Pandas的MultiIndex多层索引使用说明

MultiIndex多层索引

MultiIndex，即具有多个层次的索引，有些类似于根据索引进行分组的形式。通过多层次索引，我们就可以使用高层次的索引，来操作整个索引组的数据。通过给索引分类分组，则可以操作组数据。

1.创建方式

1.1.第一种：多维数组

我们在创建Series或DataFrame时，可以通过给index（columns）参数传递多维数组，进而构建多维索引。

【数组中每个维度对应位置的元素，组成每个索引值】

多维索引也可以设置名称（name性），属性的值为一维数组，元素的个数需要与索引的层数相同（每层索引都需要具有一个名称）。

1.2.第二种：MultiIndex

我们可以通过MultiIndex类的相关方法，预先创建一个MultiIndex对象，然后作为Series与DataFrame中的index（或columns）参数值。同时，可以通过names参数指定多层索引的名称。

• from_arrays：接收一个多维数组参数，高维指定高层索引，低维指定底层索引。
• from_tuples：接收一个元组的列表，每个元组指定每个索引（高维索引，低维索引）。
• from_product：接收一个可迭代对象的列表，根据多个可迭代对象元素的笛卡尔积进行创建索引。

from_product相对于前两个方法而言，实现相对简单，但是，也存在局限。

1.3.创建案例：

import numpy as np
import pandas as pd
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')

#通过给index（columns）参数传递多维数组，进而构建多维索引
# 多层索引，指定一个多维数组。多维数组中，逐级给出每层索引的值。
s = pd.Series([1, 2, 3, 4], index=[["A", "A", "B", "B"], ["a", "b", "c", "d"]])
# 多于多层索引，每一层都具有一个名字。
s.index.names = ["index1", "index2"]
display(s)
display(s.loc["A"].loc["a"])

df=pd.DataFrame(np.arange(9).reshape(3, 3), columns=[["X", "X", "Y"], ["x1", 'x2', 'y1']],index=[["A", "B", "B"], ["a", 'a', 'b']])
display(df)
display(df.loc["B"]) 
display(df["X"])
display(df.loc["B"].loc["a"]["X"]["x1"])

#通过MultiIndex类的方法进行创建。
# 通过列表的方式进行创建。（每个内嵌列表元素指定层次的索引，[[第0层索引], [第1层索引]，……[第n层索引]]）
array1=pd.MultiIndex.from_arrays([["A","A","B"],["a","b","a"]])
df=pd.DataFrame(np.random.rand(3,3),index=array1)
display(df)
# 通过元组构成列表的方式进行创建。[(高层，底层), (高层， 底层), ……]
tuple1 = pd.MultiIndex.from_tuples([("A", "a"), ("A", "b"), ("B", "a")])
df2 = pd.DataFrame(np.random.random((3, 3)), index=tuple1)
display(df2)
# 通过乘积（笛卡尔积）的方式进行创建。
product1 = pd.MultiIndex.from_product([["A", "B"], ["a", "b"]])
df3 = pd.DataFrame(np.random.random((4, 3)), index=product1)
display(df3)

2.多层索引操作

对于多层索引，同样也支持单层索引的相关操作，例如，索引元素，切片，索引数组选择元素等。我们也可以根据多级索引，按层次逐级选择元素。

多层索引的优势：通过创建多层索引，我们就可以使用高层次的索引，来操作整个索引组的数据。格式：

• s[操作]
• s.loc[操作]
• s.iloc[操作]

其中，操作可以是索引，切片，数组索引，布尔索引。

2.1.Series多层索引

• 通过loc（标签索引）操作，可以通过多层索引，获取该索引所对应的一组值。
• 通过iloc（位置索引）操作，会获取对应位置的元素值（与是否多层索引无关）。
• 通过s[操作]的行为有些诡异，建议不用。
  • 对于索引（单级），首先按照标签选择，如果标签不存在，则按照位置选择。
  • 对于多级索引，则按照标签进行选择。
  • 对于切片，如果提供的是整数，则按照位置选择，否则按照标签选择。
  • 对于数组索引, 如果数组元素都是整数，则根据位置进行索引，否则，根据标签进行索引。

2.2.DataFrame多层索引

• 通过loc（标签索引）操作，可以通过多层索引，获取该索引所对应的一组值。
• 通过iloc（位置索引）操作，会获取对应位置的一行（与是否多层索引无关）。
• 通过s[操作]的行为有些诡异，建议不用。
  • 对于索引，根据标签获取相应的列（如果是多层索引，则可以获得多列）。
  • 对于数组索引, 根据标签，获取相应的列（如果是多层索引，则可以获得多列）。
  • 对于切片，首先按照标签进行索引，然后再按照位置进行索引（取行）。

