Python 中的字符串格式化曾经有点麻烦。必须在 % 运算符、str.format（） 或字符串连接的组合之间进行选择，才能将变量注入字符串中。幸运的是，Python 3.6 引入了 f-strings（格式化字符串文字），这是一种使代码更简洁、更具可读性和更高效的强大方法。

什么是 f 字符串？

f-string 是前缀为字母 f 的字符串文本，允许在大括号 {} 内包含表达式，这些表达式在运行时进行计算。这使得包含变量值、执行计算甚至调用函数变得容易 - 所有这些都直接在字符串中完成。

下面是一个基本示例：

name = "Alice"
age = 30
message = f"My name is {name} and I am {age} years old."
print(message)

输出：

My name is Alice and I am 30 years old.

f 字符串的美妙之处在于它们的简单性：您只需在开始引号前加上一个 f，然后使用 {} 将值直接插入到字符串中。

f 字符串的优点

1. 可读性

与旧的格式设置方法相比，F 字符串更具可读性，因此很容易看到每个变量或表达式的去向。

2. 简洁

F 字符串消除了对 str.format（） 等详细方法调用的需要。您的字符串更简洁，代码更短。

3. 灵活性

可以在 {} 中嵌入任何有效的 Python 表达式，包括算术运算或函数调用。

4. 类型提示集成

使用类型提示时，f-strings 可以帮助确保变量的格式与其预期类型一致：

def greet(user: str) -> str:
    return f"Hello, {user}!"

print(greet("Alice"))

类型提示与 f 字符串相结合，有助于使代码自文档化且可读。

使用 f 字符串的示例

1. 使用 f 字符串格式化变量

假设有一些表示产品的变量：

product = "Laptop"
price = 999.99
formatted = f"The {product} costs ${price:.2f}."
print(formatted)

输出：

The Laptop costs $999.99.

此处，：.2f 指定价格的格式应为小数点后两位 — 非常适合显示货币值。

2. 在 f 字符串中执行计算

您可以直接在 f 字符串中包含计算：

length = 5
width = 3
area_message = f"The area of the rectangle is {length * width} square units."
print(area_message)

输出：

The area of the rectangle is 15 square units.

3. 使用格式说明符

F 字符串支持各种格式说明符来控制输出：

# Right-aligned text with padding
print(f"|{'Hello':>10}|")

# Left-aligned text
print(f"|{'World':<10}|")

# Center-aligned text
print(f"|{'Center':^10}|")

# Formatting numbers
num = 1234.56789
print(f"Number with commas: {num:,.2f}")
print(f"Percentage: {0.756:.1%}")

输出：

|     Hello|
|World     |
| Center   |
Number with commas: 1,234.57
Percentage: 75.6%

4. 使用 f 字符串进行调试

使用 {var=} 语法进行快速调试：

x = 42
print(f"{x=}")

输出：

x=42

高级功能

1. 多行 f 字符串

对于较长的字符串，请使用多行 f 字符串以获得更好的可读性：

name = "Alice"
city = "Wonderland"
message = (
    f"Hello, {name}!\n"
    f"Welcome to {city}. We hope you enjoy your stay."
)
print(message)

2. 处理特殊字符

如果你需要在 f 字符串中包含大括号 {}，只需将它们加倍即可：

result = f"To include curly braces, use double braces: {{ and }}."
print(result)

输出：

To include curly braces, use double braces: { and }.

与模板字符串的比较

虽然 f-strings 通常更快、可读性更强，但 string 模块中的 Python 模板字符串在处理不受信任的 input 时提供了更好的安全性。

from string import Template

user_input = "Alice"
template = Template("Hello, $name!")
message = template.substitute(name=user_input)
print(message)

模板字符串更安全，因为它们只允许变量替换，不支持任意表达式。在处理用户生成的内容以防止注入攻击时，这可能是一个显著的优势。

安全注意事项

F 字符串允许任意表达式，如果您直接合并用户输入，这可能会有风险：

user_input = "__import__('os').system('ls')"
# Dangerous! Avoid using f-strings with untrusted input:
# print(f"User input: {user_input}")

相反，在将用户输入包含在 f 字符串中之前，请使用 Template strings 或对其进行清理，以避免潜在的安全漏洞。

性能比较

f 弦的主要优点之一是它们的性能。让我们将 f 字符串与 % 运算符、str.format（） 和模板字符串进行比较：

import timeit

name = "Alice"
age = 30

f_string_time = timeit.timeit("f'{name} is {age} years old'", globals=globals(), number=1000000)
format_time = timeit.timeit("'{} is {} years old'.format(name, age)", globals=globals(), number=1000000)
percent_time = timeit.timeit("'%s is %d years old' % (name, age)", globals=globals(), number=1000000)
template_time = timeit.timeit("Template('$name is $age years old').substitute(name=name, age=age)", 
                              globals=globals(), number=1000000)

print(f"f-string: {f_string_time:.6f}s, str.format(): {format_time:.6f}s, %-formatting: {percent_time:.6f}s, Template: {template_time:.6f}s")

典型输出：

f-string: 0.085123s, str.format(): 0.121456s, %-formatting: 0.130567s, Template: 0.155789s

结论：f 字符串是最快的，但如果安全是一个问题（例如，处理用户输入），请考虑使用模板字符串。

要避免的陷阱

1. 仅限 Python 3.6+

F 字符串仅在 Python 3.6 及更高版本中可用。如果您使用的是旧版本，则需要使用其他格式设置方法。

2. 保持表达式简单

避免在 {} 中使用过于复杂的表达式以提高可读性：

# Instead of this:
formatted = f"The result is {((10 ** 2 + 5) / 3):.2f}"

# Do this:
result = (10 ** 2 + 5) / 3
formatted = f"The result is {result:.2f}"

3. 谨慎对待用户输入

切勿直接将 f 字符串与不受信任的输入一起使用。使用 Template strings 以获得更安全的方法。

结论

F 字符串提供了一种现代、可读且简洁的方式来在 Python 中格式化字符串。它们功能强大、灵活且性能卓越，是大多数使用案例的理想选择。但是，对于涉及用户输入的方案，请考虑使用 Template strings 以避免安全问题。