作者：周秉誼 / Tomofun 資深技術經理
List comprehensions是一個Python提供的語法結構，可以讓程式開發人員用更精簡、更有效率的方式從一個list，產生出另一個list。在Python中除了list之外，comprehension的語法，還可以用在dict和set等資料結構的生成。如果使用得當可以大幅簡化程式碼，增進可讀性，更可能提升程式的運算效能。
前言
Python是非常容易學習的程式語言，不只可以運用在日常工作的自動化、作為網路服務的後端(Backend)程式，語法也十分容易閱讀及理解，相同功能的程式碼通常會有多種不同的表達方式，選擇適當語法改寫之後，可以大幅提升程式碼的可讀性和執行效率。
List comprehensions就是一個Python提供的語法結構，可以讓程式開發人員用更精簡、更有效率的方式從一個list，產生出另一個list。除了list之外，這樣的語法在Python中，還可以用在dict和set等資料結構的生成。
list comprehension歷史
list comprehension的概念並不是Python所獨創的，在1970年代的程式語言中，就可以看到類似的概念和語法，並在1980年代之後影響了包括Haskell在內的Functional programming程式語言。list comprehension的語法是由數學上用來建構集合的set-builder表達式所衍伸而來，而set-builder表達式最明顯的特徵就是頭尾的兩個大括號(curly brackets)所組成，在兩個大括號之間指明變數(variable)和條件(condiction)，就可以描述一個集合了。
list comprehension語法
在Python中的list comprehension，是在2000年時的PEP 202中提出來的。配合Python語言中list的表達式是以中括號(square brackets)來描述，所以Python中list comprehension的頭尾是由中括號組成，在兩個中括號之間包括了三個部份，輸出(output)、資料容器(collection)、及條件(condiction)。使用list comprehension的語法就可以產生出一個list。輸出部份是由一個表達式(Expression)所組成，用來表達生成的list中各個元素的內容，可以是簡單的數學運算或是函式呼叫(function call)的回傳值(return value)。資料容器部份一定會由for關鍵字從某個資料容器或生成函式(generator)中取出各個元素來進行條件判斷和輸出的計算。條件部份是選擇性的，如果資料容器中的每個元素都要放進生成的list，則可以省略條件的部份。
圖1. Comprehension語法及範例
list comprehension優點
在Python中使用list comprehension，主要有兩個好處，第一個是程式碼可以變得較為簡潔，使得可讀性提高；另外在需要產生list的情境之下，使用list comprehension的程式運作效率會比使用for loop及list的append()函式來得好，因為list comprehension會使用更低階的bytecode指令來建造新的list，而for loop版本的append()函式呼叫會花費更高的計算成本。在某種程度上，list comprehension的功能就像是map()和filter()函式的綜合體，可以在一個表達式中同時完成map()及filter()函式的功能。
以常見的排序演算法Quick Sort為例，使用list comprehension的語法可以讓程式變得十分簡潔。Quick Sort中，將陣列中的元素以pivot為準分為大於和小於的兩群是相當麻煩的，然而使用list comprehension產生兩個新的list分別存放，雖然付出了額外的比較計算和記憶體空間，但整體可讀性大為提升了。
list comprehension也可以用來產生巢狀(nested)list，這個功能在生成二維陣列的時候非常好用。在同一個list comprehension的大括號之間，也可以放進多個資料容器進行多層的巢狀處理，資料的索引(index)會由較後面的資料容器先開始變動。除了list comprehension之外，Python在2.7以上的版本也提供了dict comprehension及set comprehension，只是將頭尾的大括號換成dict及set資料結構表達式中的大括號，其中一樣是分為輸出、資料容器、及條件等三個部份。
圖2. 使用For loop及list comprehension範例
圖3. Quick Sort使用list comprehension範例
圖4. 使用list comprehension產生巢狀list
圖5. 使用list comprehension對兩個資料容器進行處理
結語
list comprehension在Python程式開發上，是非常好用的語法，如果使用得當可以大幅簡化程式碼，增進可讀性，更可能提升程式的運算效能。在Python中最常使用的三種資料結構list、dict、及set都可以使用相對應的comprehension語法，也讓comprehension的實用性更高。只是comprehension的強頂在於要生成新的資料容器，如果只是要對list中的每一個元素進行處理、但不需要將結果儲存時，使用comprehension就不見得是最好的選擇。
參考資料
- https://docs.python.org/3/tutorial/datastructures.html#list-comprehensions
- https://peps.python.org/pep-0202/