2.3.交换索引

df.swaplevel(i=-2, j=-1, axis=0)

我们可以调用DataFrame对象的swaplevel方法来交换两个层级索引。该方法默认对倒数第2层与倒数第1层进行交换。我们也可以指定交换的层。层次从0开始，由外向内递增（或者由上到下递增），也可以指定负值，负值表示倒数第n层。除此之外，我们也可以使用层次索引的名称来进行交换。

df = pd.DataFrame(np.random.rand(4, 4), index=[["A", "A", "B", "B"], ["a1", "a1", "b1", "c1"], ["a2", "b2", "c2", "c2"]])
df.index.names = ["layer1", "layer2", "layer3"]
display(df)
# 多层索引，编号从外向内，0， 1， 2， 3.同时，索引编号也支持负值。
# 负值表示从内向外，-1， -2， -3. -1表示最内层。
display(df.swaplevel())  #默认对倒数第2层与倒数第1层进行交换
display(df.swaplevel(0, 2))
# 交换多层索引时，我们除了可以指定层次的编号外，也可以指定索引层次的名称。
display(df.swaplevel("layer1", "layer3"))

2.4.索引排序

我们可以使用sort_index方法对索引进行排序处理。

Signature: df.sort_index(axis=0, level=None, ascending=True, inplace=False, kind='quicksort', na_position='last', sort_remaining=True, by=None)

• level：指定根据哪一层进行排序，默认为最外（上）层。该值可以是数值，索引名，或者是由二者构成的列表。
• inplace：是否就地修改。默认为False。

display(df.sort_index())  #默认索引排序
# 自定义排序的层次。
display(df.sort_index(level=1))
display(df.sort_index(level=2))
# 也可以通过索引的名称进行排序。
display(df.sort_index(level="layer1"))
display(df.sort_index(level="layer2"))

2.5.索引堆叠

通过DataFrame对象的stack方法，可以进行索引堆叠，即将指定层级的列转换成行。

• level：指定转换的层级，默认为-1。

# 进行堆叠  列->行      取消堆叠   行->列
df.stack()                     df.unstack()

2.6.取消堆叠

通过DataFrame对象的unstack方法，可以取消索引堆叠，即将指定层级的行转换成列。 level：指定转换的层级，默认为-1。 fill_value：指定填充值。默认为NaN。

df = pd.DataFrame(np.random.rand(4, 4), index=[["A", "B", "B", "A"], ["b", "b", "a", "c"], ["b2", "c2", "a2", "c2"]])
df.index.names = ["layer1", "layer2", "layer3"]
display(df)

# 取消堆叠，如果没有匹配的数据，则显示空值NaN。
display(df.unstack())

# 我们可以指定值去填充NaN（空值）。
df.unstack(fill_value=11)

# unstack默认会将最内层取消堆叠，我们也可以自行来指定层次。
display(df.unstack(0))

# 进行堆叠  列->行      取消堆叠   行->列
df.stack()              # df.unstack()
# stack堆叠也可以指定层次。
# stack堆叠也可以通过索引名进行操作。
df.stack(0)

2.7.设置索引

在DataFrame中，如果我们需要将现有的某一（几）列作为索引列，可以调用set_index方法来实现。

• Signature: df.set_index(keys, drop=True, append=False, inplace=False, verify_integrity=False)
• drop：是否丢弃作为新索引的列，默认为True。
• append：是否以追加的方式设置索引，默认为False。
• inplace：是否就地修改，默认为False。

df = pd.DataFrame({"pk":[1, 2, 3, 4], "age":[15, 20, 17, 8], "name":["n1", "n2", "n3", "n4"]})
display(df)
df1 = df.set_index("pk", drop=False)
display(df1)

2.8.重置索引

调用在DataFrame对象的reset_index，可以重置索引。该操作与set_index正好相反。

• Signature: df.reset_index(level=None, drop=False, inplace=False, col_level=0, col_fill='')
• level：重置索引的层级，默认重置所有层级的索引。如果重置所有索引，将会创建默认整数序列索引。
• drop：是否丢弃重置的索引列，默认为False。
• inplace：是否就地修改，默认为False。

df = pd.DataFrame({"pk":[1, 2, 3, 4], "age":[15, 20, 17, 8], "name":["n1", "n2", "n3", "n4"]})
#display(df)
df1 = df.set_index("pk", drop=False)
#display(df1)
df2 = df1.reset_index(0, drop=True)
display(df2)

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持猪先飞。