Python 和 Pandas 在 SQLite 数据库中的运用

本文讲的是Python 和 Pandas 在 SQLite 数据库中的运用，

SQLite 是一个数据库引擎，使用它能方便地存储和处理关系型数据。它和 csv 格式很相似，SQLite 把数据存储在一个单独的文件中，它能方便地与其他人共享。大部分的编程语言和编译环境都对 SQLite 数据库提供了很好的支持。Python 也不例外，并且专门有一个访问 SQLite 数据库的程序库，叫做 sqlite3，自从 2.5 版本以来，它就已经被 Python 纳入标准库里。在这篇博文中，我们将学会如何使用 sqlite3 创建、查询和更新数据库。也包括了，使用 pandas 程序包如何简化SQLite 数据库。我们会使用 Python 3.5，但是所有的实现方法应该兼容 Python 2。

在我们开始之前，让我们先快速检阅下我们之后要处理的数据。我们看到的是航空公司的航班数据，它包含了有关航空公司的信息，机场名称和往来各个机场的航线名称。每一条航线代表着有一架航班重复往返于目的地和始发地的机场。

所有的数据都存在一个叫做 flights.db 的数据库中，它有三张表格 - airports, airliens, routes。你可以到 这里 下载到它。

这里有两行来自 airlines 表格的数据:

	id	name	alias	iata	icao	callsign	country	active
10	11	4D Air	\N	NaN	QRT	QUARTET	Thailand	N
11	12	611897 Alberta Limited	\N	NaN	THD	DONUT	Canada	N

就如你在上表中看到的，每一行都是一个不同的航空公司，每一列是这个航空公司的属性，例如 name 和 country。每一个航空公司也都有一个独一无二的 id，所以如果需要的时候，我们能非常方便地查询到。

这里有两行来自 airports 表格的数据:

	id	name	city	country	code	icao	latitude	longitude	altitude	offset	dst	timezone
0	1	Goroka	Goroka	Papua New Guinea	GKA	AYGA	-6.081689	145.391881	5282	10	U	Pacific/Port_Moresby
1	2	Madang	Madang	Papua New Guinea	MAG	AYMD	-5.207083	145.7887	20	10	U	Pacific/Port_Moresby

就如你所看到的，每一行都对应了一个机场，并且包含了机场所在地的信息。每一个机场也有一个独一无二的 id，所以我们也能方便地进行查询。

这里有两行来自 routes 表格的数据:

	airline	airline_id	source	source_id	dest	dest_id	codeshare	stops	equipment
0	2B	410	AER	2965	KZN	2990	NaN	0	CR2
1	2B	410	ASF	2966	KZN	2990	NaN	0	CR2

每一条航线包含有一个 airline_id，这个 id 代表飞这条航线的航空公司，souce_id 也是，它是航班始发地机场的 id，而 dest_id 是该航班目的地机场的 id。

至此，我们知道了需要处理的是什么数据，让我们先从连接数据库和执行一条查询指令开始。

使用 Python 执行数据库的查询指令

为了通过 Python 使用 SQLite 数据库，我们先要连接这个数据库。我们可以使用 connect 方法, 它返回一个 Connection 对象:

import sqlite3

conn = sqlite3.connect("flights.db")

一旦我们有了一个 Connection 对象，之后创建一个 Cursor 对象。Cursors 让我们能对一个数据库执行 SQL 查询指令。

cur = conn.cursor()

一旦我们有了这个 Cursor 对象，我们能使用它通过适当地调用 execute 方法来对数据库执行查询指令。通过以下代码，你能从 airlines 表中获取前 5 行数据结果。

cur.execute("select * from airlines limit 5;")

你可能已经注意到，我们没有把之前的查询结果存储到一个变量中。这是因为我们需要执行另外一个指令来真正地获得结果。我们可以使用 fetchall 方法来获取查询的结果。

results = cur.fetchall()
print(results)





