在数据分析和建模的过程中，相当多的时间要用在数据准备上：加载、清理、转换以及重塑。有时，存储在文件和数据库中的数据的格式不适合某个特定的任务。许多研究者都选择使用通用编程语言（如Python、Perl、R或Java）或UNIX文本处理工具（如sed或awk）对数据格式进行专门处理。pandas和内置的Python标准库提供了一组高级的、灵活的、快速的工具，可以轻松地将数据规整为想要的格式
一、处理缺失数据
在许多数据分析工作中，缺失数据是经常发生的。pandas的目标之一就是尽量轻松地处理缺失数据。例如，pandas对象的所有描述性统计默认都不包括缺失数据
缺失数据在pandas中呈现的方式有些不完美，但对于大多数用户可以保证功能正常。对于数值数据，pandas使用浮点值NaN（Not a Number）表示缺失数据。我们称其为哨兵值，可以方便的检测出来：
In [1]: string_data = pd.Series(['aardvark', 'artichoke', np.nan, 'avocado']) In [3]: string_data.isnull() Out[3]: 0 False 1 False 2 True 3 False
在pandas中，我们采用了R语言中的惯用法，即将缺失值表示为NA，它表示不可用not available。在统计应用中，NA数据可能是不存在的数据或者虽然存在，但是没有观察到（例如，数据采集中发生了问题）。当进行数据清洗以进行分析时，最好直接对缺失数据进行分析，以判断数据采集的问题或缺失数据可能导致的偏差。
Python内置的None值在对象数组中也可以作为NA：
In [4]: string_data[0] = None In [5]: string_data.isnull() Out[5]: 0 True 1 False 2 True 3 False
pandas项目中还在不断优化内部细节以更好处理缺失数据，像用户API功能，例如pandas.isnull，去除了许多恼人的细节
1、滤除缺失数据
1.1 Series对象
通过pandas.isnull或布尔索引的手工方法，但dropna可能会更实用一些。对于一个Series，dropna返回一个仅含非空数据和索引值的Series：
In [6]: from numpy import nan as NA In [7]: data = pd.Series([1, NA, 3.5, NA, 7]) In [8]: data.dropna() Out[8]: 0 1.0 2 3.5 4 7.0
这等价于：
In [9]: data[data.notnull()] Out[9]: 0 1.0 2 3.5 4 7.0
1.2 DataFrame对象
dropna默认丢弃任何含有缺失值的行，如
In [10]: data = pd.DataFrame([[1., 6.5, 3.], [1., NA, NA],
....: [NA, NA, NA], [NA, 6.5, 3.]])
In [11]: cleaned = data.dropna()
In [12]: data
Out[12]:
0 1 2
0 1.0 6.5 3.0
1 1.0 NaN NaN
2 NaN NaN NaN
3 NaN 6.5 3.0
In [13]: cleaned
Out[13]:
0 1 2
0 1.0 6.5 3.0
传入how='all’将只丢弃全为NA的那些行：
In [24]: data.dropna(how='all')
Out[24]:
0 1 2
0 1.0 6.5 3.0
1 1.0 NaN NaN
3 NaN 6.5 3.0
用这种方式丢弃列，只需传入axis=1即可：
In [25]: data[4] = NA
In [26]: data
Out[26]:
0 1 2 4
0 1.0 6.5 3.0 NaN
1 1.0 NaN NaN NaN
2 NaN NaN NaN NaN
3 NaN 6.5 3.0 NaN
In [27]: data.dropna(axis=1, how='all')
Out[27]:
0 1 2
0 1.0 6.5 3.0
1 1.0 NaN NaN
2 NaN NaN NaN
3 NaN 6.5 3.0
涉及时间序列数据，假设你只想留下一部分观测数据，可以用thresh参数实现此目的：
n [27]: df = pd.DataFrame(np.random.randn(7, 3))
In [28]: df.iloc[:4, 1] = NA
In [29]: df.iloc[:2, 2] = NA
In [30]: df
Out[30]:
0 1 2
0 -0.204708 NaN NaN
1 -0.555730 NaN NaN
2 0.092908 NaN 0.769023
3 1.246435 NaN -1.296221
4 0.274992 0.228913 1.352917
5 0.886429 -2.001637 -0.371843
6 1.669025 -0.438570 -0.539741
In [31]: df.dropna()
Out[31]:
0 1 2
4 0.274992 0.228913 1.352917
5 0.886429 -2.001637 -0.371843
6 1.669025 -0.438570 -0.539741
In [32]: df.dropna(thresh=2)
Out[32]:
