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【Python】Python 的格式化字符串（f-string）_python f-string

网友: 技术文档 2025-07-30 13:21:45

Python 的格式化字符串（f-string，格式化字符串字面量）是 Python 3.6 引入的一种强大且简洁的字符串格式化工具，通过在字符串前添加 f 或 F 前缀，并使用花括号 {} 嵌入变量或表达式，实现动态字符串生成。本文将详细介绍 f-string 的定义、语法、用法、格式化选项、版本改进、性能、适用场景、注意事项及最佳实践。

1. 什么是 f-string？

f-string 是 Python 3.6 及以上版本支持的字符串格式化方法，由 PEP 498 – Literal String Interpolation 提出，旨在提供比传统 % 格式化、str.format() 和 string.Template 更简洁、可读且高效的方式。f-string 允许在字符串字面量中直接嵌入 Python 表达式，运行时动态求值。

核心特点：

  • 简洁语法：通过 f\"文本 {表达式}\" 嵌入变量或表达式。
  • 高效性能：编译时解析为字节码，执行速度快。
  • 灵活性：支持任意 Python 表达式，包括运算 复杂运算、函数调用和推导式。
  • 格式化选项：支持对齐、精度、类型等格式控制。
  • 调试支持：Python 3.8+ 提供 = 修饰符，便于调试。

示例：

name = \"Alice\"age = 25print(f\"姓名: {name}, 年龄: {age}\") # 输出: 姓名: Alice, 年龄: 25

与元类的关系：虽然 f-string 本身不直接涉及元类，但其实现依赖 Python 的动态求值机制，表达式在运行时通过 eval() 解析，类似于元类在类创建时的动态干预。

2. f-string 的基本语法和用法

f-string 的语法为在字符串前添加 f 或 F，在字符串中使用 {表达式} 嵌入内容，表达式在运行时求值。

2.1 基本用法

f-string 支持嵌入变量、常量、算术运算、函数调用等。

示例：

x = 10y = 20print(f\"结果: {x + y}\") # 输出: 结果: 30print(f\"平方: {x ** 2}\") # 输出: 平方: 100def greet(name): return f\"你好, {name}!\"print(greet(\"Bob\")) # 输出: 你好, Bob!

2.2 复杂表达式

f-string 支持列表推导式、字典操作等复杂表达式。

示例：

names = [\"Alice\", \"Bob\", \"Charlie\"]print(f\"名字: {\', \'.join(name.upper() for name in names)}\") # 输出: 名字: ALICE, BOB, CHARLIEdata = {\"a\": 1, \"b\": 2}print(f\"键值对: {list(data.items())}\") # 输出: 键值对: [(\'a\', 1), (\'b\', 2)]

2.3 多行 f-string

f-string 支持多行字符串，适合复杂格式化。

示例：

name = \"Alice\"age = 25print(f\"\"\"个人信息: 姓名: {name} 年龄: {age}\"\"\")# 输出:# 个人信息:# 姓名: Alice# 年龄: 25

3. 格式化选项

f-string 使用格式说明符（format specification mini-language）控制输出格式，语法为 {表达式:格式说明符}，格式说明符位于 : 之后。格式说明符支持填充、对齐、宽度、精度和类型等，基于 Python 官方文档：Common String Operations。

3.1 格式说明符语法

格式说明符 ::= [[填充]对齐][符号][\"z\"][\"#\"][\"0\"][宽度][分组][\".\" 精度][类型]
  • 填充：任意字符，用于填充空白（如 _、*）。
  • 对齐：<（左对齐）、>（右对齐）、^（居中）。
  • 符号：+（显示正负号）、-（仅负号）、空格（正数前加空格）。
  • z：将负零转为正零（Python 3.11+）。
  • #：备用格式（如为十六进制加 0x 前缀）。
  • 0：数字左填充零。
  • 宽度：输出最小宽度。
  • 分组：千位分隔符（, 或 _）。
  • 精度：小数点后位数或字符串最大长度。
  • 类型：如 s（字符串）、d（十进制）、f（浮点数）、x（十六进制）。

3.2 常见格式化示例

对齐和填充：

name = \"Bob\"print(f\"{name:>10}\") # 输出: \" Bob\"（右对齐，宽度10）print(f\"{name:_<10}\") # 输出: \"Bob_______\"（左对齐，用_填充）print(f\"{name:*^10}\") # 输出: \"***Bob****\"（居中，用*填充）

