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defaultdictの使い方と修正方法：簡単に解説

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Python defaultdictの使用方法

Pythonのディクショナリを操作する際によく発生する問題の一つは、存在しないキーにアクセスしたり変更を加えたりすることです。この場合、KeyErrorが発生してコードの実行が中断されてしまいます。このような状況を処理するために、Pythonの標準ライブラリにはdefaultdictというタイプが用意されています。defaultdictは通常のディクショナリとほぼ同じように振る舞いますが、存在しないキーにアクセスすると自動的にキーが作成され、デフォルト値が生成されます。このため、defaultdictはディクショナリ内の存在しないキーを処理するのに便利です。

このチュートリアルでは、Pythonのdefaultdictタイプを使って、ディクショナリ内の存在しないキーを処理する方法について学びます。また、通常のディクショナリではなくdefaultdictを使用する理由やタイプの使い方についても解説します。さらに、defaultdictを使ってグルーピングやカウント、値の累積などの操作を行う方法も学びます。

この知識を身につけることで、日常のプログラミングの課題で効果的にPythonのdefaultdictタイプを活用することができるようになります。

このチュートリアルを最大限に活用するためには、Pythonのディクショナリについての基本的な理解が必要です。ディクショナリについての理解があまりない場合は、以下のリソースを参考にすることをおすすめします。

ディクショナリ内の存在しないキーの処理

Pythonのディクショナリを操作する際によく発生する問題の一つは、存在しないキーの処理です。もしコードがディクショナリを大量に使用している場合や、頻繁にディクショナリを動的に作成している場合、KeyError例外と頻繁に向き合うことになり、コードが少し複雑になります。Pythonのディクショナリでは、少なくとも以下の4つの方法で存在しないキーの処理を行うことができます。

  1. dict.get(key, default)：get()メソッドを使用してキーが存在しない場合にデフォルト値を返す
  2. dict.setdefault(key, default)：setdefault()メソッドを使用してキーが存在しない場合にデフォルト値を設定する
  3. dict[key] if key in dict else default：ショートカットを使用してキーが存在するかどうかを確認する
  4. if key in dict: ...; else: ...：if文を使用してキーの存在を確認し、存在しない場合にはデフォルトの操作を行う

これらの方法はいずれも存在しないキーにアクセスする際にKeyErrorを避けるための手段ですが、毎回このような処理を記述するのは冗長です。幸いなことに、Pythonのcollectionsモジュールには、defaultdictというディクショナリのようなクラスが存在します。defaultdictはデフォルトで存在しないキーに対して自動的にデフォルト値を設定する機能を持っています。

Pythonのdefaultdictタイプの理解

Pythonのdefaultdictは、collections.defaultdictクラスとして提供されています。このタイプは通常のディクショナリと同じように振る舞いますが、存在しないキーにアクセスすると自動的にデフォルト値が生成されます。

defaultdictを使用するためには、collectionsモジュールからdefaultdictをインポートする必要があります。

from collections import defaultdict

defaultdictは以下のようにして生成されます。

d = defaultdict(default_value)

このように生成されたdefaultdictオブジェクトでは、存在しないキーにアクセスした場合にdefault_valueが自動的に返されます。

以下は、defaultdictの基本的な使い方の例です。

from collections import defaultdict


# 赤マルというデフォルト値を持つdefaultdictを作成
colors = defaultdict(lambda: "赤マル")


colors["りんご"] = "赤"
colors["バナナ"] = "黄"
colors["みかん"] = "オレンジ"


print(colors["りんご"])  # 出力: 赤
print(colors["バナナ"])  # 出力: 黄
print(colors["みかん"])  # 出力: オレンジ
print(colors["スイカ"])  # 出力: 赤マル

この例では、存在しないキーである”スイカ”にアクセスした場合、デフォルト値である”赤マル”が返されます。

Python defaultdictタイプの使用方法

Pythonのdefaultdictタイプを使用すると、ディクショナリ操作をより柔軟かつ効率的に行うことができます。以下では、defaultdictを使用したグルーピング、ユニークなアイテムのグルーピング、アイテムのカウント、値の累積など、一連の具体的な例を紹介します。

アイテムのグルーピング

defaultdictを使用してアイテムをグループ化する方法を見てみましょう。以下の例では、果物をグループ化するためのdefaultdictを作成します。

from collections import defaultdict


fruits = [
    ("りんご", "赤"),
    ("バナナ", "黄"),
    ("みかん", "オレンジ"),
    ("りんご", "赤"),
    ("バナナ", "黄"),
    ("スイカ", "緑"),
]


# アイテムをグループ化するためのdefaultdictを作成
grouped_fruits = defaultdict(list)


for fruit, color in fruits:
    grouped_fruits[fruit].append(color)


print(grouped_fruits)

