pandas之SQL类操作

一、pandas数据

pandas有两类数据，一种是一维的Series；另一种是二维的DataFrame。其实还有一个三维的Panel，不过这种数据分类已经废弃。pandas的数据使用比较灵活，可以像SQL一样操作。本文结合示例说下pandas的操作。

• Series，1维序列，可视作为没有column名的、只有一个column的DataFrame； 
• DataFrame，同Spark SQL中的DataFrame一样，其概念来自于R语言，为多column并schema化的2维结构化数据，可视作为Series的容器（container）。

生成示例数据：

import pandas as pd
import numpy as np
df = pd.DataFrame({'total_bill': [16.99, 10.34, 23.68, 23.68, 24.59],
                   'tip': [1.01, 1.66, 3.50, 3.31, 3.61],
                   'sex': ['Female', 'Male', 'Male', 'Male', 'Female']})

DataFrame有如下属性：

# data type of columns  列数据类型
df.dtypes
# indexes  行索引
df.index
# return pandas.Index  列名称（label）
df.columns
# each row, return array[array]
df.values
# a tuple representing the dimensionality of df  行列数（元祖）
df.shape

二、SQL操作

1、select选取

SQL中的select是根据列的名称来选取；Pandas则更为灵活，不但可根据列名称选取，还可以根据列所在的position选取。相关函数如下：

loc，基于列label，可选取特定行（根据行index）；
iloc，基于行/列的position；
at，根据指定行index及列label，快速定位DataFrame的元素；
iat，与at类似，不同的是根据position来定位的；
ix，为loc与iloc的混合体，既支持label也支持position；

示例：

df.loc[1:3, ['total_bill', 'tip']]
df.loc[1:3, 'tip': 'total_bill']
df.iloc[1:3, [1, 2]]
df.iloc[1:3, 1: 3]
df.at[3, 'tip']
df.iat[3, 1]
df.ix[1:3, [1, 2]]
df.ix[1:3, ['total_bill', 'tip']]
df[1: 3]
df[['total_bill', 'tip']]
# df[1:2, ['total_bill', 'tip']]  # TypeError: unhashable type

在新的版本中取消了df.ix操作。

2、where条件选取

Pandas实现where filter，较为常用的办法为df[df[colunm] boolean expr]，比如：

df[df['sex'] == 'Female']
df[df['total_bill'] > 20]
# or
df.query('total_bill > 20')

在where子句中常常会搭配and, or, in, not关键词，Pandas中也有对应的实现：

# and
df[(df['sex'] == 'Female') & (df['total_bill'] > 20)]
# or
df[(df['sex'] == 'Female') | (df['total_bill'] > 20)]
# in
df[df['total_bill'].isin([21.01, 23.68, 24.59])]
# not
df[-(df['sex'] == 'Male')]
df[-df['total_bill'].isin([21.01, 23.68, 24.59])]
# string function
df = df[(-df['app'].isin(sys_app)) & (-df.app.str.contains('^微信\d+$'))]

对where条件筛选后只有一行的dataframe取其中某一列的值，其两种实现方式如下：

total = df.loc[df['tip'] == 1.66, 'total_bill'].values[0]
total = df.get_value(df.loc[df['tip'] == 1.66].index.values[0], 'total_bill')

3、distinct去重

drop_duplicates根据某列对dataframe进行去重：

df.drop_duplicates(subset=['sex'], keep='first', inplace=True)

包含参数：

• subset，为选定的列做distinct，默认为所有列；
• keep，值选项{‘first’, ‘last’, False}，保留重复元素中的第一个、最后一个，或全部删除；
• inplace ，默认为False，返回一个新的dataframe；若为True，则返回去重后的原dataframe

4、group聚合统计

group一般会配合合计函数（Aggregate functions）使用，比如：count、avg等。Pandas对合计函数的支持有限，有count和size函数实现SQL的count：

df.groupby('sex').size()
df.groupby('sex').count()
df.groupby('sex')['tip'].count()

对于多合计函数

select sex, max(tip), sum(total_bill) as total
from tips_tb
group by sex;

实现在agg()中指定dict：

df.groupby('sex').agg({'tip': np.max, 'total_bill': np.sum})
# count(distinct **)
df.groupby('tip').agg({'sex': pd.Series.nunique})

