Python字符串格式化问题：%、format()与f-strings

本文为译文，原文 by Joanna Jablonski，地址： https:// realpython.com/python-f -strings/

Python 3.6 引入了新的字符串格式化方式 f-strings，与其它格式化方式相比，不仅简洁明了，可读性更好，更不容易出错，而且运行效率也更高。

你应该马上开始使用这种新的格式化方式，本文将解释其原因与具体用法。

但在此之前，让我们先看一下 f-strings 之前的字符串格式化方式。

Python 字符串格式化的“旧式”做法

在 Python 3.6 之前，把 Python 表达式嵌入字符串，主要有两种方式： % 或 str.format() 。它们的用法与主要不足如下：

选项1：使用 %

这是最原始的、 Python 官方指南所用的格式化方式，相关信息可以阅读 官方文档 。值得注意的是，官方文档其实并不推荐使用这种方式，相关说明如下：

“此处描述的格式化操作存在一些奇怪之处，容易导致一些常见错误（比如无法正确格式化元组与字典等）。
使用新的格式化方式或 str.format() 函数可以避免这些错误。这些格式化方式不仅更强大，而且更灵活，更易于扩展。 ( 来源 )

如何使用 % 进行格式化

字符串对象有一个内建操作符 % ，可以用于格式化操作，具体用法如下：

>>> name = "Eric"
>>> "Hello, %s." % name
'Hello, Eric.'

如果要在字符串中嵌入多个变量，则必须使用元组，例如：

>>> name = "Eric">>> age = 74
>>> "Hello, %s. You are %s." % (name, age)
'Hello Eric. You are 74.'

% 格式化的问题

上面的代码看起来还不错，但如果在更长的字符串中嵌入更多变量，代码的可读性就会成为一个问题：

>>> first_name = "Eric"
>>> last_name = "Idle"
>>> age = 74
>>> profession = "comedian"
>>> affiliation = "Monty Python"
>>> "Hello, %s %s. You are %s. You are a %s. You were a member of %s." % (first_name, last_name, age, profession, affiliation)
'Hello, Eric Idle. You are 74. You are a comedian. You were a member of Monty Python.'

因此，这种格式化方式的主要问题是过于繁琐，容易出错，不能正确格式化元组与字典。

选项2：str.format()

这种方式是在 Python 2.6 引入的，可以在 官方文档 找到相关介绍。

str.format() 的用法

str.format() 方式是对 % 方式的一次改进。用户可以通过修改对象的 __format__() 方法来自定义 格式化方式 。

通过大括号，我们可以在字符串中嵌入变量：

>>> "Hello, {}. You are {}.".format(name, age)
'Hello, Eric. You are 74.'

也可以指定变量的引用顺序：

>>> "Hello, {1}. You are {0}.".format(age, name)
'Hello, Eric. You are 74.'

或者直接使用变量名称：

>>> person = {'name': 'Eric', 'age': 74}
>>> "Hello, {name}. You are {age}.".format(name=person['name'], age=person['age'])
'Hello, Eric. You are 74.'

在引用字典时，可以用 ** 操作符进行字典拆包：

>>> person = {'name': 'Eric', 'age': 74}
>>> "Hello, {name}. You are {age}.".format(**person)
'Hello, Eric. You are 74.'

总的来说， str.format() 是 % 格式化方式的一次升级，但依然存在一些问题。

str.format() 的问题

和 % 方式相比，使用 str.format() 的代码可读性要好很多。但如果在较长的字符串中嵌入多个变量，依然会显得繁琐：

>>> first_name = "Eric"
>>> last_name = "Idle"
>>> age = 74
>>> profession = "comedian"
>>> affiliation = "Monty Python"
>>> print(("Hello, {first_name} {last_name}. You are {age}. " + 
>>>        "You are a {profession}. You were a member of {affiliation}.") \
>>>        .format(first_name=first_name, last_name=last_name, age=age, \
>>>                profession=profession, affiliation=affiliation))
'Hello, Eric Idle. You are 74. You are a comedian. You were a member of Monty Python.'

