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Pythonでのチュートリアル：py defaultdictの使い方は？

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Python defaultdict を使用して欠損したキーを扱う方法

Pythonのディクショナリを扱う際、存在しないキーにアクセスまたは変更を試みると、常にKeyErrorが発生し、コードの実行が中断される可能性があります。このような状況を処理するために、Pythonの標準ライブラリはcollectionsモジュール内で利用可能な、Pythonのdefaultdict型を提供しています。

Pythonのdefaultdict型は通常のPythonディクショナリとほぼ同じように動作しますが、存在しないキーへのアクセスまたは変更を試みると、defaultdictは自動的にキーを作成し、それに対するデフォルト値を生成します。これにより、defaultdictはディクショナリ内の欠損キーを処理するための貴重なオプションとなります。

このチュートリアルでは、次の内容を学ぶことができます:

  • ディクショナリ内の欠損キーを処理するためにPythonのdefaultdict型をどのように使用するか
  • 通常のdictではなく、Pythonのdefaultdictを使用する理由とタイミング
  • グループ化、カウント、値の累積にdefaultdictを使用する方法

これら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Pythonのdefaultdict型を効果的に使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の最大限の活用をするためには、Pythonのディクショナリについての基本的な理解と、それらの操作方法について既知であることが望ましいです。もし復習が必要な場合は、以下のリソースを参照してください。

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ディクショナリ内の欠損キーを処理する

Pythonディクショナリを使用する際に直面する問題の一つは、欠損したキーの処理方法です。もしコードがディクショナリに強く依存している場合や、頻繁にディクショナリを動的に作成している場合、頻繁なKeyError例外に対処することは非常に面倒でコードを複雑にすることがあります。Pythonのディクショナリでは、少なくとも4つの方法が利用可能です。

  1. dict.get()メソッドを使用する
  2. try-exceptブロックを使用してKeyErrorをキャッチする
  3. in演算子を使用してキーの存在を確認する
  4. Pythonのdefaultdictを使用する

このチュートリアルでは、最後のオプション、つまりPythonのdefaultdictの使用方法に焦点を当てます。実際のコードとサンプルコードを使用して、どのようにしてdefaultdictを使って欠損キーを処理するかを見ていきましょう。

Pythonのdefaultdict型の理解

まずはじめに、Pythonのdefaultdict型について詳しく見ていきましょう。defaultdictはdictクラスのサブクラスであり、collectionsモジュールで定義されています。defaultdictは、辞書にキーが存在しない場合のデフォルト値を生成するメソッド（__missing__）を持っています。

通常のPythonディクショナリでは、存在しないキーにアクセスするとKeyErrorが発生しますが、defaultdictではそれは異なります。存在しないキーに対してアクセスした場合、default_factoryで指定されたデフォルト値が自動的に生成されます。

default_factoryはdefaultdictの初期化時に設定されます。これは通常、関数（あるいは関数への参照）です。関数が指定されていない場合、デフォルト値はNoneとなります。

from collections import defaultdict


d = defaultdict(int)


print(d["missing_key"])  # 0

上記の例では、default_factoryには組み込みのint関数が指定されています。したがって、存在しないキーにアクセスすると、0というデフォルト値が生成されます。int関数は引数を受け取り、その引数を整数に変換します。しかし、int()関数は引数を与えずに呼び出されると、デフォルトで0を返します。

Pythonのdefaultdict型の使用

Pythonのdefaultdictを使用して、いくつかの一般的な事例で欠損キーを処理する方法を見ていきましょう。

アイテムのグループ化

ディクショナリ内のアイテムをグループ化する場合、通常はdefaultdictを使用すると便利です。例えば、複数の人の名前をグループごとにリストに追加する場合を考えてみましょう。

from collections import defaultdict


names = [("Alice", "A"), ("Bob", "B"), ("Alice", "C"), ("Bob", "A")]


grouped_names = defaultdict(list)


for name, group in names:
    grouped_names[group].append(name)


print(grouped_names)

出力:

defaultdict(<class 'list'>, {'A': ['Alice', 'Bob'], 'B': ['Alice'], 'C': ['Bob']})