0 1 2
2 0.092908 NaN 0.769023
3 1.246435 NaN -1.296221
4 0.274992 0.228913 1.352917
5 0.886429 -2.001637 -0.371843
6 1.669025 -0.438570 -0.539741
2、填充缺失数据
有时不想滤除缺失数据（有可能会丢弃跟它有关的其他数据），而是希望通过其他方式填补那些“空洞”。对于大多数情况而言，fillna方法是最主要的函数。通过一个常数调用fillna就会将缺失值替换为那个常数值：
In [33]: df.fillna(0)
Out[33]:
0 1 2
0 -0.204708 0.000000 0.000000
1 -0.555730 0.000000 0.000000
2 0.092908 0.000000 0.769023
3 1.246435 0.000000 -1.296221
4 0.274992 0.228913 1.352917
5 0.886429 -2.001637 -0.371843
6 1.669025 -0.438570 -0.539741
若是通过一个字典调用fillna，就可以实现对不同的列填充不同的值：
In [34]: df.fillna({1: 0.5, 2: 0})
Out[34]:
0 1 2
0 -0.204708 0.500000 0.000000
1 -0.555730 0.500000 0.000000
2 0.092908 0.500000 0.769023
3 1.246435 0.500000 -1.296221
4 0.274992 0.228913 1.352917
5 0.886429 -2.001637 -0.371843
6 1.669025 -0.438570 -0.539741
fillna默认会返回新对象，但也可以对现有对象进行就地修改：
In [35]: _ = df.fillna(0, inplace=True)
In [36]: df
Out[36]:
0 1 2
0 -0.204708 0.000000 0.000000
1 -0.555730 0.000000 0.000000
2 0.092908 0.000000 0.769023
3 1.246435 0.000000 -1.296221
4 0.274992 0.228913 1.352917
5 0.886429 -2.001637 -0.371843
6 1.669025 -0.438570 -0.539741
对reindexing有效的那些插值方法也可用于fillna：
In [37]: df = pd.DataFrame(np.random.randn(6, 3))
In [38]: df.iloc[2:, 1] = NA
In [39]: df.iloc[4:, 2] = NA
In [40]: df
Out[40]:
0 1 2
0 0.476985 3.248944 -1.021228
1 -0.577087 0.124121 0.302614
2 0.523772 NaN 1.343810
3 -0.713544 NaN -2.370232
4 -1.860761 NaN NaN
5 -1.265934 NaN NaN
In [41]: df.fillna(method='ffill') #向上填充
Out[41]:
0 1 2
0 0.476985 3.248944 -1.021228
1 -0.577087 0.124121 0.302614
2 0.523772 0.124121 1.343810
3 -0.713544 0.124121 -2.370232
4 -1.860761 0.124121 -2.370232
5 -1.265934 0.124121 -2.370232
In [42]: df.fillna(method='ffill', limit=2) #限制两个
Out[42]:
0 1 2
0 0.476985 3.248944 -1.021228
1 -0.577087 0.124121 0.302614
2 0.523772 0.124121 1.343810
3 -0.713544 0.124121 -2.370232
4 -1.860761 NaN -2.370232
5 -1.265934 NaN -2.370232
只要有些创新，你就可以利用fillna实现许多别的功能。比如说，你可以传入Series的平均值或中位数：
In [43]: data = pd.Series([1., NA, 3.5, NA, 7]) In [44]: data.fillna(data.mean()) Out[44]: 0 1.000000 1 3.833333 2 3.500000 3 3.833333 4 7.000000
二、数据转换
另一类重要操作则是过滤、清理以及其他的转换工作
1、移除重复数据
DataFrame中出现重复行有多种原因，如：
In [45]: data=pf.DataFrame({'k1': ['one', 'two'] * 3 + ['two'],
'k2': [1, 1, 2, 3, 3, 4, 4]})
In [46]: data
Out[46]:
k1 k2
0 one 1
1 two 1
2 one 2
3 two 3
4 one 3
5 two 4
6 two 4
