类别数据#
这是对 pandas 类别数据类型的介绍，包括与 R 的 factor 的简要比较。
Categoricals 是 pandas 中对应统计学中类别变量的数据类型。类别变量取值有限且通常固定（categories；R 中称为 levels）。例如性别、社会阶层、血型、国家归属、观察时间或李克特量表评分。
与统计学中的类别变量不同，类别数据可能具有顺序（例如，“非常同意” vs “同意” 或 “第一次观察” vs “第二次观察”），但不能进行数值运算（加法、除法等）。
类别数据的 所有值 必须在 categories 中，或为 np.nan。顺序由 categories 的顺序决定，而不是值的词典顺序。内部数据结构由一个 categories 数组和一个整数数组 codes 组成，后者指向 categories 数组中的实际值。
在以下情况下，类别数据类型很有用：
一个只包含少量不同值的字符串变量。将此类字符串变量转换为类别变量可以节省一些内存，请参阅 此处。
变量的词典顺序与逻辑顺序（“一”、“二”、“三”）不同。通过转换为类别变量并指定类别顺序，排序和 min/max 操作将使用逻辑顺序而不是词典顺序，请参阅 此处。
作为信号，告知其他 Python 库此列应被视为类别变量（例如，使用合适的统计方法或绘图类型）。
另请参阅 类别数据的 API 文档。
对象创建#
Series 创建#
类别 Series 或 DataFrame 中的列可以通过多种方式创建：
在构造 Series 时指定 dtype="category"。
In [1]: s = pd.Series(["a", "b", "c", "a"], dtype="category")
In [2]: s
Out[2]:
0 a
1 b
2 c
3 a
dtype: category
Categories (3, str): ['a', 'b', 'c']
将现有的 Series 或列转换为 category 数据类型。
In [3]: df = pd.DataFrame({"A": ["a", "b", "c", "a"]})
In [4]: df["B"] = df["A"].astype("category")
In [5]: df
Out[5]:
A B
0 a a
1 b b
2 c c
3 a a
使用特殊函数，例如 cut()，该函数将数据分组到离散的箱中。请参阅文档中的 分块示例。
In [6]: df = pd.DataFrame({"value": np.random.randint(0, 100, 20)})
In [7]: labels = ["{0} - {1}".format(i, i + 9) for i in range(0, 100, 10)]
In [8]: df["group"] = pd.cut(df.value, range(0, 105, 10), right=False, labels=labels)
In [9]: df.head(10)
Out[9]:
value group
0 65 60 - 69
1 49 40 - 49
2 56 50 - 59
3 43 40 - 49
4 43 40 - 49
5 91 90 - 99
6 32 30 - 39
7 87 80 - 89
8 36 30 - 39
9 8 0 - 9
将 pandas.Categorical 对象传递给 Series 或将其分配给 DataFrame。
In [10]: raw_cat = pd.Categorical(
....: [None, "b", "c", None], categories=["b", "c", "d"], ordered=False
....: )
....:
In [11]: s = pd.Series(raw_cat)
In [12]: s
Out[12]:
0 NaN
1 b
2 c
3 NaN
dtype: category
Categories (3, str): ['b', 'c', 'd']
In [13]: df = pd.DataFrame({"A": ["a", "b", "c", "a"]})
In [14]: df["B"] = raw_cat
In [15]: df
Out[15]:
A B
0 a NaN
1 b b
2 c c
3 a NaN
类别数据具有特定的 category 数据类型。
In [16]: df.dtypes
Out[16]:
A str
B category
dtype: object
DataFrame 创建#
与上一节将单个列转换为类别的示例类似，DataFrame 中的所有列都可以在构造期间或之后批量转换为类别。
这可以通过在 DataFrame 构造函数中指定 dtype="category" 来完成。
In [17]: df = pd.DataFrame({"A": list("abca"), "B": list("bccd")}, dtype="category")
In [18]: df.dtypes
Out[18]:
A category
B category
dtype: object
请注意，每列中存在的类别是不同的；转换是逐列进行的，因此只有给定列中存在的标签才是类别。
In [19]: df["A"]
Out[19]:
0 a
1 b
2 c
3 a
Name: A, dtype: category
Categories (3, str): ['a', 'b', 'c']
In [20]: df["B"]
Out[20]:
0 b
1 c
2 c
3 d
Name: B, dtype: category
Categories (3, str): ['b', 'c', 'd']
同样，可以使用 DataFrame.astype() 批量转换现有 DataFrame 中的所有列。
In [21]: df = pd.DataFrame({"A": list("abca"), "B": list("bccd")})
In [22]: df_cat = df.astype("category")
In [23]: df_cat.dtypes
Out[23]:
A category
B category
dtype: object
此转换也是逐列进行的。
In [24]: df_cat["A"]
Out[24]:
0 a
1 b
2 c
3 a
Name: A, dtype: category
Categories (3, str): ['a', 'b', 'c']
In [25]: df_cat["B"]
Out[25]:
0 b
1 c
2 c
3 d
Name: B, dtype: category
Categories (3, str): ['b', 'c', 'd']
控制行为#
在上面传递 dtype='category' 的示例中，我们使用了默认行为：
类别是从数据中推断出来的。
类别是无序的。
要控制这些行为，请传递 'category' 的实例，而不是传递 'category' 字符串，而是使用 CategoricalDtype 的实例。
In [26]: from pandas.api.types import CategoricalDtype
In [27]: s = pd.Series([None, "b", "c", None])
In [28]: cat_type = CategoricalDtype(categories=["b", "c", "d"], ordered=True)
In [29]: s_cat = s.astype(cat_type)
In [30]: s_cat
Out[30]:
0 NaN
1 b
2 c
3 NaN
dtype: category
Categories (3, str): ['b' < 'c' < 'd']
同样，CategoricalDtype 可以与 DataFrame 一起使用，以确保所有列之间的类别保持一致。
In [31]: from pandas.api.types import CategoricalDtype
In [32]: df = pd.DataFrame({"A": list("abca"), "B": list("bccd")})
In [33]: cat_type = CategoricalDtype(categories=list("abcd"), ordered=True)
In [34]: df_cat = df.astype(cat_type)
In [35]: df_cat["A"]
