本文详细介绍了如何在polars中高效地重塑包含列表数据的dataframe。通过组合运用`unpivot`、`list.to_struct`和`unnest`等核心操作，教程演示了如何将原始列名转换为新的标识列，并将嵌套的列表元素展开成独立的宽格式列，最终实现数据结构的灵活转换，满足特定的分析需求。
在数据处理和分析中，我们经常需要对DataFrame的结构进行重塑，尤其当数据以列表形式存储在列中时。Polars作为一种高性能的DataFrame库，提供了强大且表达力丰富的API来处理这类复杂的数据转换。本教程将指导您如何将一个包含列表列的Polars DataFrame转换为一种更宽、更扁平的格式，其中原始列名变为新的标识列，而列表中的元素则被展开为独立的数值列。
初始数据结构
假设我们有一个Polars DataFrame，其中包含多个列，每列都存储着一个整数列表。例如：
import polars as pl
df = pl.DataFrame({
"foo": [[1, 2, 3], [7, 8, 9]],
"bar": [[4, 5, 6], [1, 0, 1]]
})
print("原始DataFrame:")
print(df)输出：
原始DataFrame: shape: (2, 2) ┌───────────┬───────────┐ │ foo ┆ bar │ │ --- ┆ --- │ │ list[i64] ┆ list[i64] │ ╞═══════════╪═══════════╡ │ [1, 2, 3] ┆ [4, 5, 6] │ │ [7, 8, 9] ┆ [1, 0, 1] │ └───────────┴───────────┘
我们的目标是将其转换为以下结构：
shape: (4, 4) ┌──────┬────────┬────────┬────────┐ │ Name ┆ Value0 ┆ Value1 ┆ Value2 │ │ --- ┆ --- ┆ --- ┆ --- │ │ str ┆ i64 ┆ i64 ┆ i64 │ ╞══════╪════════╪════════╪════════╡ │ foo ┆ 1 ┆ 2 ┆ 3 │ │ foo ┆ 7 ┆ 8 ┆ 9 │ │ bar ┆ 4 ┆ 5 ┆ 6 │ │ bar ┆ 1 ┆ 0 ┆ 1 │ └──────┴────────┴────────┴────────┘
这要求我们将原始列名（"foo", "bar"）作为新列（"Name"）的值，并将每个列表的元素展开成多列（"Value0", "Value1", "Value2"）。
实现步骤
要达到上述目标，我们需要执行一系列链式操作。Polars的表达式系统使得这种复杂转换变得非常直观和高效。
1. 列的透视转换（unpivot）
首先，我们需要将原始DataFrame的列名转换为一个新列的值。这可以通过unpivot方法实现，它通常用于将宽格式数据转换为长格式。
- variable_name="Name"：指定新列的名称，该列将包含原始DataFrame的列名。
- value_name="value"（默认）：指定新列的名称，该列将包含原始DataFrame中相应列的值。
# 假设 df 是原始 DataFrame
df_unpivoted = df.unpivot(variable_name="Name")
print("unpivot后的DataFrame:")
print(df_unpivoted)输出：
unpivot后的DataFrame: shape: (4, 2) ┌──────┬───────────┐ │ Name ┆ value │ │ --- ┆ --- │ │ str ┆ list[i64] │ ╞══════╪═══════════╡ │ foo ┆ [1, 2, 3] │ │ foo ┆ [7, 8, 9] │ │ bar ┆ [4, 5, 6] │ │ bar ┆ [1, 0, 1] │ └──────┴───────────┘
现在，我们有了一个Name列，其中包含了原始列名，以及一个value列，其中包含了对应的列表数据。
2. 将列表转换为结构体（list.to_struct）
value列现在包含的是列表。为了将这些列表的每个元素展开为独立的列，我们需要先将每个列表转换为一个结构体（Struct）。结构体是一种复合数据类型，可以包含多个命名字段。
pl.col("value").list.to_struct()方法用于将列表列转换为结构体列。
- fields=lambda x: f"Value{x}"：这是一个Lambda函数，用于为结构体中的每个字段生成名称。x代表列表元素的索引（从0开始）。例如，第一个元素将命名为"Value0"，第二个为"Value1"，依此类推。
# 承接 df_unpivoted
df_struct = df_unpivoted.with_columns(
pl.col("value").list.to_struct(fields=lambda x: f"Value{x}")
)
print("list.to_struct后的DataFrame:")
print(df_struct)输出：
list.to_struct后的DataFrame:
shape: (4, 2)
┌──────┬───────────────────┐
│ Name ┆ value │
│ --- ┆ --- │
│ str ┆ struct[i64, i64, … │
╞══════╪═══════════════════╡
│ foo ┆ {1,2,3} │
│ foo ┆ {7,8,9} │
│ bar ┆ {4,5,6} │
│ bar ┆ {1,0,1} │
└──────┴───────────────────┘现在value列的类型变成了struct，其内部包含了我们希望的Value0、Value1、Value2字段。
3. 展开结构体列（unnest）
最后一步是将这个结构体列“展开”，使其内部的字段成为DataFrame的顶级列。这正是unnest方法的作用。
# 承接 df_struct
df_final = df_struct.unnest("value")
print("unnest后的最终DataFrame:")
print(df_final)输出：
unnest后的最终DataFrame: shape: (4, 4) ┌──────┬────────┬────────┬────────┐ │ Name ┆ Value0 ┆ Value1 ┆ Value2 │ │ --- ┆ --- ┆ --- │ --- │ │ str ┆ i64 ┆ i64 ┆ i64 │ ╞══════╪════════╪════════╪════════╡ │ foo ┆ 1 ┆ 2 ┆ 3 │ │ foo ┆ 7 ┆ 8 ┆ 9 │ │ bar ┆ 4 ┆ 5 ┆ 6 │ │ bar ┆ 1 ┆ 0 ┆ 1 │ └──────┴────────┴────────┴────────┘
至此，我们已经成功地将原始DataFrame重塑成了目标格式。
完整解决方案代码
将上述所有步骤组合成一个链式操作，可以得到一个简洁高效的解决方案：
import polars as pl
df = pl.DataFrame({
"foo": [[1, 2, 3], [7, 8, 9]],
"bar": [[4, 5, 6], [1, 0, 1]]
})
output_df = (
df
.unpivot(variable_name="Name")
.with_columns(pl.col("value").list.to_struct(fields=lambda x: f"Value{x}"))
.unnest("value")
)
print("最终输出DataFrame:")
print(output_df)注意事项与总结
- 方法链的强大： Polars鼓励使用方法链来构建复杂的数据转换管道，这使得代码更具可读性和表达力。
- unpivot的灵活性： unpivot操作是处理宽-长格式转换的关键工具，它能够将多个数据列转换为两列（一列标识原始列名，一列存储值）。
- 列表展开模式： list.to_struct().unnest()是Polars中将列表列展开为多个独立列的常见且高效模式。list.to_struct负责将列表元素打包成一个中间结构，而unnest则负责将这个结构扁平化。
- 动态列命名： 在list.to_struct中使用fields=lambda x: f"Value{x}"可以根据列表元素的索引动态生成新的列名，这在处理长度不定的列表时非常有用。
- 性能考量： Polars的内部优化使得这些操作在处理大型数据集时依然能够保持出色的性能，避免了像Pandas中可能出现的性能瓶颈。
通过掌握这些Polars的核心转换技巧，您可以高效地处理各种复杂的数据重塑任务，从而更好地准备数据以进行进一步的分析或建模。