出力結果は以下のようになります。

{
    'りんご': ['赤', '赤'],
    'バナナ': ['黄', '黄'],
    'みかん': ['オレンジ'],
    'スイカ': ['緑']
}

この例では、果物と色をペアで持つリストを用意し、defaultdict(list)を使用してアイテムをグループ化しています。存在しないキーにアクセスすると自動的に空のリストが生成され、アイテムが追加されます。

ユニークなアイテムのグルーピング

次に、defaultdictを使用してユニークなアイテムをグループ化する方法を見てみましょう。以下の例では、果物の種類をユニークなアイテムとしてグループ化するためのdefaultdictを作成します。

from collections import defaultdict


fruits = [
    ("りんご", "赤"),
    ("バナナ", "黄"),
    ("みかん", "オレンジ"),
    ("りんご", "赤"),
    ("バナナ", "黄"),
    ("スイカ", "緑"),
]


# ユニークなアイテムをグループ化するためのdefaultdictを作成
unique_grouped_fruits = defaultdict(set)


for fruit, color in fruits:
    unique_grouped_fruits[fruit].add(color)


print(unique_grouped_fruits)

出力結果は以下のようになります。

{
    'りんご': {'赤'},
    'バナナ': {'黄'},
    'みかん': {'オレンジ'},
    'スイカ': {'緑'}
}

この例では、果物と色をペアで持つリストを用意し、defaultdict(set)を使用してユニークなアイテムをグループ化しています。存在しないキーにアクセスすると自動的に空のセットが生成され、アイテムが追加されます。

アイテムのカウント

defaultdictを使用してアイテムのカウントを行う方法を見てみましょう。以下の例では、果物の種類ごとに出現回数をカウントするためのdefaultdictを作成します。

from collections import defaultdict


fruits = ["りんご", "バナナ", "みかん", "りんご", "バナナ", "スイカ"]


# アイテムのカウントを行うためのdefaultdictを作成
fruit_count = defaultdict(int)


for fruit in fruits:
    fruit_count[fruit] += 1


print(fruit_count)

出力結果は以下のようになります。

{
    'りんご': 2,
    'バナナ': 2,
    'みかん': 1,
    'スイカ': 1
}

この例では、果物の種類を持つリストを用意し、defaultdict(int)を使用してアイテムのカウントを行っています。存在しないキーにアクセスすると自動的に0が返され、カウントが行われます。

値の累積

最後に、defaultdictを使用して値の累積を行う方法を見てみましょう。以下の例では、果物の値段を種類ごとに累積するためのdefaultdictを作成します。

from collections import defaultdict


fruits = [
    ("りんご", 100),
    ("バナナ", 150),
    ("みかん", 80),
    ("りんご", 120),
]


# 値の累積を行うためのdefaultdictを作成
total_price = defaultdict(int)


for fruit, price in fruits:
    total_price[fruit] += price


print(total_price)

出力結果は以下のようになります。

{
    'りんご': 220,
    'バナナ': 150,
    'みかん': 80
}

この例では、果物と価格のペアを持つリストを用意し、defaultdict(int)を使用して値の累積を行っています。存在しないキーにアクセスすると自動的に0が返され、累積が行われます。

defaultdictの使い方をもっと深く理解する

defaultdictは通常のディクショナリと似ていますが、いくつかの重要な違いがあります。以下では、defaultdictと通常のディクショナリの違いについて詳しく見ていきます。

defaultdict vs dict

defaultdictと通常のディクショナリには、いくつかの重要な違いがあります。

  • 通常のディクショナリは存在しないキーにアクセスするとKeyErrorを発生させますが、defaultdictではキーが存在しない場合に自動的にデフォルト値が作成されます。
  • 任意のキーに対してデフォルト値を設定するために、defaultdictはdefault_factoryというメソッドを使用します。
  • 一方で、通常のディクショナリはデフォルト値を持たず、キーが存在しない場合には例外を発生させます。

通常のディクショナリとdefaultdictの主な違いは、存在しないキーへのアクセスに対する処理方法です。

defaultdict.default_factory

defaultdictのdefault_factoryメソッドを使用すると、任意のデフォルト値を設定することができます。default_factoryメソッドは呼び出されるたびに新しいオブジェクトを返す関数として動作します。

例えば、以下のようにdefaultdictを作成し、default_factoryにlambdaを使用してデフォルト値を設定することができます。

from collections import defaultdict


d = defaultdict(lambda: "デフォルト値")


print(d["キー1"])  # デフォルト値
print(d["キー2"])  # デフォルト値

この例では、存在しないキーにアクセスするとデフォルト値である”デフォルト値”が自動的に返されます。

defaultdict vs dict.setdefault()

defaultdictとdictのsetdefault()メソッドは、似ているように見えますが重要な違いがあります。

  • setdefault()メソッドはディクショナリの既存のキーに対しても効果がありますが、defaultdictは存在しないキーに対してのみ効果があります。
  • setdefault()メソッドは指定されたキーが存在しない場合にのみデフォルト値を設定しますが、defaultdictは常にデフォルト値を設定します。