上記の例では、defaultdictを使用してgrouped_namesというディクショナリを作成しています。ディクショナリのキーはgroupであり、値は名前のリストです。ループ処理中に存在しないキーにアクセスしても、事前に設定されたデフォルト値である空のリストが自動的に生成され、名前が追加されます。結果として、アイテムがグループごとに正しくグループ化されています。

ユニークなアイテムのグループ化

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もあります。例えば、複数の果物が与えられた場合、各果物の個数を計算するとします。

from collections import defaultdict


fruits = ["apple", "banana", "apple", "orange", "banana", "apple"]


grouped_fruits = defaultdict(int)


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


print(grouped_fruits)

出力:

defaultdict(<class 'int'>, {'apple': 3, 'banana': 2, 'orange': 1})

この例では、defaultdictを使用してgrouped_fruitsというディクショナリを作成し、各果物の出現回数をカウントしています。int関数がdefault_factoryとして指定されているため、存在しないキーにアクセスするとデフォルト値0が自動的に生成されます。その後、各果物のカウントをインクリメントしていきます。

アイテムの値の累積

defaultdictは、アイテムの値を累積するためにも使用できます。例えば、チームのメンバーがクリケットの試合で得点した場合を考えてみましょう。

from collections import defaultdict


scores = [("Alice", 10), ("Bob", 5), ("Alice", 20), ("Bob", 10)]


total_scores = defaultdict(int)


for player, score in scores:
    total_scores[player] += score


print(total_scores)

出力:

defaultdict(<class 'int'>, {'Alice': 30, 'Bob': 15})

この例では、defaultdictを使用してtotal_scoresというディクショナリを作成し、各プレイヤーの得点を累積しています。デフォルト値として0が指定されているため、存在しないプレイヤーの得点も自動的に追加されます。

defaultdictのさらなる探求

defaultdictについてさらに探求してみましょう。以下では、defaultdictと通常のディクショナリとの比較、default_factoryの設定、dict.setdefault()メソッドとの比較、defaultdict.__missing__()メソッドについて見ていきます。

defaultdict vs dict

defaultdictは通常のPythonディクショナリ（dict）と比較していくつかの利点があります。defaultdictでは、存在しないキーへのアクセスが発生した場合に自動的にデフォルトの値が返されるため、コードをより簡潔に書くことができます。

通常のPythonディクショナリでは、キーの存在を確認するために条件分岐が必要になります。これに対して、defaultdictでは何も考えずに欠損キーを取り扱うことができます。

# defaultdictを使用する場合
from collections import defaultdict


d = defaultdict(list)


print(d["missing_key"])  # []


# 通常のPythonディクショナリを使用する場合
d = {}


if "missing_key" in d:
    print(d["missing_key"])
else:
    print([])


# 上記の結果はどちらも同じですが、
# defaultdictを使用するとより簡潔なコードになります

defaultdict.default_factory

default_factoryは、defaultdictの初期化時に設定される関数です。デフォルト値の生成方法を制御するために使用されます。defaultdictのdefault_factoryは、通常は組み込み関数（intやlist）やユーザー定義の関数に設定されますが、Noneに設定することもできます。

default_factoryは以下のように設定します。

from collections import defaultdict


d = defaultdict(int)

上記の例では、default_factoryとして組み込み関数のintを指定しています。これにより、欠損キーに対してデフォルト値としてint()が呼び出され、0が返されます。

自作の関数をdefault_factoryとして設定することもできます。

from collections import defaultdict


def default_value():
    return "default"


d = defaultdict(default_value)

上記の例では、default_valueという自作の関数をdefault_factoryとして指定しています。この関数は、存在しないキーに対して呼び出され、"default"というデフォルト値が返されます。

defaultdict vs dict.setdefault()

defaultdictと通常のディクショナリの間には、似たような動作をするメソッドであるdict.setdefault()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デフォルト値を設定します。

# defaultdictを使用する場合
from collections import defaultdict


d = defaultdict(list)


d.setdefault("missing_key", [])