1.1 DataFrame的duplicated方法返回一个布尔型Series，表示各行是否是重复行（前面出现过的行）
In [47]: data.duplicated() Out[47]: 0 False 1 False 2 False 3 False 4 False 5 False 6 True
1.2 drop_duplicates方法去除重复值，它会返回一个DataFrame，重复的数组会标为False
In [48]: data.drop_duplicates()
Out[48]:
k1 k2
0 one 1
1 two 1
2 one 2
3 two 3
4 one 3
5 two 4
备注：这两个方法默认会判断全部列，你也可以指定部分列进行重复项判断。假设我们还有一列值，且只希望根据k1列过滤重复项：
In [49]: data['v1'] = range(7)
In [50]: data.drop_duplicates(['k1']) #k1这一列中每行比较
Out[50]:
k1 k2 v1
0 one 1 0
1 two 1 1
duplicated和drop_duplicates默认保留的是第一个出现的值组合。传入keep='last’则保留最后一个：
In [51]: data.drop_duplicates(['k1', 'k2'], keep='last')
Out[51]:
k1 k2 v1
0 one 1 0
1 two 1 1
2 one 2 2
3 two 3 3
4 one 3 4
6 two 4 6
2、利用函数或映射进行数据转换
对于许多数据集，你可能希望根据数组、Series或DataFrame列中的值来实现转换工作：
In [52]: data = pd.DataFrame({'food': ['bacon', 'pulled pork', 'bacon',
....: 'Pastrami', 'corned beef', 'Bacon',
....: 'pastrami', 'honey ham', 'nova lox'],
....: 'ounces': [4, 3, 12, 6, 7.5, 8, 3, 5, 6]})
In [53]: data
Out[53]:
food ounces
0 bacon 4.0
1 pulled pork 3.0
2 bacon 12.0
3 Pastrami 6.0
4 corned beef 7.5
5 Bacon 8.0
6 pastrami 3.0
7 honey ham 5.0
8 nova lox 6.0
假设你想要添加一列表示该肉类食物来源的动物类型。我们先编写一个不同肉类到动物的映射：
meat_to_animal = {
'bacon': 'pig',
'pulled pork': 'pig',
'pastrami': 'cow',
'corned beef': 'cow',
'honey ham': 'pig',
'nova lox': 'salmon'
}
Series的map方法可以接受一个函数或含有映射关系的字典型对象，但是这里有一个小问题，即有些肉类的首字母大写了，而另一些则没有。因此，我们还需要使用Series的str.lower方法，将各个值转换为小写：
In [55]: lowercased = data['food'].str.lower()
In [56]: lowercased
Out[56]:
0 bacon
1 pulled pork
2 bacon
3 pastrami
4 corned beef
5 bacon
6 pastrami
7 honey ham
8 nova lox
Name: food, dtype: object
In [57]: data['animal'] = lowercased.map(meat_to_animal)
In [58]: data
Out[58]:
food ounces animal
0 bacon 4.0 pig
1 pulled pork 3.0 pig
2 bacon 12.0 pig
3 Pastrami 6.0 cow
4 corned beef 7.5 cow
5 Bacon 8.0 pig
6 pastrami 3.0 cow
7 honey ham 5.0 pig
8 nova lox 6.0 salmon
我们也可以传入一个能够完成全部这些工作的函数：
In [59]: data['food'].map(lambda x: meat_to_animal[x.lower()]) Out[59]: 0 pig 1 pig 2 pig 3 cow 4 cow 5 pig 6 cow 7 pig 8 salmon
3、替换值
利用fillna方法填充缺失数据可以看做值替换的一种特殊情况。前面已经看到，map可用于修改对象的数据子集，而replace则提供了一种实现该功能的更简单、更灵活的方式。我们来看看下面这个Series：
In [60]: data = pd.Series([1., -999., 2., -999., -1000., 3.]) In [61]: data Out[61]: 0 1.0 1 -999.0 2 2.0 3 -999.0 4 -1000.0 5 3.0
-999这个值可能是一个表示缺失数据的标记值。要将其替换为pandas能够理解的NA值，我们可以利用replace来产生一个新的Series（除非传入inplace=True）：