[(0, '1', 'Private flight', '\\N', '-', None, None, None, 'Y'),
 (1, '2', '135 Airways', '\\N', None, 'GNL', 'GENERAL', 'United States', 'N'),
 (2, '3', '1Time Airline', '\\N', '1T', 'RNX', 'NEXTIME', 'South Africa', 'Y'),
 (3, '4', '2 Sqn No 1 Elementary Flying Training School', '\\N', None, 'WYT', None, 'United Kingdom', 'N'),
 (4, '5', '213 Flight Unit', '\\N', None, 'TFU', None, 'Russia', 'N')]

如你所见，查询结果以 一组 tuples 的格式返回。每一个 tuple 对应了我们从数据库中访问到某一行数据。以这种形式处理数据是非常麻烦的。我们需要人为地增加每一列的表头，并且手动解析数据。 幸运的是，pandas 提供的库中有更加便捷的方法，我们会在下一个部分中提到它。

在我们继续探索之前，及时关闭那些被打开的 Connection 对象 和 Cursor 对象 是良好的习惯。这样避免了 SQLite 数据库被锁上。当一个 SQLite 数据库被锁上的时候，你可能就无法对这个数据库进行更新操作了，也会得到错误的提示。我们能通过以下方式关闭 Connection 对象 和 Cusor 对象:

cur.close()
conn.close()

绘制机场地图

使用我们新发现的查询指令，我们能在世界地图上描绘和展示出所有机场的位置。首先，我们先要查询机场的经纬度坐标：

import sqlite3

conn = sqlite3.connect("flights.db")
cur = conn.cursor()
coords = cur.execute("""
  select cast(longitude as float),
  cast(latitude as float)
  from airports;"""
).fetchall()

以上的查询代码将检索返回 airports 表中每列 latitude 和 longitude 的数据，并把结果转化成 float 类型。之后，我们调用 fetchall 方法来获取他们。

接下来，我们通过导入 matplotlib 来创建我们的测绘图，它是 Python 上主要的绘图库。结合 basemap 包，这允许我们只使用 Python 就能创建地图。

首先，我们需要导入这些库:

from mpl_toolkits.basemap import Basemap
import matplotlib.pyplot as plt

之后，建立我们的地图，并且描绘出大陆和海岸线，它们会构成我们地图的背景。

m = Basemap(
  projection='merc',
  llcrnrlat=-80,
  urcrnrlat=80,
  llcrnrlon=-180,
  urcrnrlon=180,
  lat_ts=20,
  resolution='c'
)

m.drawcoastlines()
m.drawmapboundary()

最后，我们在地图上描绘出每一个机场的坐标。我们从 SQLite 数据库中检索一组 tuples。 在每个 tuple 中第一个元素是飞机场的经度，第二个是纬度。我们会把这些经度和纬度转换成它们自己的数组，之后把它们描绘在地图上。

x, y = m(
  [l[0] for l in coords],
  [l[1] for l in coords]
)

m.scatter(
  x,
  y,
  1,
  marker='o',
  color='red'
)

最终，我们把每一个机场都展现在了世界地图上:

你可能注意到，直接操作来自数据库的数据让你痛苦不堪。我们需要记住每一个 tuple 的位置对应到数据库中每一列是什么，并且手动为每一列解析出每组各自的内容。

用 pandas DataFrame 读取数据结果

我们能使用 pandas 的 read_sql_query 方法直接把一条 SQL 查询结果读取到一个 pandas DataFrame 中。下面的代码将执行和前文中作用一样的查询，但是它会返回一个 DataFrame。对比前文的数据查询方式，它能带来诸多好处:

• 我们不需要每次到最后都创建一个 Cursor 对象 或者调用 fetchall。
• 它能自动通过表头的名字来阅读整个表。
• 它创建了一个 DataFrame，所以我们能快速的挖掘数据。

    import pandas as pd
    import sqlite3

    conn = sqlite3.connect("flights.db")
    df = pd.read_sql_query("select * from airlines limit 5;", conn)
    df

	index	id	name	alias	iata	icao	callsign	country	active
0	0	1	Private flight	\N	-	None	None	None	Y
1	1	2	135 Airways	\N	None	GNL	GENERAL	United States	N
2	2	3	1Time Airline	\N	1T	RNX	NEXTIME	South Africa	Y
3	3	4	2 Sqn No 1 Elementary Flying Training School	\N	None	WYT	None	United Kingdom	N
4	4	5	213 Flight Unit	\N	None	TFU	None	Russia	N