当然，如果我们提前把需要嵌入的变量放在一个字典中，就可以通过 ** 进行拆包操作，从而显得简洁一些。

但一定还存在着更好的格式化方式。

f-Strings：一种改进版格式化方式

Python 3.6 引入了新的字符串格式化方式，这种方式来自于 Eric V. Smith 在 2015 年 8 月提出的方案，具体可以参考 PEP 498 。

f-strings 也称作“格式化的字符串字面量”，它是一个带有 f 前缀的字符串，通过大括号嵌入所需的 Python 表达式，这些表达式的具体值是在运行时确定的，背后依赖的也是嵌入对象的 __format()__ 接口。查看 官方文档 可以获得更多信息。

以下是一些具体使用方式：

最简单的句法

f-strings 的句法类似于 str.format() ，但要更简洁，你可以感受一下它的可读性：

>>> name = "Eric"
>>> age = 74
>>> f"Hello, {name}. You are {age}."
'Hello, Eric. You are 74.'

前缀 f 也可以使用大写的 F 。

>>> F"Hello, {name}. You are {age}."
'Hello, Eric. You are 74.'

你是不是已经开始喜欢上这种格式化方式了？

支持任意表达式

由于 f-strings 是在运行时计算具体值的，我们得以在字符串中嵌入任意有效的 Python 表达式，从而写出更优雅的代码。

你可以使用很直接的计算式，比如说：

>>> f"{2 * 37}"
'74'

也可以在里面调用函数：

>>> def to_lowercase(input):
...     return input.lower() 
>>> name = "Eric Idle"
>>> f"{to_lowercase(name)} is funny."
'eric idle is funny.'

或者直接调用对象的方法：

>>> f"{name.lower()} is funny."
'eric idle is funny.'

甚至可以在对象的字符串方法中直接使用 f-strings，例如有以下类：

class Comedian:
    def __init__(self, first_name, last_name, age):
        self.first_name = first_name
        self.last_name = last_name
        self.age = age
     def __str__(self):
        return f"{self.first_name} {self.last_name} is {self.age}."
     def __repr__(self):
        return f"{self.first_name} {self.last_name} is {self.age}. Surprise!"

你可以有如下代码：

>>> new_comedian = Comedian("Eric", "Idle", "74")
>>> f"{new_comedian}"
'Eric Idle is 74.'

__str__() 方法与 __repr__() 方法用于处理对象的字符串显示方式，我们有必要至少定义其中一个。如果必须二选一的话，建议使用 __repr__() ，在 __str__() 方法没有定义的情况下，解释器会自动调用 __repr__() 方法。

__str__() 方法返回的是对象的非正式字符串表示，主要考虑可读性，而 __repr__() 方法返回的是对象的正式字符串表示，主要考虑精确性。调用这两个函数时，比较推荐的方式是直接使用内置函数 str() 和 repr() 。

f-strings 会默认调用对象的 __str__() 方法，如果要强制使用 __repr__() 方法，则可以在变量之后加上转换标志 !r ：

>>> f"{new_comedian}"'Eric Idle is 74.'
>>> f"{new_comedian!r}"
'Eric Idle is 74. Surprise!'

想要了解更多 f-strings 的转换问题，可以阅读 相关资料 。

多行字符串中使用 f-Strings

你可以这样定义一个多行字符串：

>>> name = "Eric"
>>> profession = "comedian"
>>> affiliation = "Monty Python"
>>> message = (
...     f"Hi {name}. "
...     f"You are a {profession}. "
...     f"You were in {affiliation}."
... )
>>> message
'Hi Eric. You are a comedian. You were in Monty Python.'

要注意的是，在每一行字符串之前，都要加上 f 前缀。以下代码是无效的：

>>> message = (
...     f"Hi {name}. "
...     "You are a {profession}. "
...     "You were in {affiliation}."
... )
>>> message
'Hi Eric. You are a {profession}. You were in {affiliation}.'

如果有需要，也可以通过反斜线 \ 拼接多行字符串：

>>> message = f"Hi {name}. " \
...           f"You are a {profession}. " \
...           f"You were in {affiliation}."
>>> message
'Hi Eric. You are a comedian. You were in Monty Python.'