In [62]: data.replace(-999, np.nan) Out[62]: 0 1.0 1 NaN 2 2.0 3 NaN 4 -1000.0 5 3.0
如果你希望一次性替换多个值，可以传入一个由待替换值组成的列表以及一个替换值：
In [63]: data.replace([-999, -1000], np.nan) Out[63]: 0 1.0 1 NaN 2 2.0 3 NaN 4 NaN 5 3.0
要让每个值有不同的替换值，可以传递一个替换列表：
In [64]: data.replace([-999, -1000], [np.nan, 0]) Out[64]: 0 1.0 1 NaN 2 2.0 3 NaN 4 0.0 5 3.0
传入的参数也可以是字典：
In [65]: data.replace({-999: np.nan, -1000: 0})
Out[65]:
0 1.0
1 NaN
2 2.0
3 NaN
4 0.0
5 3.0
备注：data.replace方法与data.str.replace不同，后者做的是字符串的元素级替换。我们会在后面学习Series**的字符串方法
4、重命名轴索引
4.1 修改原始数据
跟Series中的值一样，轴标签也可以通过函数或映射进行转换，从而得到一个新的不同标签的对象。轴还可以被就地修改，而无需新建一个数据结构。接下来看看下面这个简单的例子：
In [66]: data = pd.DataFrame(np.arange(12).reshape((3, 4)), ....: index=['Ohio', 'Colorado', 'New York'], ....: columns=['one', 'two', 'three', 'four'])
跟Series一样，轴索引也有一个map方法：
In [67]: transform = lambda x: x[:4].upper() In [68]: data.index.map(transform) Out[68]: Index(['OHIO', 'COLO', 'NEW '], dtype='object')
你可以将其赋值给index，这样就可以对DataFrame进行就地修改：
In [69]: data.index = data.index.map(transform) In [70]: data Out[70]: one two three four OHIO 0 1 2 3 COLO 4 5 6 7 NEW 8 9 10 11
4.2 不修改原始数据
如果想要创建数据集的转换版（而不是修改原始数据），比较实用的方法是rename：
In [71]: data.rename(index=str.title, columns=str.upper)
Out[71]:
ONE TWO THREE FOUR
Ohio 0 1 2 3
Colo 4 5 6 7
New 8 9 10 11
特别说明一下，rename可以结合字典型对象实现对部分轴标签的更新：
In [72]: data.rename(index={'OHIO': 'INDIANA'},
....: columns={'three': 'peekaboo'})
Out[72]:
one two peekaboo four
INDIANA 0 1 2 3
COLO 4 5 6 7
NEW 8 9 10 11
rename可以实现复制DataFrame并对其索引和列标签进行赋值。如果希望就地修改某个数据集，传入inplace=True即可：
In [73]: data.rename(index={'OHIO': 'INDIANA'}, inplace=True)
In [74]: data
Out[74]:
one two three four
INDIANA 0 1 2 3
COLO 4 5 6 7
NEW 8 9 10 11
5、检测和过滤异常值
过滤或变换异常值（outlier）在很大程度上就是运用数组运算。来看一个含有正态分布数据的DataFrame：
In [92]: data = pd.DataFrame(np.random.randn(1000, 4))
In [93]: data.describe()
Out[93]:
0 1 2 3
count 1000.000000 1000.000000 1000.000000 1000.000000
mean 0.049091 0.026112 -0.002544 -0.051827
std 0.996947 1.007458 0.995232 0.998311
min -3.645860 -3.184377 -3.745356 -3.428254
25% -0.599807 -0.612162 -0.687373 -0.747478
50% 0.047101 -0.013609 -0.022158 -0.088274
75% 0.756646 0.695298 0.699046 0.623331
max 2.653656 3.525865 2.735527 3.366626
假设你想要找出某列中绝对值大小超过3的值：
In [94]: col = data[2] In [95]: col[np.abs(col) > 3] Out[95]: 41 -3.399312 136 -3.745356
要选出全部含有“超过3或－3的值”的行，你可以在布尔型DataFrame中使用any方法：
In [96]: data[(np.abs(data) > 3).any(1)]