Out[35]:
0 a
1 b
2 c
3 a
Name: A, dtype: category
Categories (4, str): ['a' < 'b' < 'c' < 'd']
In [36]: df_cat["B"]
Out[36]:
0 b
1 c
2 c
3 d
Name: B, dtype: category
Categories (4, str): ['a' < 'b' < 'c' < 'd']
注意
要执行表级转换，将整个 DataFrame 中的所有标签用作每列的类别，则 categories 参数可以通过 categories = pd.unique(df.to_numpy().ravel()) 以编程方式确定。
如果您已经有了 codes 和 categories，则可以使用 from_codes() 构造函数来节省正常构造模式下的因子化步骤。
In [37]: splitter = np.random.choice([0, 1], 5, p=[0.5, 0.5])
In [38]: s = pd.Series(pd.Categorical.from_codes(splitter, categories=["train", "test"]))
恢复原始数据#
要恢复到原始 Series 或 NumPy 数组，请使用 Series.astype(original_dtype) 或 np.asarray(categorical)。
In [39]: s = pd.Series(["a", "b", "c", "a"])
In [40]: s
Out[40]:
0 a
1 b
2 c
3 a
dtype: str
In [41]: s2 = s.astype("category")
In [42]: s2
Out[42]:
0 a
1 b
2 c
3 a
dtype: category
Categories (3, str): ['a', 'b', 'c']
In [43]: s2.astype(str)
Out[43]:
0 a
1 b
2 c
3 a
dtype: str
In [44]: np.asarray(s2)
Out[44]: array(['a', 'b', 'c', 'a'], dtype=object)
注意
与 R 的 factor 函数不同，类别数据不会将输入值转换为字符串；类别最终将具有与原始值相同的数据类型。
注意
与 R 的 factor 函数不同，目前无法在创建时指定/更改标签。请在创建后使用 categories 来更改类别。
CategoricalDtype#
类别的类型由以下项完全描述：
categories：一组唯一的、无缺失值的有序序列。ordered：一个布尔值。
这些信息可以存储在 CategoricalDtype 中。categories 参数是可选的，这意味着实际的类别应该从创建 pandas.Categorical 时数据中存在的值推断出来。默认情况下，类别被假定为无序的。
In [45]: from pandas.api.types import CategoricalDtype
In [46]: CategoricalDtype(["a", "b", "c"])
Out[46]: CategoricalDtype(categories=['a', 'b', 'c'], ordered=False, categories_dtype=str)
In [47]: CategoricalDtype(["a", "b", "c"], ordered=True)
Out[47]: CategoricalDtype(categories=['a', 'b', 'c'], ordered=True, categories_dtype=str)
In [48]: CategoricalDtype()
Out[48]: CategoricalDtype(categories=None, ordered=False, categories_dtype=None)
CategoricalDtype 可以在 pandas 期望 dtype 的任何地方使用。例如，pandas.read_csv()、pandas.DataFrame.astype()，或者在 Series 构造函数中。
注意
为了方便起见，当您想要类别无序且等于数组中存在的集合值等默认行为时，可以使用字符串 'category' 来代替 CategoricalDtype。换句话说，dtype='category' 等同于 dtype=CategoricalDtype()。
相等语义#
两个 CategoricalDtype 实例在具有相同的类别和顺序时才相等。比较两个无序类别时，不考虑 categories 的顺序。请注意，具有不同数据类型的类别不相等。
In [49]: c1 = CategoricalDtype(["a", "b", "c"], ordered=False)
# Equal, since order is not considered when ordered=False
In [50]: c1 == CategoricalDtype(["b", "c", "a"], ordered=False)
Out[50]: True
# Unequal, since the second CategoricalDtype is ordered
In [51]: c1 == CategoricalDtype(["a", "b", "c"], ordered=True)
Out[51]: False
所有 CategoricalDtype 实例都与字符串 'category' 相等。
In [52]: c1 == "category"
Out[52]: True
请注意，应考虑 categories_dtype，尤其是在与两个空的 CategoricalDtype 实例进行比较时。
In [53]: c2 = pd.Categorical(np.array([], dtype=object))
In [54]: c3 = pd.Categorical(np.array([], dtype=float))
In [55]: c2.dtype == c3.dtype
Out[55]: False
描述#
对类别数据使用 describe() 将产生与 string 类型 Series 或 DataFrame 类似的输出。
In [56]: cat = pd.Categorical(["a", "c", "c", np.nan], categories=["b", "a", "c"])
In [57]: df = pd.DataFrame({"cat": cat, "s": ["a", "c", "c", np.nan]})
In [58]: df.describe()
Out[58]:
cat s
count 3 3
unique 2 2
top c c
freq 2 2
In [59]: df["cat"].describe()
Out[59]:
count 3
unique 2
top c
freq 2
Name: cat, dtype: object
处理类别#
类别数据具有 categories 和 ordered 属性，它们列出了其可能的值以及顺序是否重要。这些属性通过 s.cat.categories 和 s.cat.ordered 暴露。如果您不手动指定类别和顺序，它们将从传入的参数推断出来。
In [60]: s = pd.Series(["a", "b", "c", "a"], dtype="category")
In [61]: s.cat.categories
Out[61]: Index(['a', 'b', 'c'], dtype='str')
In [62]: s.cat.ordered
Out[62]: False
也可以按特定顺序传入类别。
In [63]: s = pd.Series(pd.Categorical(["a", "b", "c", "a"], categories=["c", "b", "a"]))
In [64]: s.cat.categories
Out[64]: Index(['c', 'b', 'a'], dtype='str')
In [65]: s.cat.ordered
Out[65]: False
注意
新创建的类别数据 **不** 是自动排序的。您必须显式传递 ordered=True 来指示一个有序的 Categorical。
注意
