第12章 pandas高级应用

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前面的章节关注于不同类型的数据规整流程和NumPy、pandas与其它库的特点。随着时间的发展，pandas发展出了更多适合高级用户的功能。本章就要深入学习pandas的高级功能。

12.1 分类数据

这一节介绍的是pandas的分类类型。我会向你展示通过使用它，提高性能和内存的使用率。我还会介绍一些在统计和机器学习中使用分类数据的工具。

背景和目的

表中的一列通常会有重复的包含不同值的小集合的情况。我们已经学过了unique和value_counts，它们可以从数组提取出不同的值，并分别计算频率：

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In [10]: import numpy as np; import pandas as pd

In [11]: values = pd.Series(['apple', 'orange', 'apple',
   ....:                     'apple'] * 2)

In [12]: values
Out[12]: 
0     apple
1    orange
2     apple
3     apple
4     apple
5    orange
6     apple
7     apple
dtype: object

In [13]: pd.unique(values)
Out[13]: array(['apple', 'orange'], dtype=object)

In [14]: pd.value_counts(values)
Out[14]: 
apple     6
orange    2
dtype: int64

许多数据系统（数据仓库、统计计算或其它应用）都发展出了特定的表征重复值的方法，以进行高效的存储和计算。在数据仓库中，最好的方法是使用所谓的包含不同值的维表(Dimension Table)，将主要的参数存储为引用维表整数键：

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In [15]: values = pd.Series([0, 1, 0, 0] * 2)

In [16]: dim = pd.Series(['apple', 'orange'])

In [17]: values
Out[17]: 
0    0
1    1
2    0
3    0
4    0
5    1
6    0
7    0
dtype: int64

In [18]: dim
Out[18]: 
0     apple
1    orange
dtype: object

可以使用take方法存储原始的字符串Series：

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In [19]: dim.take(values)
Out[19]: 
0     apple
1    orange
0     apple
0     apple
0     apple
1    orange
0     apple
0     apple
dtype: object

这种用整数表示的方法称为分类或字典编码表示法。不同值得数组称为分类、字典或数据级。本书中，我们使用分类的说法。表示分类的整数值称为分类编码或简单地称为编码。

分类表示可以在进行分析时大大的提高性能。你也可以在保持编码不变的情况下，对分类进行转换。一些相对简单的转变例子包括：

  • 重命名分类。
  • 加入一个新的分类，不改变已经存在的分类的顺序或位置。

pandas的分类类型

pandas有一个特殊的分类类型，用于保存使用整数分类表示法的数据。看一个之前的Series例子：

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In [20]: fruits = ['apple', 'orange', 'apple', 'apple'] * 2

In [21]: N = len(fruits)

In [22]: df = pd.DataFrame({'fruit': fruits,
   ....:                    'basket_id': np.arange(N),
   ....:                    'count': np.random.randint(3, 15, size=N),
   ....:                    'weight': np.random.uniform(0, 4, size=N)},
   ....:                   columns=['basket_id', 'fruit', 'count', 'weight'])

In [23]: df
Out[23]: 
   basket_id   fruit  count    weight
0          0   apple      5  3.858058
1          1  orange      8  2.612708
2          2   apple      4  2.995627
3          3   apple      7  2.614279
4          4   apple     12  2.990859
5          5  orange      8  3.845227
6          6   apple      5  0.033553
7          7   apple      4  0.425778

这里，df['fruit']是一个Python字符串对象的数组。我们可以通过调用它，将它转变为分类：

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In [24]: fruit_cat = df['fruit'].astype('category')

In [25]: fruit_cat
Out[25]: 
0     apple
1    orange
2     apple
3     apple
4     apple
5    orange
6     apple
7     apple
Name: fruit, dtype: category
Categories (2, object): [apple, orange]

fruit_cat的值不是NumPy数组，而是一个pandas.Categorical实例：

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In [26]: c = fruit_cat.values

In [27]: type(c)
Out[27]: pandas.core.categorical.Categorical

分类对象有categories和codes属性：

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In [28]: c.categories
Out[28]: Index(['apple', 'orange'], dtype='object')