Out[96]:
0 1 2 3
41 0.457246 -0.025907 -3.399312 -0.974657
60 1.951312 3.260383 0.963301 1.201206
136 0.508391 -0.196713 -3.745356 -1.520113
235 -0.242459 -3.056990 1.918403 -0.578828
258 0.682841 0.326045 0.425384 -3.428254
322 1.179227 -3.184377 1.369891 -1.074833
544 -3.548824 1.553205 -2.186301 1.277104
635 -0.578093 0.193299 1.397822 3.366626
782 -0.207434 3.525865 0.283070 0.544635
803 -3.645860 0.255475 -0.549574 -1.907459
根据这些条件，就可以对值进行设置。下面的代码可以将值限制在区间－3到3以内：
In [97]: data[np.abs(data) > 3] = np.sign(data) * 3
In [98]: data.describe()
Out[98]:
0 1 2 3
count 1000.000000 1000.000000 1000.000000 1000.000000
mean 0.050286 0.025567 -0.001399 -0.051765
std 0.992920 1.004214 0.991414 0.995761
min -3.000000 -3.000000 -3.000000 -3.000000
25% -0.599807 -0.612162 -0.687373 -0.747478
50% 0.047101 -0.013609 -0.022158 -0.088274
75% 0.756646 0.695298 0.699046 0.623331
max 2.653656 3.000000 2.735527 3.000000
根据数据的值是正还是负，np.sign(data)可以生成1和-1：
In [99]: np.sign(data).head()
Out[99]:
0 1 2 3
0 -1.0 1.0 -1.0 1.0
1 1.0 -1.0 1.0 -1.0
2 1.0 1.0 1.0 -1.0
3 -1.0 -1.0 1.0 -1.0
4 -1.0 1.0 -1.0 -1.0
6、计算指标/哑变量
另一种常用于统计建模或机器学习的转换方式是：将分类变量（categorical variable）转换为“哑变量”或“指标矩阵”。
如果DataFrame的某一列中含有k个不同的值，则可以派生出一个k列矩阵或DataFrame（其值全为1和0）。pandas有一个get_dummies函数可以实现该功能（其实自己动手做一个也不难）。使用之前的一个DataFrame例子：
In [109]: df = pd.DataFrame({'key': ['b', 'b', 'a', 'c', 'a', 'b'],
.....: 'data1': range(6)})
In [110]: pd.get_dummies(df['key'])
Out[110]:
a b c
0 0 1 0
1 0 1 0
2 1 0 0
3 0 0 1
4 1 0 0
5 0 1 0
有时候，你可能想给指标DataFrame的列加上一个前缀，以便能够跟其他数据进行合并。get_dummies的prefix参数可以实现该功能：
In [111]: dummies = pd.get_dummies(df['key'], prefix='key') In [112]: df_with_dummy = df[['data1']].join(dummies) In [113]: df_with_dummy Out[113]: data1 key_a key_b key_c 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 2 2 1 0 0 3 3 0 0 1 4 4 1 0 0 5 5 0 1 0
如果DataFrame中的某行同属于多个分类，则事情就会有点复杂。看一下MovieLens 1M数据集：
In [114]: mnames = ['movie_id', 'title', 'genres']
In [115]: movies = pd.read_table('datasets/movielens/movies.dat', sep='::',
.....: header=None, names=mnames)
In [116]: movies[:10]
Out[116]:
movie_id title genres
0 1 Toy Story (1995) Animation|Children's|Comedy
1 2 Jumanji (1995) Adventure|Children's|Fantasy
2 3 Grumpier Old Men (1995) Comedy|Romance
3 4 Waiting to Exhale (1995) Comedy|Drama
4 5 Father of the Bride Part II (1995) Comedy
5 6 Heat (1995) Action|Crime|Thriller