如你所见，我们得到了一个有着清晰格式的 DataFrame 作为结果。我们能方便地操作这些列:

df["country"]





  0              None
  1     United States
  2      South Africa
  3    United Kingdom
  4            Russia
  Name: country, dtype: object

强烈建议尽可能使用 read_sql_query 方法。

构建航线图

至此，我们已经知道如何把查询结果读取到 pandas DataFrames 中，我们能在世界地图上创建每一个航空公司的航线图。首先，我们需要查询这些数据。查询方式如下:

• 获取每一条航线中始发地机场的经纬度。
• 获取每一条航线中目的地机场的经纬度。
• 把所有这些坐标转换成 float 类型。
• 把检索结果读取进一个 DataFrame 中，并把他们存在变量 routes 中。

    routes = pd.read_sql_query("""
                               select cast(sa.longitude as float) as source_lon,
                               cast(sa.latitude as float) as source_lat,
                               cast(da.longitude as float) as dest_lon,
                               cast(da.latitude as float) as dest_lat
                               from routes
                               inner join airports sa on
                               sa.id = routes.source_id
                               inner join airports da on
                               da.id = routes.dest_id;
                               """,
                               conn)

之后，我们开始创建地图:

m = Basemap(projection='merc',llcrnrlat=-80,urcrnrlat=80,llcrnrlon=-180,urcrnrlon=180,lat_ts=20,resolution='c')
m.drawcoastlines()

首先，我们开始遍历最先的 3000 行数据，并绘制他们。代码如下:

• 把前 3000 行数据遍历存储到 routes 中。
• 判断航线是否太长。
• 如果航线不是很长:
  • 在始发地和目的地之间画一个圈。

    for name, row in routes[:3000].iterrows():
        if abs(row["source_lon"] - row["dest_lon"]) < 90:
            # Draw a great circle between source and dest airports.
            m.drawgreatcircle(
                row["source_lon"],
                row["source_lat"],
                row["dest_lon"],
                row["dest_lat"],
                linewidth=1,
                color='b'
            )

最后，我们完成了这个地图:

比起直接使用 sqlite3 处理这些原始检索数据，当我们使用 pandas 把所有的 SQL 检索到的数据读入一个 DataFrame 中是一个非常有效的方法。

至此，我们理解了如何检索数据库的内容，接下来，让我们看看如何对这些数据进行修改。

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修改数据库的内容

我们可以使用 sqlite3 开发包来修改一个 SQLite 数据库，比如插入，更新或者删除某些行内容。创建数据库的连接和查询一个数据表的方法一样，所以我们会跳过这个部分。

使用 Python 插入行内容

为了插入一行数据，我们需要写一条 INSERT 查询指令。以下代码会对 airlines 表中新增加一行数据。我们指定 9 个需要被添加的数据，对应着 airlines 表格的每一列。这会为这个表增加一行新数据。

cur = conn.cursor()
cur.execute("insert into airlines values (6048, 19846, 'Test flight', '', '', null, null, null, 'Y')")

如果你尝试对这个表格进行检索，你其实还不能看到这条新的数据。然而，你会看到一个名字为 flights.db-journal 的文件被创建了。在你准备好把它 commit 到主数据库 flights.db 之前，flights.db-journal 会代为存储新增加的行数据。

SQLite 并不会写入数据库直到你提交了一个 transaction。每一个 transaction 包含了 1 个或者多个查询指令，它能把所有新的变化一次性提交给数据库。这样的设计使得从意外的修改或错误中恢复变得更加容易。Transaction 允许你执行多个查询指令，最终这些结果都会修改数据库。这确保了如果有一条查询指令失败了，数据库不会只有部分内容被更新。

