(masked)   # ********3456
   

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總結

字串是 Python 最基礎、同時也是最強大的資料結構之一。透過 建立、索引、切片 三個核心操作，我們可以：

• 快速取得任意子字元或子字串，不必使用迴圈或額外函式。
• 以簡潔的語法完成文字切割、反轉、抽取固定寬度欄位，提升程式可讀性與維護性。
• 避免常見的 IndexError、ValueError，並遵循最佳實踐（如使用 join、Unicode 正規化），寫出更安全、效能更佳的程式。

掌握這些技巧後，無論是日誌分析、檔案處理、網路爬蟲，或是簡易的加密演算法，都能以最少的程式碼完成高品質的文字處理工作。希望本篇文章能成為你在 Python 路上不可或缺的參考手冊，持續練習、探索更進階的字串方法（如正規表示式、re 模組），讓程式碼更具表現力與彈性。祝你玩得開心，寫程式更順手！