6 7 Sabrina (1995) Comedy|Romance
7 8 Tom and Huck (1995) Adventure|Children's
8 9 Sudden Death (1995)
Action
9 10 GoldenEye (1995) Action|Adventure|Thriller
要为每个genre添加指标变量就需要做一些数据规整操作。首先，我们从数据集中抽取出不同的genre值：
In [117]: all_genres = []
In [118]: for x in movies.genres:
.....: all_genres.extend(x.split('|'))
In [119]: genres = pd.unique(all_genres) #把不同的值提取出来
现在有：
In [120]: genres
Out[120]:
array(['Animation', "Children's", 'Comedy', 'Adventure', 'Fantasy',
'Romance', 'Drama', 'Action', 'Crime', 'Thriller','Horror',
'Sci-Fi', 'Documentary', 'War', 'Musical', 'Mystery', 'Film-Noir',
'Western'], dtype=object)
构建指标DataFrame的方法之一是从一个全零DataFrame开始：
In [121]: zero_matrix = np.zeros((len(movies), len(genres))) In [122]: dummies = pd.DataFrame(zero_matrix, columns=genres)
现在，迭代每一部电影，并将dummies各行的条目设为1。要这么做，我们使用dummies.columns来计算每个类型的列索引：
In [123]: gen = movies.genres[0]
In [124]: gen.split('|')
Out[124]: ['Animation', "Children's", 'Comedy']
In [125]: dummies.columns.get_indexer(gen.split('|'))#计算所属的类在哪
Out[125]: array([0, 1, 2])
然后，根据索引，使用.iloc设定值：
In [126]: for i, gen in enumerate(movies.genres):
.....: indices = dummies.columns.get_indexer(gen.split('|'))
.....: dummies.iloc[i, indices] = 1
然后，和以前一样，再将其与movies合并起来：
In [127]: movies_windic = movies.join(dummies.add_prefix('Genre_'))
In [128]: movies_windic.iloc[0]
Out[128]:
movie_id 1
title Toy Story (1995)
genres Animation|Children's|Comedy
Genre_Animation 1
Genre_Children's 1
Genre_Comedy 1
Genre_Adventure 0
Genre_Fantasy 0
Genre_Romance 0
Genre_Drama 0
...
Genre_Crime 0
Genre_Thriller 0
Genre_Horror 0
Genre_Sci-Fi 0
Genre_Documentary 0
Genre_War 0
Genre_Musical 0
Genre_Mystery 0
Genre_Film-Noir 0
Genre_Western 0
Name: 0, Length: 21, dtype: object
备注：对于很大的数据，用这种方式构建多成员指标变量就会变得非常慢。最好使用更低级的函数，将其写入NumPy数组，然后结果包装在DataFrame中
一个对统计应用有用的秘诀是：结合get_dummies和诸如cut之类的离散化函数：
In [129]: np.random.seed(12345) #andom.seed( ) 用于指定生成随机数时所用算法的初始值
In [130]: values = np.random.rand(10)
In [131]: values
Out[131]:
array([ 0.9296, 0.3164, 0.1839, 0.2046, 0.5677, 0.5955, 0.9645,
0.6532, 0.7489, 0.6536])
In [132]: bins = [0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1]
In [133]: pd.get_dummies(pd.cut(values, bins))
Out[133]:
(0.0, 0.2] (0.2, 0.4] (0.4, 0.6] (0.6, 0.8] (0.8, 1.0]
0 0 0 0 0 1
1 0 1 0 0 0
2 1 0 0 0 0
3 0 1 0 0 0
4 0 0 1 0 0
5 0 0 1 0 0
6 0 0 0 0 1
7 0 0 0 1 0
8 0 0 0 1 0
9 0 0 0 1 0