# 通常のPythonディクショナリを使用する場合
d = {}


if "missing_key" not in d:
    d["missing_key"] = []


# defaultdictとsetdefault()を使用する場合の結果は同じですが、
# defaultdictを使用するとより簡潔なコードになります

defaultdictと比べると、setdefault()メソッドの利点は、既存のディクショナリで存在しないキーに対してデフォルト値を設定できることです。しかし、コードの簡潔さと可読性の観点から考えると、defaultdictの使用をおすすめします。

defaultdict.missing()

Pythonのディクショナリは、__missing__()メソッドを持っています。このメソッドは、存在しないキーにアクセスした場合に呼び出されます。defaultdictもこの__missing__()メソッドを持っており、このメソッドはキーの存在を確認し、存在しない場合にデフォルト値を生成します。

from collections import defaultdict


class MyDict(defaultdict):
    def __missing__(self, key):
        return f"Missing key: {key}"


d = MyDict()


print(d["missing_key"])  # "Missing key: missing_key"

上記の例では、MyDictというクラスを作成し、__missing__()メソッドをオーバーライドしています。このメソッドでは、存在しないキーにアクセスされた場合に"Missing key: {key}"という文字列を返します。

defaultdictを継承して自作のクラスを作成することで、よりカスタマイズされた挙動を実現できます。

Python defaultdict型のエミュレーション

もしこのチュートリアルの始めで紹介したdefaultdictが利用できない環境で作業している場合、defaultdictと同じ機能を実現するために、自分でエミュレートすることもできます。具体的には、通常のディクショナリを使用し、欠損キーにアクセスするたびにデフォルト値を自動的に生成する関数を用意します。

以下はその例です。

class MyDefaultDict(dict):
    def __missing__(self, key):
        self[key] = []  # デフォルト値として空のリストを設定
        return self[key]


d = MyDefaultDict()


print(d["missing_key"])  # []

この例では、MyDefaultDictというクラスを作成し、__missing__()メソッドをオーバーライドしています。このメソッドでは、存在しないキーにアクセスされた場合に空のリストを設定し、そのリストを返します。

MyDefaultDictクラスは通常のディクショナリを継承しているため、ディクショナリにアイテムを追加することもできます。

.default_factoryに引数を渡す

.default_factoryには関数を指定するだけでなく、引数を渡すこともできます。以下では、lambda関数とfunctools.partial()を使用して、.default_factoryに引数を渡す方法を見ていきます。

lambdaを使用する

lambda関数を使用して、.default_factoryに引数を渡すことができます。以下は例です。

from collections import defaultdict


default_value = lambda: [1, 2, 3]


d = defaultdict(default_value)


print(d["missing_key"])  # [1, 2, 3]

この例では、default_valueとしてlambda関数を使用しています。lambda関数は実行時にリスト[1, 2, 3]を生成し、それがデフォルト値となります。

functools.partial()を使用する

functools.partial()関数を使用して、.default_factoryに引数を渡すこともできます。以下は例です。

from collections import defaultdict
from functools import partial


def default_value(arg1, arg2):
    return [arg1, arg2]


d = defaultdict(partial(default_value, arg1=1, arg2=2))


print(d["missing_key"])  # [1, 2]

この例では、default_value関数にarg1とarg2という名前の引数を受け取るようにし、functools.partial()関数で引数を指定しています。.default_factoryにはpartial(default_value, arg1=1, arg2=2)と指定されており、デフォルト値として[1, 2]を生成する関数が使用されます。

結論

このチュートリアルでは、Pythonのdefaultdict型を使用して欠損キーを処理する方法について詳しく解説しました。defaultdictは、ディクショナリ内のキーが存在しない場合に自動的にデフォルト値を生成することができるため、ディクショナリの操作を簡単に行うことができます。

defaultdictを使用することで、アイテムのグループ化やカウント、値の累積など、さまざまな操作をより簡潔に実装することができます。

また、defaultdictの設定やカスタマイズ方法、その他の関連情報についても学びました。

Pythonのdefaultdictを正しく理解して活用することで、より効率的かつ効果的なコードを書くことができるようになるでしょう。