unique() 的结果不总是与 Series.cat.categories 相同，因为 Series.unique() 有一些保证，即它按出现顺序返回类别，并且只包含实际存在的值。
In [66]: s = pd.Series(list("babc")).astype(CategoricalDtype(list("abcd")))
In [67]: s
Out[67]:
0 b
1 a
2 b
3 c
dtype: category
Categories (4, str): ['a', 'b', 'c', 'd']
# categories
In [68]: s.cat.categories
Out[68]: Index(['a', 'b', 'c', 'd'], dtype='str')
# uniques
In [69]: s.unique()
Out[69]:
['b', 'a', 'c']
Categories (4, str): ['a', 'b', 'c', 'd']
重命名类别#
通过使用 rename_categories() 方法进行类别重命名。
In [70]: s = pd.Series(["a", "b", "c", "a"], dtype="category")
In [71]: s
Out[71]:
0 a
1 b
2 c
3 a
dtype: category
Categories (3, str): ['a', 'b', 'c']
In [72]: new_categories = ["Group %s" % g for g in s.cat.categories]
In [73]: s = s.cat.rename_categories(new_categories)
In [74]: s
Out[74]:
0 Group a
1 Group b
2 Group c
3 Group a
dtype: category
Categories (3, str): ['Group a', 'Group b', 'Group c']
# You can also pass a dict-like object to map the renaming
In [75]: s = s.cat.rename_categories({1: "x", 2: "y", 3: "z"})
In [76]: s
Out[76]:
0 Group a
1 Group b
2 Group c
3 Group a
dtype: category
Categories (3, str): ['Group a', 'Group b', 'Group c']
注意
与 R 的 factor 不同，类别数据可以具有除字符串以外的其他数据类型的类别。
类别必须唯一，否则将引发 ValueError。
In [77]: try:
....: s = s.cat.rename_categories([1, 1, 1])
....: except ValueError as e:
....: print("ValueError:", str(e))
....:
ValueError: Categorical categories must be unique
类别也不能是 NaN，否则将引发 ValueError。
In [78]: try:
....: s = s.cat.rename_categories([1, 2, np.nan])
....: except ValueError as e:
....: print("ValueError:", str(e))
....:
ValueError: Categorical categories cannot be null
添加新类别#
可以通过使用 add_categories() 方法来添加类别。
In [79]: s = s.cat.add_categories([4])
In [80]: s.cat.categories
Out[80]: Index(['Group a', 'Group b', 'Group c', 4], dtype='object')
In [81]: s
Out[81]:
0 Group a
1 Group b
2 Group c
3 Group a
dtype: category
Categories (4, object): ['Group a', 'Group b', 'Group c', 4]
移除类别#
可以通过使用 remove_categories() 方法来移除类别。被移除的值将被替换为 np.nan。
In [82]: s = s.cat.remove_categories([4])
In [83]: s
Out[83]:
0 Group a
1 Group b
2 Group c
3 Group a
dtype: category
Categories (3, object): ['Group a', 'Group b', 'Group c']
移除未使用的类别#
也可以通过以下方式移除未使用的类别：
In [84]: s = pd.Series(pd.Categorical(["a", "b", "a"], categories=["a", "b", "c", "d"]))
In [85]: s
Out[85]:
0 a
1 b
2 a
dtype: category
Categories (4, str): ['a', 'b', 'c', 'd']
In [86]: s.cat.remove_unused_categories()
Out[86]:
0 a
1 b
2 a
dtype: category
Categories (2, str): ['a', 'b']
设置类别#
如果您想一步完成移除和添加新类别（这有一些速度优势），或者仅仅是将类别设置为预定义的尺度，请使用 set_categories()。
In [87]: s = pd.Series(["one", "two", "four", "-"], dtype="category")
In [88]: s
Out[88]:
0 one
1 two
2 four
3 -
dtype: category
Categories (4, str): ['-', 'four', 'one', 'two']
In [89]: s = s.cat.set_categories(["one", "two", "three", "four"])
In [90]: s
Out[90]:
0 one
1 two
2 four
3 NaN
dtype: category
Categories (4, str): ['one', 'two', 'three', 'four']
注意
请注意，Categorical.set_categories() 无法知道某个类别是故意省略的，还是因为拼写错误，或者（在 Python3 中）由于类型差异（例如，NumPy S1 数据类型和 Python 字符串）而被省略。这可能会导致意外的行为！
排序和顺序#
如果类别数据是有序的（s.cat.ordered == True），那么类别的顺序就有意义，并且可以执行某些操作。如果类别是无序的，.min()/.max() 将引发 TypeError。
In [91]: s = pd.Series(pd.Categorical(["a", "b", "c", "a"], ordered=False))
In [92]: s = s.sort_values()
In [93]: s = pd.Series(["a", "b", "c", "a"]).astype(CategoricalDtype(ordered=True))
In [94]: s = s.sort_values()
In [95]: s
Out[95]:
0 a
3 a
1 b
2 c
dtype: category
Categories (3, str): ['a' < 'b' < 'c']
In [96]: s.min(), s.max()
Out[96]: ('a', 'c')
您可以使用 as_ordered() 将类别数据设置为有序，或使用 as_unordered() 将其设置为无序。默认情况下，这些将返回一个 *新* 对象。
In [97]: s.cat.as_ordered()
Out[97]:
0 a
3 a
1 b
2 c
dtype: category
Categories (3, str): ['a' < 'b' < 'c']
In [98]: s.cat.as_unordered()
Out[98]:
0 a
3 a
1 b