数字格式化：

pi = 3.14159print(f\"Pi: {pi:.2f}\") # 输出: Pi: 3.14（2位小数）print(f\"Pi: {pi:,.2f}\") # 输出: Pi: 3,141.59（千位分隔）num = 42print(f\"Number: {num:05d}\") # 输出: Number: 00042（零填充）print(f\"Hex: {num:#x}\") # 输出: Hex: 0x2a（十六进制带前缀）

其他类型：

from datetime import datetimenow = datetime.now()print(f\"日期: {now:%Y-%m-%d}\") # 输出: 日期: 2025-05-18

表 1：常见格式说明符

表达式 输出 说明 f\"{pi:.2f}\" 3.14 浮点数，2位小数 f\"{num:>10d}\" \" 42\" 右对齐，宽度10 f\"{pi:,.2f}\" 3,141.59 千位分隔，2位小数 f\"{num:+d}\" +42 带符号的十进制 f\"{num:05d}\" 00042 零填充，宽度5 f\"{num:#x}\" 0x2a 十六进制，带前缀

4. 修饰符与调试

f-string 支持修饰符 !s、!r 和 !a，分别调用 str()、repr() 和 ascii()，用于控制表达式输出形式。

示例：

class Person: def __init__(self, name): self.name = name def __str__(self): return f\"Person: {self.name}\" def __repr__(self): return f\"Person(name=\'{self.name}\')\"p = Person(\"Charlie\")print(f\"{p!s}\") # 输出: Person: Charlieprint(f\"{p!r}\") # 输出: Person(name=\'Charlie\')print(f\"{p!a}\") # 输出: Person(name=\'Charlie\')（ASCII 编码）

调试模式（Python 3.8+）：
使用 = 修饰符显示表达式及其值，便于调试。

示例：

x = 10y = 20print(f\"{x=}, {y=}, {x + y=}\") # 输出: x=10, y=20, x + y=30

5. Python 3.12 的改进

根据 What’s New In Python 3.12 和 PEP 701，Python 3.12 放宽了 f-string 的语法限制，提升灵活性：

  • 支持反斜杠：允许在表达式中使用反斜杠（如 \\n）。
  • 重复引号：允许嵌套与 f-string 相同的引号。
  • 注释和多行表达式：支持在表达式中添加注释和多行代码。

示例：

words = [\"hello\", \"world\"]print(f\"{\'\\\\n\'.join(words)}\") # 输出: hello\\nworld# 嵌套引号print(f\"{\'\\\"quoted\\\"\'}\") # 输出: \"quoted\"# 多行表达式print(f\"\"\"结果: { # 计算总和 sum([1, 2, 3])}\"\"\") # 输出: 结果: 6

这些改进使 f-string 在复杂场景下更易用，研究显示其在多行格式化和动态生成中效果显著。

6. 性能比较

f-string 在性能上优于传统格式化方法，因其在编译时解析为字节码，减少运行时开销。根据 Real Python 的基准测试（Real Python: Python’s F-String），在 1,000,000 次迭代中：

  • f-string：87.08 ms
  • % 运算符：90.98 ms
  • str.format()：144.69 ms

原因：

  • f-string 直接嵌入表达式，避免了 str.format() 的参数解析。
  • 编译时优化，表达式求值更高效。

示例性能测试：

import timeitprint(timeit.timeit(\'f\"Number: {42}\"\', number=1000000)) # 更快print(timeit.timeit(\'\"Number: %d\" % 42\', number=1000000)) # 稍慢print(timeit.timeit(\'\"Number: {}\".format(42)\', number=1000000)) # 最慢

7. 适用场景

f-string 适用于大多数字符串格式化场景，包括：

  • 用户输出：生成格式化的用户界面文本。 
    score = 95print(f\"你的得分是: {score}/100\") # 输出: 你的得分是: 95/100
  • 日志消息：快速构造日志字符串（但见注意事项）。 
    user = \"Alice\"print(f\"用户 {user} 已登录\")
  • 数据格式化：处理数字、日期等。 
    from datetime import datetimenow = datetime.now()print(f\"当前时间: {now:%Y-%m-%d %H:%M:%S}\") # 输出: 当前时间: 2025-05-18 09:49:00
  • 调试：使用 = 修饰符检查变量值。 
    x = 42print(f\"{x=}\") # 输出: x=42