In [29]: c.codes
Out[29]: array([0, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0], dtype=int8)

你可将DataFrame的列通过分配转换结果，转换为分类：

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In [30]: df['fruit'] = df['fruit'].astype('category')

In [31]: df.fruit
Out[31]:
0     apple
1    orange
2     apple
3     apple
4     apple
5    orange
6     apple
7     apple
Name: fruit, dtype: category
Categories (2, object): [apple, orange]

你还可以从其它Python序列直接创建pandas.Categorical：

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In [32]: my_categories = pd.Categorical(['foo', 'bar', 'baz', 'foo', 'bar'])

In [33]: my_categories
Out[33]: 
[foo, bar, baz, foo, bar]
Categories (3, object): [bar, baz, foo]

如果你已经从其它源获得了分类编码，你还可以使用from_codes构造器：

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In [34]: categories = ['foo', 'bar', 'baz']

In [35]: codes = [0, 1, 2, 0, 0, 1]

In [36]: my_cats_2 = pd.Categorical.from_codes(codes, categories)

In [37]: my_cats_2
Out[37]: 
[foo, bar, baz, foo, foo, bar]
Categories (3, object): [foo, bar, baz]

与显示指定不同，分类变换不认定指定的分类顺序。因此取决于输入数据的顺序，categories数组的顺序会不同。当使用from_codes或其它的构造器时，你可以指定分类一个有意义的顺序：

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In [38]: ordered_cat = pd.Categorical.from_codes(codes, categories,
   ....:                                         ordered=True)

In [39]: ordered_cat
Out[39]: 
[foo, bar, baz, foo, foo, bar]
Categories (3, object): [foo < bar < baz]

输出[foo < bar < baz]指明‘foo’位于‘bar’的前面，以此类推。无序的分类实例可以通过as_ordered排序：

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In [40]: my_cats_2.as_ordered()
Out[40]: 
[foo, bar, baz, foo, foo, bar]
Categories (3, object): [foo < bar < baz]

最后要注意，分类数据不需要字符串，尽管我仅仅展示了字符串的例子。分类数组可以包括任意不可变类型。

用分类进行计算

与非编码版本（比如字符串数组）相比，使用pandas的Categorical有些类似。某些pandas组件，比如groupby函数，更适合进行分类。还有一些函数可以使用有序标志位。

来看一些随机的数值数据，使用pandas.qcut面元函数。它会返回pandas.Categorical，我们之前使用过pandas.cut，但没解释分类是如何工作的：

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In [41]: np.random.seed(12345)

In [42]: draws = np.random.randn(1000)

In [43]: draws[:5]
Out[43]: array([-0.2047,  0.4789, -0.5194, -0.5557,  1.9658])

计算这个数据的分位面元，提取一些统计信息：

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In [44]: bins = pd.qcut(draws, 4)

In [45]: bins
Out[45]: 
[(-0.684, -0.0101], (-0.0101, 0.63], (-0.684, -0.0101], (-0.684, -0.0101], (0.63,
 3.928], ..., (-0.0101, 0.63], (-0.684, -0.0101], (-2.95, -0.684], (-0.0101, 0.63
], (0.63, 3.928]]
Length: 1000
Categories (4, interval[float64]): [(-2.95, -0.684] < (-0.684, -0.0101] < (-0.010
1, 0.63] <
                                    (0.63, 3.928]]

虽然有用，确切的样本分位数与分位的名称相比，不利于生成汇总。我们可以使用labels参数qcut，实现目的：

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In [46]: bins = pd.qcut(draws, 4, labels=['Q1', 'Q2', 'Q3', 'Q4'])

In [47]: bins
Out[47]: 
[Q2, Q3, Q2, Q2, Q4, ..., Q3, Q2, Q1, Q3, Q4]
Length: 1000
Categories (4, object): [Q1 < Q2 < Q3 < Q4]

In [48]: bins.codes[:10]
Out[48]: array([1, 2, 1, 1, 3, 3, 2, 2, 3, 3], dtype=int8)

加上标签的面元分类不包含数据面元边界的信息，因此可以使用groupby提取一些汇总信息：

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In [49]: bins = pd.Series(bins, name='quartile')