但在使用 """ 时，则可能出现以下情况：

>>> message = f"""
...     Hi {name}.
...     You are a {profession}. 
...     You were in {affiliation}.
... """
>>> message
'\n    Hi Eric.\n    You are a comedian.\n    You were in Monty Python.\n'

关于代码中的缩进问题，可以参考 PEP 8 。

运行效率

f-string 中的 f 前缀也可以是 “fast” 的意思。

f-strings 比 % 和 str.format() 格式化都要快。正如之前所说，f-strings 是在运行时确定表达式的具体值的，以下是文档中的相关描述：

“F-strings 使用最简单的句法，提供了一种在字符串字面量中嵌入表达式的方式。值得注意的是，f-string 是在运行时确定表达式的值的，而不是带入一个固定值。在 Python 代码中，一个 f-string 就是一个带有 f 前缀的字符串，并通过大括号嵌入表达式，这些表达式最后将由他们的具体值取代。 ( 来源 )

代码执行时，大括号中的表达式会在其命名空间中计算具体值，并返回它与其它部分的组合结果。

以下是速度比较：

>>> import timeit
>>> timeit.timeit("""name = "Eric"
... age = 74
... '%s is %s.' % (name, age)""", number = 10000)
0.003324444866599663
>>> timeit.timeit("""name = "Eric"
... age = 74
... '{} is {}.'.format(name, age)""", number = 10000)
0.004242089427570761
>>> timeit.timeit("""name = "Eric"
... age = 74
... f'{name} is {age}.'""", number = 10000)
0.0024820892040722242

正如我们所看到的，f-strings 的效率是最高的。

其实，在最初实现时，f-strings 存在一些 效率问题 ，之后引入了一种特殊的操作码 BUILD_STRING 进行解决。

使用 f-Strings 的一些小细节

现在，我们已经了解了 f-strings 的优势，相信大家都已经准备开始使用了。以下是一些需要注意的小细节。

关于引号

我们可以在表达式中使用各种引号，但应该注意，表达式中的引号不要与外部的引号一样。

以下代码是正确的：

>>> f"{'Eric Idle'}"
'Eric Idle'

以下代码也可以运行：

>>> f'{"Eric Idle"}'
'Eric Idle'

我们也可以使用三引号：

>>> f"""Eric Idle"""
'Eric Idle'
>>> f'''Eric Idle'''
'Eric Idle'

如果确实要在字符串中使用与外部一样的引号的话，可以使用反斜线 \ 进行转义：

>>> f"The \"comedian\" is {name}, aged {age}."
'The "comedian" is Eric Idle, aged 74.'

关于字典

关于引号的问题，需要注意表达式中的字典取值。如果外部字符串使用的是单引号，字典取值就应该用双引号。

以下代码是可以工作的：

>>> comedian = {'name': 'Eric Idle', 'age': 74}
>>> f"The comedian is {comedian['name']}, aged {comedian['age']}."
The comedian is Eric Idle, aged 74.

但以下代码则会报错：

>>> comedian = {'name': 'Eric Idle', 'age': 74}
>>> f'The comedian is {comedian['name']}, aged {comedian['age']}.'
  File "<stdin>", line 1
    f'The comedian is {comedian['name']}, aged {comedian['age']}.'
SyntaxError: invalid syntax

如果在内部表达式中使用同样的引号，解释器会将其判断为字符串的结束符号。

关于大括号

如果想在表达式中使用大括号，我们必须使用两次大括号：

>>> f"{{74}}"
'{74}'

注意，使用三次大括号并不会给你两个大括号：

>>> f"{{{74}}}"
'{74}'

当然，如果使用四次，就可以给你两个大括号了：

>>> f"{{{{74}}}}"
'{{74}}'

关于反斜线符号

如之前所见，我们可以在 f-strings 的字符串部分通过反斜线对一些字符进行转义。

但是，在表达式中的反斜线是没有转义效果的：

>>> f"{\"Eric Idle\"}"
  File "<stdin>", line 1
    f"{\"Eric Idle\"}"
SyntaxError: f-string expression part cannot include a backslash

有需要时，可以提前定义一个变量来绕过这种限制：

>>> name = "Eric Idle"