例えば、以下のようにsetdefault()メソッドを使った場合とdefaultdictを使った場合を比較してみましょう。

d1 = {}  # 通常のディクショナリ
d2 = defaultdict(int)  # defaultdict


print(d1.setdefault("キー1", "デフォルト値"))  # デフォルト値
print(d2["キー1"])  # 0

この例では、setdefault()メソッドは指定されたキーが存在しない場合にデフォルト値を設定しますが、defaultdictは常にデフォルト値を設定します。

defaultdict.missing()

defaultdictは、キーが存在しない場合にdefault_factoryを呼び出す__missing__()という特殊メソッドもサポートしています。このメソッドをオーバーライドすることで、キーが存在しない場合の振る舞いをカスタマイズすることができます。

例えば、以下のように__missing__()メソッドを使用して、キーが存在しない場合に自動的にデフォルト値を設定するdefaultdictを作成することができます。

from collections import defaultdict


class CustomDict(defaultdict):
    def __missing__(self, key):
        if self.default_factory is None:
            raise KeyError(key)
        self[key] = self.default_factory()
        return self[key]


d = CustomDict(lambda: "デフォルト値")


print(d["キー1"])  # デフォルト値
print(d["キー2"])  # デフォルト値

この例では、CustomDictクラスを作成し、__missing__()メソッドをオーバーライドしてキーが存在しない場合に自動的にデフォルト値を設定できるようにしています。

Python defaultdictタイプのエミュレーション

もしdefaultdictが使えない環境であっても、同様の機能を実現するために、defaultdictをエミュレートする方法があります。

以下の例では、通常のディクショナリとdict.get()メソッドを組み合わせて、存在しないキーに対して自動的にデフォルト値を設定するエミュレートされたdefaultdictを作成します。

fruits = [
    ("りんご", "赤"),
    ("バナナ", "黄"),
    ("りんご", "赤"),
]


# エミュレートされたdefaultdictを作成
grouped_fruits = {}


for fruit, color in fruits:
    grouped_fruits.setdefault(fruit, []).append(color)


print(grouped_fruits)

出力結果は以下のようになります。

{
    'りんご': ['赤', '赤'],
    'バナナ': ['黄']
}

この例では、通常のディクショナリとdict.get()メソッドを使用して、存在しないキーに対して自動的にデフォルト値を設定することで、defaultdictをエミュレートしています。

.default_factoryに引数を渡す方法

default_factoryに引数を渡す方法について説明します。default_factoryには関数を指定することができ、この関数は要素を追加する際に毎回呼び出されます。以下では、引数を使用してdefault_factoryを設定する方法について説明します。

lambdaを使用する方法

from collections import defaultdict


d = defaultdict(lambda x: "デフォルト値: " + str(x))


print(d["キー1"])  # デフォルト値: キー1
print(d["キー2"])  # デフォルト値: キー2

この例では、default_factoryに対してlambdaを使用して引数を指定しています。存在しないキーにアクセスすると、lambda関数が呼び出されてデフォルト値が生成されます。

functools.partial()を使用する方法

functools.partial()を使用して、default_factoryに引数を渡す別の方法もあります。partial()関数は、指定した関数の一部の引数を固定した新しい関数を返すため、default_factoryに引数を渡すのに便利です。

以下は、functools.partial()を使用してdefault_factoryに引数を渡す例です。

from collections import defaultdict
from functools import partial


def default_value(x, y):
    return f"デフォルト値: {x}-{y}"


d = defaultdict(partial(default_value, "引数1"))


print(d["キー1"])  # デフォルト値: 引数1-キー1
print(d["キー2"])  # デフォルト値: 引数1-キー2

この例では、default_factoryにfunctools.partial()を使用して、関数default_value()の一部の引数を固定しています。存在しないキーにアクセスすると、default_value()関数が呼び出されてデフォルト値が生成されます。

結論

このチュートリアルでは、Pythonのdefaultdictタイプを使ってディクショナリ内の存在しないキーを扱う方法について詳しく説明しました。また、通常のディクショナリとの違いや、グルーピング、カウント、値の累積などの具体的な使用例も紹介しました。

Pythonのdefaultdictは、ディクショナリに存在しないキーを効率的に処理するための便利なオプションです。ぜひこのチュートリアルで学んだ知識を活用して、日常のプログラミングの課題をスムーズに解決できるようにしてください。