In [50]: results = (pd.Series(draws)
   ....:            .groupby(bins)
   ....:            .agg(['count', 'min', 'max'])
   ....:            .reset_index())

In [51]: results
Out[51]: 
  quartile  count       min       max
0       Q1    250 -2.949343 -0.685484
1       Q2    250 -0.683066 -0.010115
2       Q3    250 -0.010032  0.628894
3       Q4    250  0.634238  3.927528

分位数列保存了原始的面元分类信息，包括排序：

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In [52]: results['quartile']
Out[52]:
0    Q1
1    Q2
2    Q3
3    Q4
Name: quartile, dtype: category
Categories (4, object): [Q1 < Q2 < Q3 < Q4]

用分类提高性能

如果你是在一个特定数据集上做大量分析，将其转换为分类可以极大地提高效率。DataFrame列的分类使用的内存通常少的多。来看一些包含一千万元素的Series，和一些不同的分类：

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In [53]: N = 10000000

In [54]: draws = pd.Series(np.random.randn(N))

In [55]: labels = pd.Series(['foo', 'bar', 'baz', 'qux'] * (N // 4))

现在，将标签转换为分类：

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In [56]: categories = labels.astype('category')

这时，可以看到标签使用的内存远比分类多：

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In [57]: labels.memory_usage()
Out[57]: 80000080

In [58]: categories.memory_usage()
Out[58]: 10000272

转换为分类不是没有代价的，但这是一次性的代价：

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In [59]: %time _ = labels.astype('category')
CPU times: user 490 ms, sys: 240 ms, total: 730 ms
Wall time: 726 ms

GroupBy使用分类操作明显更快，是因为底层的算法使用整数编码数组，而不是字符串数组。

分类方法

包含分类数据的Series有一些特殊的方法，类似于Series.str字符串方法。它还提供了方便的分类和编码的使用方法。看下面的Series：

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In [60]: s = pd.Series(['a', 'b', 'c', 'd'] * 2)

In [61]: cat_s = s.astype('category')

In [62]: cat_s
Out[62]: 
0    a
1    b
2    c
3    d
4    a
5    b
6    c
7    d
dtype: category
Categories (4, object): [a, b, c, d]

特别的cat属性提供了分类方法的入口：

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In [63]: cat_s.cat.codes
Out[63]: 
0    0
1    1
2    2
3    3
4    0
5    1
6    2
7    3
dtype: int8

In [64]: cat_s.cat.categories
Out[64]: Index(['a', 'b', 'c', 'd'], dtype='object')

假设我们知道这个数据的实际分类集，超出了数据中的四个值。我们可以使用set_categories方法改变它们：

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In [65]: actual_categories = ['a', 'b', 'c', 'd', 'e']

In [66]: cat_s2 = cat_s.cat.set_categories(actual_categories)

In [67]: cat_s2
Out[67]: 
0    a
1    b
2    c
3    d
4    a
5    b
6    c
7    d
dtype: category
Categories (5, object): [a, b, c, d, e]

虽然数据看起来没变，新的分类将反映在它们的操作中。例如，如果有的话，value_counts表示分类：

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In [68]: cat_s.value_counts()
Out[68]: 
d    2
c    2
b    2
a    2
dtype: int64

In [69]: cat_s2.value_counts()
Out[69]: 
d    2
c    2
b    2
a    2
e    0
dtype: int64

在大数据集中，分类经常作为节省内存和高性能的便捷工具。过滤完大DataFrame或Series之后，许多分类可能不会出现在数据中。我们可以使用remove_unused_categories方法删除没看到的分类：

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In [70]: cat_s3 = cat_s[cat_s.isin(['a', 'b'])]

In [71]: cat_s3
Out[71]: 
0    a
1    b
4    a
5    b
dtype: category
Categories (4, object): [a, b, c, d]

In [72]: cat_s3.cat.remove_unused_categories()
Out[72]: 
0    a
1    b
4    a
5    b
dtype: category
Categories (2, object): [a, b]