举个例子来说，如果你有两张表，一张表包含了对银行账户收取的费用(charges)，另一张表包含了账户在银行内存款的余额(balances)。假定有一位银行客户 Roberto，他想给姐妹 Luisa 转 $50 美元。为了完成这笔交易，银行应该需要执行以下几步:

• 在 charges 中新增加一行，描述有 $50 美元正要从 Roberto 的账户转到 Luisa。
• 更新 Roberto balances 表中的数据内容，并且移除 $50 美元。
• 更新 Luisa balances 表中的数据内容，并且增加 $50 美元。

如此来说，为了更新所有的表格需要三次单独的 SQL 查询指令。如果一个查询指令失败了，我们的数据库就会被破损的数据卡住。举例来说，如果前两条指令成功运行了，第三条失败了，Roberto 将会损失他的钱，但是 Luisa 也不会获得这笔钱。Transactions 意味着主数据库不会被更新除非所有的查询指令都被成功执行。这避免了系统进入错误的状态，用户可能会丢失他们的存款。

默认情况下，当你执行了任何会修改数据库的查询指令时，sqlite3 会打开一个 transaction。你能在 这里 了解更多。我们能提交 transaction，也能使用 commit 方法对 airlines 表新增加内容:

conn.commit()

现在，当我们检索 flights.db 的时候，我们将看到这个额外的数据，它包含我们的测试航班。

pd.read_sql_query("select * from airlines where id=19846;", conn)

	index	id	name	alias	iata	icao	callsign	country	active
0	1	19846	Test flight			None	None	None	Y

对检索增加条件参数

在最后那条查询指令中，我们把固定值插入到所需要的数据库中。多数情况下，当你想插入数据到数据库中的时候，它不会是一些固定值，它应该是一些你想传入方法的动态值。这些动态值可能来自于下载得到的数据，或者来自于用户的输入。

当操作动态值的时候，有些人尝试用 Python 的格式化字符串来插入这些值:

cur = conn.cursor()
name = "Test Flight"
cur.execute("insert into airlines values (6049, 19847, {0}, '', '', null, null, null, 'Y')".format(name))
conn.commit()

你应该避免这样做！通过 Python 的格式化字符串插入数值会让你的程序更加容易受到 SQL 注入 的攻击。幸运的是，sqlite3 有一个更加直接的方式来注入动态值，而不是依赖格式化的字符串。

cur = conn.cursor()
values = ('Test Flight', 'Y')
cur.execute("insert into airlines values (6049, 19847, ?, '', '', null, null, null, ?)", values)
conn.commit()

任何在查询指令中以 ? 形式出现的数值都会被 values 中的数值替代。第一个 ? 将会被 values 中的第一个数值替代，第二个也是，其他以此类推。这个方式对任何形式的查询指令都有用。如此就创建了一个 SQLite 带参数形式的查询指令，它有效避免了 SQLite 注入 的问题。

更新行数据内容

通过使用 execute 方法，我们可以修改在 SQLite 表格中某些行数据的内容:

cur = conn.cursor()
values = ('USA', 19847)
cur.execute("update airlines set country=? where id=?", values)
conn.commit()

之后，我们能验证更新的内容:

pd.read_sql_query("select * from airlines where id=19847;", conn)

	index	id	name	alias	iata	icao	callsign	country	active
0	6049	19847	Test Flight			None	None	USA	Y

删除某些行数据的内容

最后，通过使用 execute 方法，我们能删除数据库中的某些行数据内容:

cur = conn.cursor()
values = (19847, )
cur.execute("delete from airlines where id=?", values)
conn.commit()

之后，通过确认没有相匹配的查询内容，我们能验证这些行数据内容确实被删除了:

pd.read_sql_query("select * from airlines where id=19847;", conn)

创建表格

我们可以通过执行一条 SQLite 查询指令来创建表。我们能创建一个表，它能展示每天在某一条航线上的航班，使用以下几列:

• id — 整型
• departure — 日期型，表示飞机离开机场的时间
• arrival — 日期型，表示飞机到达目的地的时间
• number — 文本型，飞机航班号
• route_id — 整型，正在飞行的航线号

    cur = conn.cursor()
    cur.execute("create table daily_flights (id integer, departure date, arrival date, number text, route_id integer)")
    conn.commit()

一旦我们创建了这个表，我们就能对这个表插入数据:

cur.execute("insert into daily_flights values (1, '2016-09-28 0:00', '2016-09-28 12:00', 'T1', 1)")
conn.commit()

当我们对该表执行查询指令的时候，我们就能看到这些行数据内容:

pd.read_sql_query("select * from daily_flights;", conn)

	id	departure	arrival	number	route_id
0	1	2016-09-28 0:00	2016-09-28 12:00	T1	1

使用 pandas 创建表

pandas 包提供给我们一个更加快捷地创建表格的方法。我们只需要先创建一个 DataFrame，之后把它导出到一个 SQL 表格内。首先，我们将创建一个 DataFrame:

from datetime import datetime
df = pd.DataFrame(
    [[1, datetime(2016, 9, 29, 0, 0) , datetime(2016, 9, 29, 12, 0), 'T1', 1]],
    columns=["id", "departure", "arrival", "number", "route_id"]
)

之后，我们就能调用 to_sql 方法，它将 df 转化成一个数据库中的数据表。我们把参数 keep_exists 设定成 replace，为了删除并且替换数据库中任何已存在的 daily_flights:

df.to_sql("daily_flights", conn, if_exists="replace")

通过对数据库执行查询指令，我们能验证是否正常工作了:

pd.read_sql_query("select * from daily_flights;", conn)

	index	id	departure	arrival	number	route_id
0	0	1	2016-09-29 00:00:00	2016-09-29 12:00:00	T1	1

使用 Pandas 修改数据表

对于现实世界中的数据科学来说，最难处理的部分就是那些几乎经常每秒都不停变换着的数据。拿 aireline 这个例子来说，我们可能决定在 airelines 表中新增加一个 airplanes 的属性，它显示出每一个航空公司拥有多少架飞机。幸运的是，在SQLite 中有一个方式能修改表并且添加这些列:

cur.execute("alter table airlines add column airplanes integer;")

请注意，我们不需要调用 commit 方法 —— alter table 查询指令会被立刻执行，并且不会发生在一个 transaction 中。现在，我们能查询并且看到这些额外的列:

pd.read_sql_query("select * from airlines limit 1;", conn)

	index	id	name	alias	iata	icao	callsign	country	active	airplanes
0	0	1	Private flight	\N	-	None	None	None	Y	None

你可能注意到了，在 SQLite 中所有的列都被设值成了 null（在 Python 中被转化成了 None），因为这些列还没有任何数值。

使用 Pandas 修改表

也可以使用 Pandas 通过把表导出成 DataFrame 去修改表格的内容，仅需要对 DataFrame 进行修改，之后把这个DataFrame 导出成一个表:

df = pd.read_sql("select * from daily_flights", conn)
df["delay_minutes"] = None
df.to_sql("daily_flights", conn, if_exists="replace")

以上代码将会对 daily_flight 表增加一个叫做 delay_minutes 的列项。

延伸阅读

你现在应该对在 SQLite 数据库中如何使用 Python 和 Pandas 对数据操作有了一个很好的掌握和认识了。本文包含了查询数据库，更新行数据内容，插入行数据内容，删除行数据内容，创建数据表和修改数据表。这些已经覆盖了主要的 SQL 操作内容，这些几乎就是你的日常工作。

如果你想要深入了解，以下是一些补充资料:

• sqlite3 在线文档
• 比较 pandas 和 SQL
• 在线课程 —— Dataquest SQL
• sqlite3 操作指南

如果你想继续自己操作下，你能从 这里 下载到博文中使用的 flights.db 文件。

原文发布时间为：2016年12月08日

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