2 c
dtype: category
Categories (3, str): ['a', 'b', 'c']
排序将使用类别定义的顺序，而不是数据类型中存在的任何词典顺序。即使对于字符串和数字数据也是如此。
In [99]: s = pd.Series([1, 2, 3, 1], dtype="category")
In [100]: s = s.cat.set_categories([2, 3, 1], ordered=True)
In [101]: s
Out[101]:
0 1
1 2
2 3
3 1
dtype: category
Categories (3, int64): [2 < 3 < 1]
In [102]: s = s.sort_values()
In [103]: s
Out[103]:
1 2
2 3
0 1
3 1
dtype: category
Categories (3, int64): [2 < 3 < 1]
In [104]: s.min(), s.max()
Out[104]: (np.int64(2), np.int64(1))
重新排序#
可以通过 Categorical.reorder_categories() 和 Categorical.set_categories() 方法重新排序类别。对于 Categorical.reorder_categories()，所有旧类别都必须包含在新类别中，并且不允许新类别。这将必然使排序顺序与类别顺序相同。
In [105]: s = pd.Series([1, 2, 3, 1], dtype="category")
In [106]: s = s.cat.reorder_categories([2, 3, 1], ordered=True)
In [107]: s
Out[107]:
0 1
1 2
2 3
3 1
dtype: category
Categories (3, int64): [2 < 3 < 1]
In [108]: s = s.sort_values()
In [109]: s
Out[109]:
1 2
2 3
0 1
3 1
dtype: category
Categories (3, int64): [2 < 3 < 1]
In [110]: s.min(), s.max()
Out[110]: (np.int64(2), np.int64(1))
注意
请注意分配新类别和重新排序类别之间的区别：前者重命名类别，因此 Series 中的单个值会被重命名，但如果第一个位置被排序到最后，则重命名的值仍将被排序到最后。重新排序意味着之后值的排序方式不同，但 Series 中的单个值不会改变。
注意
如果 Categorical 不是有序的，Series.min() 和 Series.max() 将引发 TypeError。数值运算如 +、-、*、/ 以及基于它们的运算（例如，如果数组的长度是偶数，Series.median()，它需要计算两个值之间的平均值）将不起作用并引发 TypeError。
多列排序#
类别数据类型的列将以与其他列类似的方式参与多列排序。类别的顺序由该列的 categories 决定。
In [111]: dfs = pd.DataFrame(
.....: {
.....: "A": pd.Categorical(
.....: list("bbeebbaa"),
.....: categories=["e", "a", "b"],
.....: ordered=True,
.....: ),
.....: "B": [1, 2, 1, 2, 2, 1, 2, 1],
.....: }
.....: )
.....:
In [112]: dfs.sort_values(by=["A", "B"])
Out[112]:
A B
2 e 1
3 e 2
7 a 1
6 a 2
0 b 1
5 b 1
1 b 2
4 b 2
重新排序 categories 会改变未来的排序。
In [113]: dfs["A"] = dfs["A"].cat.reorder_categories(["a", "b", "e"])
In [114]: dfs.sort_values(by=["A", "B"])
Out[114]:
A B
7 a 1
6 a 2
0 b 1
5 b 1
1 b 2
4 b 2
2 e 1
3 e 2
比较#
在三种情况下，类别数据可以与其它对象进行比较：
与长度与类别数据相同的列表类对象（列表、Series、数组等）进行相等性比较（
==和!=）。当
ordered==True且categories相同时，类别数据与另一个类别 Series 的所有比较（==、!=、>、>=、<和<=）。类别数据与标量的所有比较。
所有其他比较，特别是具有不同类别的两个类别之间的“非相等”比较，或类别与任何列表类对象之间的比较，将引发 TypeError。
注意
类别数据与具有不同类别或顺序的 Series、np.array、列表或类别数据的任何“非相等”比较都将引发 TypeError，因为自定义类别顺序可以有两种解释：一种考虑顺序，一种不考虑顺序。
In [115]: cat = pd.Series([1, 2, 3]).astype(CategoricalDtype([3, 2, 1], ordered=True))
In [116]: cat_base = pd.Series([2, 2, 2]).astype(CategoricalDtype([3, 2, 1], ordered=True))
In [117]: cat_base2 = pd.Series([2, 2, 2]).astype(CategoricalDtype(ordered=True))
In [118]: cat
Out[118]:
0 1
1 2
2 3
dtype: category
Categories (3, int64): [3 < 2 < 1]
In [119]: cat_base
Out[119]:
0 2
1 2
2 2
dtype: category
Categories (3, int64): [3 < 2 < 1]
In [120]: cat_base2
Out[120]:
0 2
1 2
2 2
dtype: category
Categories (1, int64): [2]
与具有相同类别和顺序的类别或标量进行比较可以正常工作。
In [121]: cat > cat_base
Out[121]:
0 True
1 False
2 False
dtype: bool
In [122]: cat > 2
Out[122]:
0 True
1 False
2 False
dtype: bool
相等性比较可以与任何相同长度的列表类对象和标量一起工作。
In [123]: cat == cat_base
Out[123]:
0 False
1 True
2 False
dtype: bool
In [124]: cat == np.array([1, 2, 3])
Out[124]:
0 True
1 True
2 True
dtype: bool
In [125]: cat == 2
Out[125]:
0 False
1 True
2 False
dtype: bool
这不起作用，因为类别不相同。
In [126]: try:
.....: cat > cat_base2
.....: except TypeError as e:
.....: print("TypeError:", str(e))
.....:
TypeError: Categoricals can only be compared if 'categories' are the same.
如果您想对类别 Series 与非类别数据的列表类对象进行“非相等”比较，您需要明确转换类别数据回原始值。
In [127]: base = np.array([1, 2, 3])
In [128]: try:
.....: cat > base
.....: except TypeError as e:
.....: print("TypeError:", str(e))
.....:
TypeError: Cannot compare a Categorical for op __gt__ with type <class 'numpy.ndarray'>.
If you want to compare values, use 'np.asarray(cat) <op> other'.