表12-1列出了可用的分类方法。

表12-1 pandas的Series的分类方法

为建模创建虚拟变量

当你使用统计或机器学习工具时，通常会将分类数据转换为虚拟变量，也称为one-hot编码。这包括创建一个不同类别的列的DataFrame；这些列包含给定分类的1s，其它为0。

看前面的例子：

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In [73]: cat_s = pd.Series(['a', 'b', 'c', 'd'] * 2, dtype='category')

前面的第7章提到过，pandas.get_dummies函数可以转换这个分类数据为包含虚拟变量的DataFrame：

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In [74]: pd.get_dummies(cat_s)
Out[74]: 
   a  b  c  d
0  1  0  0  0
1  0  1  0  0
2  0  0  1  0
3  0  0  0  1
4  1  0  0  0
5  0  1  0  0
6  0  0  1  0
7  0  0  0  1

12.2 GroupBy高级应用

尽管我们在第10章已经深度学习了Series和DataFrame的Groupby方法，还有一些方法也是很有用的。

分组转换和“解封”GroupBy

在第10章，我们在分组操作中学习了apply方法，进行转换。还有另一个transform方法，它与apply很像，但是对使用的函数有一定限制：

  • 它可以产生向分组形状广播标量值
  • 它可以产生一个和输入组形状相同的对象
  • 它不能修改输入

来看一个简单的例子：

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In [75]: df = pd.DataFrame({'key': ['a', 'b', 'c'] * 4,
   ....:                    'value': np.arange(12.)})

In [76]: df
Out[76]: 
   key  value
0    a    0.0
1    b    1.0
2    c    2.0
3    a    3.0
4    b    4.0
5    c    5.0
6    a    6.0
7    b    7.0
8    c    8.0
9    a    9.0
10   b   10.0
11   c   11.0

按键进行分组：

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In [77]: g = df.groupby('key').value

In [78]: g.mean()
Out[78]: 
key
a    4.5
b    5.5
c    6.5
Name: value, dtype: float64

假设我们想产生一个和df['value']形状相同的Series，但值替换为按键分组的平均值。我们可以传递函数lambda x: x.mean()进行转换：

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In [79]: g.transform(lambda x: x.mean())
Out[79]: 
0     4.5
1     5.5
2     6.5
3     4.5
4     5.5
5     6.5
6     4.5
7     5.5
8     6.5
9     4.5
10    5.5
11    6.5
Name: value, dtype: float64

对于内置的聚合函数，我们可以传递一个字符串假名作为GroupBy的agg方法：

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In [80]: g.transform('mean')
Out[80]: 
0     4.5
1     5.5
2     6.5
3     4.5
4     5.5
5     6.5
6     4.5
7     5.5
8     6.5
9     4.5
10    5.5
11    6.5
Name: value, dtype: float64

与apply类似，transform的函数会返回Series，但是结果必须与输入大小相同。举个例子，我们可以用lambda函数将每个分组乘以2：

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In [81]: g.transform(lambda x: x * 2)
Out[81]: 
0      0.0
1      2.0
2      4.0
3      6.0
4      8.0
5     10.0
6     12.0
7     14.0
8     16.0
9     18.0
10    20.0
11    22.0
Name: value, dtype: float64

再举一个复杂的例子，我们可以计算每个分组的降序排名：

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In [82]: g.transform(lambda x: x.rank(ascending=False))
Out[82]: 
0     4.0
1     4.0
2     4.0
3     3.0
4     3.0
5     3.0
6     2.0
7     2.0
8     2.0
9     1.0
10    1.0
11    1.0
Name: value, dtype: float64

看一个由简单聚合构造的的分组转换函数：

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def normalize(x):
    return (x - x.mean()) / x.std()

我们用transform或apply可以获得等价的结果：

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In [84]: g.transform(normalize)
Out[84]: 
0    -1.161895
1    -1.161895
2    -1.161895
3    -0.387298
4    -0.387298
5    -0.387298
6     0.387298
7     0.387298
8     0.387298
9     1.161895
10    1.161895
11    1.161895
Name: value, dtype: float64