8. 注意事项

尽管 f-string 功能强大，但需注意以下事项：

  1. 版本兼容性：

    • f-string 仅在 Python 3.6+ 可用，旧版本会抛出 SyntaxError。
    • 某些功能（如 = 修饰符）需 3.8+，反斜杠支持需 3.12+。

  2. 日志记录：

    • f-string 立即求值，可能在日志未记录时浪费资源。
    • 推荐：使用 logging 模块的 % 格式化，延迟求值。 
      import logginglogging.warning(\"用户 %s 已登录\", \"Alice\") # 优于 f-string

  3. 安全性：

    • 避免将用户输入直接嵌入表达式，可能导致代码注入。 
      user_input = \".__class__.__bases__[0].__subclasses__()\"# 危险: print(f\"{eval(user_input)}\")
    • 对于 SQL 查询，使用参数化查询而非 f-string： 
      cursor.execute(\"SELECT * FROM users WHERE name = ?\", (name,))

  4. 可读性：

    • 复杂表达式可能降低可读性，建议拆分为多行或预计算。 
      # 不可读print(f\"结果: {sum([x * y for x in range(10) for y in range(10)])}\")# 改进total = sum(x * y for x in range(10) for y in range(10))print(f\"结果: {total}\")

  5. 国际化：

    • f-string 不直接支持动态格式化，国际化场景可能需 str.format() 或模板。 
      template = \"姓名: {name}, 年龄: {age}\"print(template.format(name=\"Alice\", age=25))

9. 最佳实践

  1. 保持简洁：

    • 使用简单表达式，避免嵌套复杂逻辑。
    • 示例： 
      # 推荐result = x + yprint(f\"结果: {result}\")# 避免print(f\"结果: {x + y + complex_calculation()}\")

  2. 使用格式化选项：

    • 充分利用对齐、精度等功能，提升输出美观性。 
      print(f\"{\'项目\':<10} {\'得分\':>5}\")print(f\"{\'数学\':<10} {95:>5}\")# 输出:# 项目 得分# 数学 95

  3. 调试优先：

    • 使用 = 修饰符快速检查变量值。 
      print(f\"{data[\'key\']=}\") # 检查字典值

  4. 性能优化：

    • 在循环中优先使用 f-string，减少格式化开销。 
      for i in range(1000): print(f\"迭代: {i}\") # 优于 str.format()

  5. 安全性检查：

    • 对用户输入进行清洗，必要时使用参数化或模板。 
      name = sanitize_input(user_input)print(f\"欢迎, {name}\")

10. 总结表

功能 示例 说明 基本嵌入 f\"姓名: {name}\" 嵌入变量或简单表达式 复杂表达式 f\"{\', \'.join(names)}\" 支持推导式、函数调用 格式化对齐 f\"{name:>10}\" 控制宽度、填充、左右居中 数字格式化 f\"{pi:.2f}\" 控制精度、千位分隔、符号 修饰符 f\"{obj!r}\" 调用 str()、repr()、ascii() 调试模式 f\"{x=}\" 显示表达式和值（3.8+） 多行和注释 f\"结果: {sum([1, 2]) # 注释}\" 支持反斜杠、注释（3.12+）

11. 学习资源

  • 官方文档：
    • Python 教程：输入和输出
    • Common String Operations
    • What’s New In Python 3.12
  • 教程：
    • Real Python：Python’s F-String for String Interpolation and Formatting
    • W3Schools：Python F-Strings
  • 规范：
    • PEP 498 – Literal String Interpolation
    • PEP 701 – Syntactic Formalization of f-strings
  • 书籍：
    • 《Fluent Python》：深入讲解字符串处理。
    • 《Python Cookbook》：f-string 实用案例。

12. 总结

f-string 是 Python 中最现代、最推荐的字符串格式化工具，凭借简洁的语法、高效的性能和丰富的格式化选项，广泛应用于文本输出、数据格式化、调试等地方。Python 3.8 和 3.12 的改进进一步增强了其功能，但需注意日志记录、安全性和版本兼容性。学习者应通过实践掌握 f-string 的核心用法和最佳实践，结合格式化选项提升代码质量。

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