5、as别名

SQL中使用as修改列的别名，Pandas也支持这种修改：

# first implementation
df.columns = ['total', 'pit', 'xes']
# second implementation
df.rename(columns={'total_bill': 'total', 'tip': 'pit', 'sex': 'xes'}, inplace=True)

其中，第一种方法的修改是有问题的，因为其是按照列position逐一替换的。因此，我推荐第二种方法。

6、join

Pandas中join的实现也有两种：

# 1.
df.join(df2, how='left'...)
# 2.
pd.merge(df1, df2, how='left', left_on='app', right_on='app')

第一种方法是按DataFrame的index进行join的，而第二种方法才是按on指定的列做join。Pandas满足left、right、inner、full outer四种join方式。这个在之前的系列文章中已有说明。

7、order排序

Pandas中支持多列order，并可以调整不同列的升序/降序，有更高的排序自由度：

df.sort_values(['total_bill', 'tip'], ascending=[False, True])

8、top分组

全局的top：

df.nlargest(3, columns=['total_bill'])

对于分组top，MySQL的实现（采用自join的方式）：

select a.sex, a.tip
from tips_tb a
where (
	select count(*)
	from tips_tb b
	where b.sex = a.sex and b.tip > a.tip
) < 2
order by a.sex, a.tip desc;

Pandas的等价实现，思路与上类似：

# 1.
df.assign(rn=df.sort_values(['total_bill'], ascending=False)
          .groupby('sex')
          .cumcount()+1)\
    .query('rn < 3')\
    .sort_values(['sex', 'rn'])
# 2.
df.assign(rn=df.groupby('sex')['total_bill']
          .rank(method='first', ascending=False)) \
    .query('rn < 3') \
    .sort_values(['sex', 'rn'])

9、replace

replace函数提供对dataframe全局修改，亦可通过where条件进行过滤修改（搭配loc）：

# overall replace
df.replace(to_replace='Female', value='Sansa', inplace=True)
# dict replace
df.replace({'sex': {'Female': 'Sansa', 'Male': 'Leone'}}, inplace=True)
# replace on where condition
df.loc[df.sex == 'Male', 'sex'] = 'Leone'

10、自定义

除了上述SQL操作外，Pandas提供对每列/每一元素做自定义操作，为此而设计以下三个函数：

• map(func)，为Series的函数，DataFrame不能直接调用，需取列后再调用； 
• apply(func)，对DataFrame中的某一行/列进行func操作； 
• applymap(func)，为element-wise函数，对每一个元素做func操作

df['tip'].map(lambda x: x - 1)
df[['total_bill', 'tip']].apply(sum)
df.applymap(lambda x: x.upper() if type(x) is str else x)

三、实例

1、环比增长

现有两个月APP的UV数据，要得到月UV环比增长；该操作等价于两个Dataframe left join后按指定列做减操作：

def chain(current, last):
    df1 = pd.read_csv(current, names=['app', 'tag', 'uv'], sep='\t')
    df2 = pd.read_csv(last, names=['app', 'tag', 'uv'], sep='\t')
    df3 = pd.merge(df1, df2, how='left', on='app')
    df3['uv_y'] = df3['uv_y'].map(lambda x: 0.0 if pd.isnull(x) else x)
    df3['growth'] = df3['uv_x'] - df3['uv_y']
    return df3[['app', 'growth', 'uv_x', 'uv_y']].sort_values(by='growth', ascending=False)

2、差集

对于给定的列，一个Dataframe过滤另一个Dataframe该列的值；相当于集合的差集操作：

def difference(left, right, on):
    """
    difference of two dataframes
    :param left: left dataframe
    :param right: right dataframe
    :param on: join key
    :return: difference dataframe
    """
    df = pd.merge(left, right, how='left', on=on)
    left_columns = left.columns
    col_y = df.columns[left_columns.size]
    df = df[df[col_y].isnull()]
    df = df.ix[:, 0:left_columns.size]
    df.columns = left_columns
    return df

参考手册页面：

https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/getting_started/comparison/comparison_with_sql.html

https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/reference/api/pandas.DataFrame.drop_duplicates.html

https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/reference/api/pandas.DataFrame.replace.html