In [85]: g.apply(normalize)
Out[85]: 
0    -1.161895
1    -1.161895
2    -1.161895
3    -0.387298
4    -0.387298
5    -0.387298
6     0.387298
7     0.387298
8     0.387298
9     1.161895
10    1.161895
11    1.161895
Name: value, dtype: float64

内置的聚合函数，比如mean或sum，通常比apply函数快，也比transform快。这允许我们进行一个所谓的解封（unwrapped）分组操作：

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In [86]: g.transform('mean')
Out[86]: 
0     4.5
1     5.5
2     6.5
3     4.5
4     5.5
5     6.5
6     4.5
7     5.5
8     6.5
9     4.5
10    5.5
11    6.5
Name: value, dtype: float64

In [87]: normalized = (df['value'] - g.transform('mean')) / g.transform('std')

In [88]: normalized
Out[88]: 
0    -1.161895
1    -1.161895
2    -1.161895
3    -0.387298
4    -0.387298
5    -0.387298
6     0.387298
7     0.387298
8     0.387298
9     1.161895
10    1.161895
11    1.161895
Name: value, dtype: float64

解封分组操作可能包括多个分组聚合，但是矢量化操作还是会带来收益。

分组的时间重采样

对于时间序列数据，resample方法从语义上是一个基于内在时间的分组操作。下面是一个示例表：

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In [89]: N = 15

In [90]: times = pd.date_range('2017-05-20 00:00', freq='1min', periods=N)

In [91]: df = pd.DataFrame({'time': times,
   ....:                    'value': np.arange(N)})

In [92]: df
Out[92]: 
                  time  value
0  2017-05-20 00:00:00      0
1  2017-05-20 00:01:00      1
2  2017-05-20 00:02:00      2
3  2017-05-20 00:03:00      3
4  2017-05-20 00:04:00      4
5  2017-05-20 00:05:00      5
6  2017-05-20 00:06:00      6
7  2017-05-20 00:07:00      7
8  2017-05-20 00:08:00      8
9  2017-05-20 00:09:00      9
10 2017-05-20 00:10:00     10
11 2017-05-20 00:11:00     11
12 2017-05-20 00:12:00     12
13 2017-05-20 00:13:00     13
14 2017-05-20 00:14:00     14

这里，我们可以用time作为索引，然后重采样：

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In [93]: df.set_index('time').resample('5min').count()
Out[93]: 
                     value
time                      
2017-05-20 00:00:00      5
2017-05-20 00:05:00      5
2017-05-20 00:10:00      5

假设DataFrame包含多个时间序列，用一个额外的分组键的列进行标记：

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In [94]: df2 = pd.DataFrame({'time': times.repeat(3),
   ....:                     'key': np.tile(['a', 'b', 'c'], N),
   ....:                     'value': np.arange(N * 3.)})

In [95]: df2[:7]
Out[95]: 
  key                time  value
0   a 2017-05-20 00:00:00    0.0
1   b 2017-05-20 00:00:00    1.0
2   c 2017-05-20 00:00:00    2.0
3   a 2017-05-20 00:01:00    3.0
4   b 2017-05-20 00:01:00    4.0
5   c 2017-05-20 00:01:00    5.0
6   a 2017-05-20 00:02:00    6.0

要对每个key值进行相同的重采样，我们引入pandas.TimeGrouper对象：

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In [96]: time_key = pd.TimeGrouper('5min')

我们然后设定时间索引，用key和time_key分组，然后聚合：

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In [97]: resampled = (df2.set_index('time')
   ....:              .groupby(['key', time_key])
   ....:              .sum())

In [98]: resampled
Out[98]: 
                         value
key time                      
a   2017-05-20 00:00:00   30.0
    2017-05-20 00:05:00  105.0
    2017-05-20 00:10:00  180.0
b   2017-05-20 00:00:00   35.0
    2017-05-20 00:05:00  110.0
    2017-05-20 00:10:00  185.0
c   2017-05-20 00:00:00   40.0
    2017-05-20 00:05:00  115.0
    2017-05-20 00:10:00  190.0