In [129]: np.asarray(cat) > base
Out[129]: array([False, False, False])
当比较两个无序类别且具有相同类别时，不考虑顺序。
In [130]: c1 = pd.Categorical(["a", "b"], categories=["a", "b"], ordered=False)
In [131]: c2 = pd.Categorical(["a", "b"], categories=["b", "a"], ordered=False)
In [132]: c1 == c2
Out[132]: array([ True, True])
操作#
除了 Series.min()、Series.max() 和 Series.mode() 之外，类别数据还可以进行以下操作：
Series 方法，例如 Series.value_counts() 将使用所有类别，即使某些类别未在数据中出现。
In [133]: s = pd.Series(pd.Categorical(["a", "b", "c", "c"], categories=["c", "a", "b", "d"]))
In [134]: s.value_counts()
Out[134]:
c 2
a 1
b 1
d 0
Name: count, dtype: int64
DataFrame 方法，例如 DataFrame.sum()，在 observed=False 时也会显示“未使用的”类别。
In [135]: columns = pd.Categorical(
.....: ["One", "One", "Two"], categories=["One", "Two", "Three"], ordered=True
.....: )
.....:
In [136]: df = pd.DataFrame(
.....: data=[[1, 2, 3], [4, 5, 6]],
.....: columns=pd.MultiIndex.from_arrays([["A", "B", "B"], columns]),
.....: ).T
.....:
In [137]: df.groupby(level=1, observed=False).sum()
Out[137]:
0 1
One 3 9
Two 3 6
Three 0 0
当 observed=False 时，GroupBy 也会显示“未使用的”类别。
In [138]: cats = pd.Categorical(
.....: ["a", "b", "b", "b", "c", "c", "c"], categories=["a", "b", "c", "d"]
.....: )
.....:
In [139]: df = pd.DataFrame({"cats": cats, "values": [1, 2, 2, 2, 3, 4, 5]})
In [140]: df.groupby("cats", observed=False).mean()
Out[140]:
values
cats
a 1.0
b 2.0
c 4.0
d NaN
In [141]: cats2 = pd.Categorical(["a", "a", "b", "b"], categories=["a", "b", "c"])
In [142]: df2 = pd.DataFrame(
.....: {
.....: "cats": cats2,
.....: "B": ["c", "d", "c", "d"],
.....: "values": [1, 2, 3, 4],
.....: }
.....: )
.....:
In [143]: df2.groupby(["cats", "B"], observed=False).mean()
Out[143]:
values
cats B
a c 1.0
d 2.0
b c 3.0
d 4.0
c c NaN
d NaN
透视表
In [144]: raw_cat = pd.Categorical(["a", "a", "b", "b"], categories=["a", "b", "c"])
In [145]: df = pd.DataFrame({"A": raw_cat, "B": ["c", "d", "c", "d"], "values": [1, 2, 3, 4]})
In [146]: pd.pivot_table(df, values="values", index=["A", "B"], observed=False)
Out[146]:
values
A B
a c 1.0
d 2.0
b c 3.0
d 4.0
数据整理#
优化的 pandas 数据访问方法 .loc、.iloc、.at 和 .iat 正常工作。唯一的区别是返回值（对于获取）以及只能赋值已经存在于 categories 中的值。
获取#
如果切片操作返回 DataFrame 或类型为 Series 的列，则 category 数据类型将被保留。
In [147]: idx = pd.Index(["h", "i", "j", "k", "l", "m", "n"])
In [148]: cats = pd.Series(["a", "b", "b", "b", "c", "c", "c"], dtype="category", index=idx)
In [149]: values = [1, 2, 2, 2, 3, 4, 5]
In [150]: df = pd.DataFrame({"cats": cats, "values": values}, index=idx)
In [151]: df.iloc[2:4, :]
Out[151]:
cats values
j b 2
k b 2
In [152]: df.iloc[2:4, :].dtypes
Out[152]:
cats category
values int64
dtype: object
In [153]: df.loc["h":"j", "cats"]
Out[153]:
h a
i b
j b
Name: cats, dtype: category
Categories (3, str): ['a', 'b', 'c']
In [154]: df[df["cats"] == "b"]
Out[154]:
cats values
i b 2
j b 2
k b 2
一个类别类型未被保留的例子是，如果您获取一行：结果的 Series 是 object 数据类型。
# get the complete "h" row as a Series
In [155]: df.loc["h", :]
Out[155]:
cats a
values 1
Name: h, dtype: object
从类别数据中返回单个项目也将返回该值，而不是长度为“1”的类别。
In [156]: df.iat[0, 0]
Out[156]: 'a'
In [157]: df["cats"] = df["cats"].cat.rename_categories(["x", "y", "z"])
In [158]: df.at["h", "cats"] # returns a string
Out[158]: 'x'
注意
这与 R 的 factor 函数形成对比，其中 factor(c(1,2,3))[1] 返回单个 factor 值。
要获得一个长度为 1 的 category 类型 Series，请传入一个包含单个值的列表。
In [159]: df.loc[["h"], "cats"]
Out[159]:
h x
Name: cats, dtype: category
Categories (3, str): ['x', 'y', 'z']
字符串和日期时间访问器#
当 s.cat.categories 的类型合适时，访问器 .dt 和 .str 将工作。
In [160]: str_s = pd.Series(list("aabb"))
In [161]: str_cat = str_s.astype("category")
In [162]: str_cat
Out[162]:
0 a
1 a
2 b
3 b
dtype: category
Categories (2, str): ['a', 'b']
In [163]: str_cat.str.contains("a")
Out[163]:
0 True
1 True
2 False
3 False
dtype: bool
In [164]: date_s = pd.Series(pd.date_range("1/1/2015", periods=5))
In [165]: date_cat = date_s.astype("category")
In [166]: date_cat
Out[166]:
0 2015-01-01
1 2015-01-02
2 2015-01-03
3 2015-01-04
4 2015-01-05
dtype: category
Categories (5, datetime64[us]): [2015-01-01, 2015-01-02, 2015-01-03, 2015-01-04, 2015-01-05]
In [167]: date_cat.dt.day
Out[167]:
0 1
1 2
2 3
3 4
4 5
dtype: int32
注意
返回的 Series（或 DataFrame）的类型与您在类型为该类型的 Series 上使用 .str.<method> 或 .dt.<method> 时的类型相同（而不是 category 类型！）。
