【Python】Python 的格式化字符串（f-string）

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。

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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 = 25
print(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。

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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 = 10
y = 20
print(f"结果: {x + y}")  # 输出: 结果: 30
print(f"平方: {x ** 2}")  # 输出: 平方: 100

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

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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 = 3.14159
print(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 = 42
print(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 datetime
now = 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

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

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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。

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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 timeit
print(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

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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 = 95
  print(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 datetime
  now = 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 = 42
  print(f"{x=}")  # 输出: x=42
  

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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 logging
     logging.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))
     

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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 + y
     print(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}")
     

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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+）

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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。

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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、调试等领域。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。