In [99]: resampled.reset_index()
Out[99]:
key                time  value
0   a 2017-05-20 00:00:00   30.0
1   a 2017-05-20 00:05:00  105.0
2   a 2017-05-20 00:10:00  180.0
3   b 2017-05-20 00:00:00   35.0
4   b 2017-05-20 00:05:00  110.0
5   b 2017-05-20 00:10:00  185.0
6   c 2017-05-20 00:00:00   40.0
7   c 2017-05-20 00:05:00  115.0
8   c 2017-05-20 00:10:00  190.0

使用TimeGrouper的限制是时间必须是Series或DataFrame的索引。

12.3 链式编程技术

当对数据集进行一系列变换时，你可能发现创建的多个临时变量其实并没有在分析中用到。看下面的例子：

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df = load_data()
df2 = df[df['col2'] < 0]
df2['col1_demeaned'] = df2['col1'] - df2['col1'].mean()
result = df2.groupby('key').col1_demeaned.std()

虽然这里没有使用真实的数据，这个例子却指出了一些新方法。首先，DataFrame.assign方法是一个df[k] = v形式的函数式的列分配方法。它不是就地修改对象，而是返回新的修改过的DataFrame。因此，下面的语句是等价的：

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# Usual non-functional way
df2 = df.copy()
df2['k'] = v

# Functional assign way
df2 = df.assign(k=v)

就地分配可能会比assign快，但是assign可以方便地进行链式编程：

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result = (df2.assign(col1_demeaned=df2.col1 - df2.col2.mean())
          .groupby('key')
          .col1_demeaned.std())

我使用外括号，这样便于添加换行符。

使用链式编程时要注意，你可能会需要涉及临时对象。在前面的例子中，我们不能使用load_data的结果，直到它被赋值给临时变量df。为了这么做，assign和许多其它pandas函数可以接收类似函数的参数，即可调用对象（callable）。为了展示可调用对象，看一个前面例子的片段：

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df = load_data()
df2 = df[df['col2'] < 0]

它可以重写为：

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df = (load_data()
      [lambda x: x['col2'] < 0])

这里，load_data的结果没有赋值给某个变量，因此传递到[ ]的函数在这一步被绑定到了对象。

我们可以把整个过程写为一个单链表达式：

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result = (load_data()
          [lambda x: x.col2 < 0]
          .assign(col1_demeaned=lambda x: x.col1 - x.col1.mean())
          .groupby('key')
          .col1_demeaned.std())

是否将代码写成这种形式只是习惯而已，将它分开成若干步可以提高可读性。

管道方法

你可以用Python内置的pandas函数和方法，用带有可调用对象的链式编程做许多工作。但是，有时你需要使用自己的函数，或是第三方库的函数。这时就要用到管道方法。

看下面的函数调用：

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a = f(df, arg1=v1)
b = g(a, v2, arg3=v3)
c = h(b, arg4=v4)

当使用接收、返回Series或DataFrame对象的函数式，你可以调用pipe将其重写：

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result = (df.pipe(f, arg1=v1)
          .pipe(g, v2, arg3=v3)
          .pipe(h, arg4=v4))

f(df)和df.pipe(f)是等价的，但是pipe使得链式声明更容易。

pipe的另一个有用的地方是提炼操作为可复用的函数。看一个从列减去分组方法的例子：

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g = df.groupby(['key1', 'key2'])
df['col1'] = df['col1'] - g.transform('mean')

假设你想转换多列，并修改分组的键。另外，你想用链式编程做这个转换。下面就是一个方法：

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def group_demean(df, by, cols):
    result = df.copy()
    g = df.groupby(by)
    for c in cols:
        result[c] = df[c] - g[c].transform('mean')
    return result

然后可以写为：

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result = (df[df.col1 < 0]
          .pipe(group_demean, ['key1', 'key2'], ['col1']))

12.4 总结

和其它许多开源项目一样，pandas仍然在不断的变化和进步中。和本书中其它地方一样，这里的重点是放在接下来几年不会发生什么改变且稳定的功能。

为了深入学习pandas的知识，我建议你学习官方文档，并阅读开发团队发布的文档更新。我们还邀请你加入pandas的开发工作：修改bug、创建新功能、完善文档。