这意味着，从 Series 的访问器方法和属性返回的值，以及从此 Series 转换为 category 类型后的访问器方法和属性返回的值将是相等的。
In [168]: ret_s = str_s.str.contains("a")
In [169]: ret_cat = str_cat.str.contains("a")
In [170]: ret_s.dtype == ret_cat.dtype
Out[170]: True
In [171]: ret_s == ret_cat
Out[171]:
0 True
1 True
2 True
3 True
dtype: bool
注意
工作在 categories 上进行，然后构造一个新的 Series。这会对性能产生影响，如果您有一个字符串类型的 Series，其中很多元素重复（即 Series 中唯一元素的数量远小于 Series 的长度）。在这种情况下，将原始 Series 转换为 category 类型，并在该类型上使用 .str.<method> 或 .dt.<property> 可能会更快。
设置#
只要值包含在 categories 中，就可以在类别列（或 Series）中设置值。
In [172]: idx = pd.Index(["h", "i", "j", "k", "l", "m", "n"])
In [173]: cats = pd.Categorical(["a", "a", "a", "a", "a", "a", "a"], categories=["a", "b"])
In [174]: values = [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1]
In [175]: df = pd.DataFrame({"cats": cats, "values": values}, index=idx)
In [176]: df.iloc[2:4, :] = [["b", 2], ["b", 2]]
In [177]: df
Out[177]:
cats values
h a 1
i a 1
j b 2
k b 2
l a 1
m a 1
n a 1
In [178]: try:
.....: df.iloc[2:4, :] = [["c", 3], ["c", 3]]
.....: except TypeError as e:
.....: print("TypeError:", str(e))
.....:
TypeError: Cannot setitem on a Categorical with a new category, set the categories first
通过分配类别数据来设置值也将检查 categories 是否匹配。
In [179]: df.loc["j":"k", "cats"] = pd.Categorical(["a", "a"], categories=["a", "b"])
In [180]: df
Out[180]:
cats values
h a 1
i a 1
j a 2
k a 2
l a 1
m a 1
n a 1
In [181]: try:
.....: df.loc["j":"k", "cats"] = pd.Categorical(["b", "b"], categories=["a", "b", "c"])
.....: except TypeError as e:
.....: print("TypeError:", str(e))
.....:
TypeError: Cannot set a Categorical with another, without identical categories
将 Categorical 分配给其他类型的列的部分将使用这些值。
In [182]: df = pd.DataFrame({"a": [1, 1, 1, 1, 1], "b": ["a", "a", "a", "a", "a"]})
In [183]: df.loc[1:2, "a"] = pd.Categorical([2, 2], categories=[2, 3])
In [184]: df.loc[2:3, "b"] = pd.Categorical(["b", "b"], categories=["a", "b"])
In [185]: df
Out[185]:
a b
0 1 a
1 2 a
2 2 b
3 1 b
4 1 a
In [186]: df.dtypes
Out[186]:
a int64
b str
dtype: object
合并/连接#
默认情况下，组合包含相同类别的 Series 或 DataFrames 会得到 category 数据类型，否则结果将取决于底层类别的 dtype。合并产生的非类别数据类型可能会导致更高的内存使用量。使用 .astype 或 union_categoricals 来确保 category 结果。
In [187]: from pandas.api.types import union_categoricals
# same categories
In [188]: s1 = pd.Series(["a", "b"], dtype="category")
In [189]: s2 = pd.Series(["a", "b", "a"], dtype="category")
In [190]: pd.concat([s1, s2])
Out[190]:
0 a
1 b
0 a
1 b
2 a
dtype: category
Categories (2, str): ['a', 'b']
# different categories
In [191]: s3 = pd.Series(["b", "c"], dtype="category")
In [192]: pd.concat([s1, s3])
Out[192]:
0 a
1 b
0 b
1 c
dtype: str
# Output dtype is inferred based on categories values
In [193]: int_cats = pd.Series([1, 2], dtype="category")
In [194]: float_cats = pd.Series([3.0, 4.0], dtype="category")
In [195]: pd.concat([int_cats, float_cats])
Out[195]:
0 1.0
1 2.0
0 3.0
1 4.0
dtype: float64
In [196]: pd.concat([s1, s3]).astype("category")
Out[196]:
0 a
1 b
0 b
1 c
dtype: category
Categories (3, str): ['a', 'b', 'c']
In [197]: union_categoricals([s1.array, s3.array])
Out[197]:
['a', 'b', 'b', 'c']
Categories (3, str): ['a', 'b', 'c']
下表总结了合并 Categoricals 的结果：
arg1 |
arg2 |
identical |
result |
|---|---|---|---|
category |
category |
True |
category |
category (object) |
category (object) |
False |
object (dtype is inferred) |
category (int) |
category (float) |
False |
float (dtype is inferred) |
联合#
如果您想组合不一定具有相同类别的类别，union_categoricals() 函数将组合一个列表类的类别。新类别将是正在组合的类别的并集。
In [198]: from pandas.api.types import union_categoricals
In [199]: a = pd.Categorical(["b", "c"])
In [200]: b = pd.Categorical(["a", "b"])
In [201]: union_categoricals([a, b])
Out[201]:
['b', 'c', 'a', 'b']
Categories (3, str): ['b', 'c', 'a']
默认情况下，结果类别将按照它们在数据中出现的顺序排序。如果您希望类别按字母顺序排序，请使用 sort_categories=True 参数。
In [202]: union_categoricals([a, b], sort_categories=True)
Out[202]:
['b', 'c', 'a', 'b']
Categories (3, str): ['a', 'b', 'c']
union_categoricals 也适用于“简单”情况，即组合两个具有相同类别和顺序信息的类别（例如，您也可以 append 的）。
In [203]: a = pd.Categorical(["a", "b"], ordered=True)
In [204]: b = pd.Categorical(["a", "b", "a"], ordered=True)
In [205]: union_categoricals([a, b])
Out[205]:
['a', 'b', 'a', 'b', 'a']
Categories (2, str): ['a' < 'b']
以下代码会引发 TypeError，因为类别是有序的且不相同。
In [206]: a = pd.Categorical(["a", "b"], ordered=True)
In [207]: b = pd.Categorical(["a", "b", "c"], ordered=True)
In [208]: union_categoricals([a, b])
---------------------------------------------------------------------------
TypeError Traceback (most recent call last)
Cell In[208], line 1
----> 1 union_categoricals([a, b])
File ~/work/pandas/pandas/pandas/core/dtypes/concat.py:335, in union_categoricals(to_union, sort_categories, ignore_order)
333 if all(c.ordered for c in to_union):
334 msg = "to union ordered Categoricals, all categories must be the same"
--> 335 raise TypeError(msg)
336 raise TypeError("Categorical.ordered must be the same")
338 if ignore_order:
TypeError: to union ordered Categoricals, all categories must be the same
可以通过使用 ignore_ordered=True 参数来合并具有不同类别或顺序的有序类别。
In [209]: a = pd.Categorical(["a", "b", "c"], ordered=True)
In [210]: b = pd.Categorical(["c", "b", "a"], ordered=True)
In [211]: union_categoricals([a, b], ignore_order=True)
Out[211]:
['a', 'b', 'c', 'c', 'b', 'a']
Categories (3, str): ['a', 'b', 'c']
union_categoricals 也适用于 CategoricalIndex 或包含类别数据的 Series，但请注意，结果数组将始终是普通的 Categorical。
In [212]: a = pd.Series(["b", "c"], dtype="category")
In [213]: b = pd.Series(["a", "b"], dtype="category")
In [214]: union_categoricals([a, b])
Out[214]:
['b', 'c', 'a', 'b']
Categories (3, str): ['b', 'c', 'a']
注意
union_categoricals 在组合类别时可能会重新编码类别的整数代码。这很可能是您想要的，但如果您依赖于类别的确切编号，请注意。
In [215]: c1 = pd.Categorical(["b", "c"])
In [216]: c2 = pd.Categorical(["a", "b"])
In [217]: c1
Out[217]:
['b', 'c']
Categories (2, str): ['b', 'c']
# "b" is coded to 0
In [218]: c1.codes
Out[218]: array([0, 1], dtype=int8)
In [219]: c2
Out[219]:
['a', 'b']
Categories (2, str): ['a', 'b']
# "b" is coded to 1
In [220]: c2.codes
Out[220]: array([0, 1], dtype=int8)
In [221]: c = union_categoricals([c1, c2])
In [222]: c
Out[222]:
['b', 'c', 'a', 'b']
Categories (3, str): ['b', 'c', 'a']
# "b" is coded to 0 throughout, same as c1, different from c2
In [223]: c.codes
Out[223]: array([0, 1, 2, 0], dtype=int8)
数据导入/导出#
您可以将包含 category 数据类型的写入 HDFStore。有关示例和注意事项，请参阅 此处。
也可以将数据写入和读取 *Stata* 格式文件。有关示例和注意事项，请参阅 此处。
写入 CSV 文件会将数据进行转换，有效地移除关于类别（类别和顺序）的任何信息。因此，如果您重新读取 CSV 文件，您必须将相关列转换回 category 并分配正确的类别和类别顺序。
In [224]: import io
In [225]: s = pd.Series(pd.Categorical(["a", "b", "b", "a", "a", "d"]))
# rename the categories
In [226]: s = s.cat.rename_categories(["very good", "good", "bad"])
# reorder the categories and add missing categories
In [227]: s = s.cat.set_categories(["very bad", "bad", "medium", "good", "very good"])
In [228]: df = pd.DataFrame({"cats": s, "vals": [1, 2, 3, 4, 5, 6]})
In [229]: csv = io.StringIO()
In [230]: df.to_csv(csv)
In [231]: df2 = pd.read_csv(io.StringIO(csv.getvalue()))
In [232]: df2.dtypes
Out[232]:
Unnamed: 0 int64
cats str
vals int64
dtype: object
In [233]: df2["cats"]
Out[233]:
0 very good
1 good
2 good
3 very good
4 very good
5 bad
Name: cats, dtype: str
# Redo the category
In [234]: df2["cats"] = df2["cats"].astype("category")
In [235]: df2["cats"] = df2["cats"].cat.set_categories(
.....: ["very bad", "bad", "medium", "good", "very good"]
.....: )
.....:
In [236]: df2.dtypes
Out[236]:
Unnamed: 0 int64
cats category
vals int64
dtype: object
In [237]: df2["cats"]
Out[237]:
0 very good
1 good
2 good
3 very good
4 very good
5 bad
Name: cats, dtype: category
Categories (5, str): ['very bad', 'bad', 'medium', 'good', 'very good']
使用 to_sql 将数据写入 SQL 数据库也同样适用。
缺失数据#
pandas 主要使用 np.nan 值来表示缺失数据。默认情况下，它不包含在计算中。请参阅 缺失数据部分。
缺失值 **不** 应该包含在类别的 categories 中，而应该只包含在 values 中。相反，我们理解 NaN 是不同的，并且始终是一种可能性。当使用类别的 codes 时，缺失值将始终具有代码 -1。
In [238]: s = pd.Series(["a", "b", np.nan, "a"], dtype="category")
# only two categories
In [239]: s
Out[239]:
0 a
1 b
2 NaN
3 a
dtype: category
Categories (2, str): ['a', 'b']
In [240]: s.cat.codes
Out[240]:
0 0
1 1
2 -1
3 0
dtype: int8
处理缺失数据的方法，例如 isna()、fillna()、dropna()，都可以正常工作。
In [241]: s = pd.Series(["a", "b", np.nan], dtype="category")
In [242]: s
Out[242]:
0 a
1 b
2 NaN
dtype: category
Categories (2, str): ['a', 'b']
In [243]: pd.isna(s)
Out[243]:
0 False
1 False
2 True
dtype: bool
In [244]: s.fillna("a")
Out[244]:
0 a
1 b
2 a
dtype: category
Categories (2, str): ['a', 'b']
与 R 的 factor 的区别#
与 R 的 factor 函数相比，可以观察到以下区别：
R 的
levels被命名为categories。R 的
levels始终是字符串类型，而 pandas 中的categories可以是任何数据类型。无法在创建时指定标签。事后使用
s.cat.rename_categories(new_labels)。与 R 的
factor函数不同，使用类别数据作为唯一输入来创建新的类别 Series **不会** 移除未使用的类别，而是创建一个与传入的 Series 相等的新的类别 Series！R 允许将缺失值包含在其
levels（pandas 的categories）中。pandas 不允许NaN类别，但values中仍然可以包含缺失值。
陷阱#
内存使用#
Categorical 的内存使用量与类别的数量加上数据的长度成正比。相比之下，object 数据类型是数据的长度乘以一个常数。
In [245]: s = pd.Series(["foo", "bar"] * 1000)
# object dtype
In [246]: s.nbytes
Out[246]: 22000
# category dtype
In [247]: s.astype("category").nbytes
Out[247]: 2023
注意
如果类别的数量接近数据的长度，Categorical 将使用与等效的 object 数据类型表示几乎相同或更多的内存。
In [248]: s = pd.Series(["foo%04d" % i for i in range(2000)])
# object dtype
In [249]: s.nbytes
Out[249]: 30000
# category dtype
In [250]: s.astype("category").nbytes
Out[250]: 34250
Categorical 不是 numpy 数组#
当前，类别数据和底层的 Categorical 实现为 Python 对象，而不是低级 NumPy 数组数据类型。这会导致一些问题。
NumPy 本身不了解新的 dtype
In [251]: try:
.....: np.dtype("category")
.....: except TypeError as e:
.....: print("TypeError:", str(e))
.....:
TypeError: data type 'category' not understood
In [252]: dtype = pd.Categorical(["a"]).dtype
In [253]: try:
.....: np.dtype(dtype)
.....: except TypeError as e:
.....: print("TypeError:", str(e))
.....:
TypeError: Cannot interpret 'CategoricalDtype(categories=['a'], ordered=False, categories_dtype=str)' as a data type
Dtype 比较工作正常
In [254]: dtype == np.str_
Out[254]: False
In [255]: np.str_ == dtype
Out[255]: False
要检查 Series 是否包含类别数据，请使用 hasattr(s, 'cat')
In [256]: hasattr(pd.Series(["a"], dtype="category"), "cat")
Out[256]: True
In [257]: hasattr(pd.Series(["a"]), "cat")
Out[257]: False
在类型为 category 的 Series 上使用 NumPy 函数不应该起作用，因为 Categoricals 不是数值数据（即使 .categories 是数值类型）。
In [258]: s = pd.Series(pd.Categorical([1, 2, 3, 4]))
In [259]: try:
.....: np.sum(s)
.....: except TypeError as e:
.....: print("TypeError:", str(e))
.....:
TypeError: 'Categorical' with dtype category does not support operation 'sum'
注意
如果此类函数有效，请在 pandas-dev/pandas 提交 bug！
apply 中的 dtype#
pandas 目前在 apply 函数中不保留 dtype：如果您沿行应用，您将得到一个 object dtype 的 Series（与获取一行相同 -> 获取一个元素将返回一个基本类型），沿列应用也会转换为 object。NaN 值不受影响。您可以使用 fillna 在应用函数之前处理缺失值。
In [260]: df = pd.DataFrame(
.....: {
.....: "a": [1, 2, 3, 4],
.....: "b": ["a", "b", "c", "d"],
.....: "cats": pd.Categorical([1, 2, 3, 2]),
.....: }
.....: )
.....:
In [261]: df.apply(lambda row: type(row["cats"]), axis=1)
Out[261]:
0 <class 'int'>
1 <class 'int'>
2 <class 'int'>
3 <class 'int'>
dtype: object
In [262]: df.apply(lambda col: col.dtype, axis=0)
Out[262]:
a int64
b str
cats category
dtype: object
Categorical 索引#
CategoricalIndex 是一种索引类型，适用于支持带有重复项的索引。这是一个围绕 Categorical 的容器，可以高效地索引和存储带有大量重复元素的索引。有关更详细的解释，请参阅 高级索引文档。
设置索引将创建一个 CategoricalIndex
In [263]: cats = pd.Categorical([1, 2, 3, 4], categories=[4, 2, 3, 1])
In [264]: strings = ["a", "b", "c", "d"]
In [265]: values = [4, 2, 3, 1]
In [266]: df = pd.DataFrame({"strings": strings, "values": values}, index=cats)
In [267]: df.index
Out[267]: CategoricalIndex([1, 2, 3, 4], categories=[4, 2, 3, 1], ordered=False, dtype='category')
# This now sorts by the categories order
In [268]: df.sort_index()
Out[268]:
strings values
4 d 1
2 b 2
3 c 3
1 a 4
副作用#
从 Categorical 构建 Series 不会复制输入的 Categorical。这意味着在大多数情况下，对 Series 的更改将更改原始 Categorical
In [269]: cat = pd.Categorical([1, 2, 3, 10], categories=[1, 2, 3, 4, 10])
In [270]: s = pd.Series(cat, name="cat")
In [271]: cat
Out[271]:
[1, 2, 3, 10]
Categories (5, int64): [1, 2, 3, 4, 10]
In [272]: s.iloc[0:2] = 10
In [273]: cat
Out[273]:
[1, 2, 3, 10]
Categories (5, int64): [1, 2, 3, 4, 10]
使用 copy=True 来防止此类行为，或者干脆不要重用 Categoricals
In [274]: cat = pd.Categorical([1, 2, 3, 10], categories=[1, 2, 3, 4, 10])
In [275]: s = pd.Series(cat, name="cat", copy=True)
In [276]: cat
Out[276]:
[1, 2, 3, 10]
Categories (5, int64): [1, 2, 3, 4, 10]
In [277]: s.iloc[0:2] = 10
In [278]: cat
Out[278]:
[1, 2, 3, 10]
Categories (5, int64): [1, 2, 3, 4, 10]
注意
当您提供 NumPy 数组而不是 Categorical 时，在某些情况下也会发生这种情况：使用整数数组（例如 np.array([1,2,3,4])）将表现出相同的行为，而使用字符串数组（例如 np.array(["a","b","c","a"])）则不会。