譯者 | 布加迪

審校 | 重樓

你是否已厭倦了使用臃腫的工具來處理雜亂的數(shù)據(jù)？本文介紹了如何使用Bash 清理和轉換數(shù)據(jù)集。

今天，我們將學習如何使用Bash清理數(shù)據(jù)，這是處理數(shù)據(jù)的任何人必備的一項技能。雖然我們許多人在處理數(shù)據(jù)時會使用Python或R，但你也可以使用Bash快速高效地處理數(shù)據(jù)，可直接從命令行進行處理。

本文不僅會介紹相關命令，還逐步介紹了每個步驟背后的思考過程，解釋了我們?yōu)槭裁词褂锰囟钜约八鼈內(nèi)绾螀f(xié)同工作以解決常見的數(shù)據(jù)清理問題。

讓我們開始吧！

了解數(shù)據(jù)清理過程

在深入探討代碼之前，不妨先了解一下數(shù)據(jù)清理的實際含義。數(shù)據(jù)清理指將雜亂的原始數(shù)據(jù)轉化成準確、完整、隨時可供分析的數(shù)據(jù)。這包括：

• 處理缺失值
• 修復格式問題
• 刪除重復數(shù)據(jù)
• 標準化不一致的數(shù)據(jù)
• 依據(jù)業(yè)務規(guī)則驗證數(shù)據(jù)

因此，干凈的數(shù)據(jù)對于準確的分析和可靠的結果至關重要。“垃圾進、垃圾出”這個原則非常適用于數(shù)據(jù)科學（這并不奇怪！）。

我們在本教程中將使用一個示例數(shù)據(jù)集：users.csv 文件。

了解你的數(shù)據(jù)

在進行任何更改之前，了解你在處理的數(shù)據(jù)很重要。不妨探究一些基本的檢查命令。

要查看文件的內(nèi)容，你可以使用cat 命令。

$ cat users.csv

輸出：

1,John,Smith,john.smith@example.com,2023-01-15,2023-03-20,125.99
2,Jane,Doe,jane.doe@example.com,2023-01-16,2023-03-21,210.50
3,Bob,Johnson,bob@example.com,2023-01-17,2023-03-22,0
4,Alice,Williams,alice.williams@example.com,2023-01-18,,75.25
5,,Brown,mike.brown@example.com,2023-01-19,2023-03-24,150.75
6,Sarah,Miller,sarah.miller@example.com,invalid_date,2023-03-25,95.00
7,David,Jones,david.jones@example.com,2023-01-21,2023-03-26,300.00
8,Lisa,Garcia,lisa.garcia@example.com,2023-01-22,2023-03-27,-50.00
9,James,Martinez,mymail@example.com,2023-01-23,2023-03-28,125.00

對于大型文件，這可能不切實際，于是我們有其他選擇。

head 命令默認顯示文件的前10 行。這對于快速檢查數(shù)據(jù)的結構和標題非常有用。

$ head users.csv

你可以使用-n選項指定不同的行數(shù)。

$ head -n 5 users.csv

結果如下：

id,first_name,last_name,email,signup_date,last_login,purchase_amount
1,John,Smith,john.smith@example.com,2023-01-15,2023-03-20,125.99
2,Jane,Doe,jane.doe@example.com,2023-01-16,2023-03-21,210.50
3,Bob,Johnson,bob@example.com,2023-01-17,2023-03-22,0
4,Alice,Williams,alice.williams@example.com,2023-01-18,,75.25

同樣，tail默認顯示文件的最后10行。這有助于檢查日志文件或時間序列數(shù)據(jù)中的最新條目。

帶有-l標志的wc（字數(shù)統(tǒng)計）命令可以統(tǒng)計文件中的行數(shù)。這可以讓你快速了解數(shù)據(jù)集的大小。

$ wc -l users.csv

輸出結果：

11 users.csv

你可以使用以下命令查看文件結構：

$ column -t -s, users.csv | less -S

該命令對于CSV文件尤其有用。下面不妨細述一下：

• column 將輸出格式化為列。
• -t 指示它創(chuàng)建表格。
• -s 指定逗號為分隔符。
• less -S允許滾動瀏覽輸出而不換行。

這為你提供了格式良好的數(shù)據(jù)視圖，從而極容易發(fā)現(xiàn)不一致的地方。

查找和分析數(shù)據(jù)中的問題

我們對數(shù)據(jù)已有了一番基本的了解，不妨識別具體的問題。

該命令使用grep搜索連續(xù)的逗號（表示空字段），并使用-c來計數(shù)出現(xiàn)的次數(shù)。

$ grep -c ",," users.csv

這為我們提供了一種快速統(tǒng)計缺失值的行的方法。

2

為grep添加-n 標志可以顯示行號以及匹配項，幫助我們精確定位缺失值的位置。

$ grep -n ",," users.csv

輸出：

5:4,Alice,Williams,alice.williams@example.com,2023-01-18,,75.25
6:5,,Brown,mike.brown@example.com,2023-01-19,2023-03-24,150.75

以下命令識別日期格式無效的行，具體來說在示例數(shù)據(jù)中查找文本“invalid_date”。

$ grep -v -E '^[0-9]{4}-[0-9]{2}-[0-9]{2}$' users.csv | grep "invalid_date"

輸出：

6,Sarah,Miller,sarah.miller@example.com,invalid_date,2023-03-25,95.00

不妨查找購買金額為負數(shù)的記錄：

$ awk -F, '$7 < 0 {print $0}' users.csv

該awk 命令可以：

• 使用-F指定逗號為字段分隔符。
• 檢查第7個字段（purchase_amount）是否小于 0。
• 如果條件成立，打印輸出整行。

輸出：

8,Lisa,Garcia,lisa.garcia@example.com,2023-01-22,2023-03-27,-50.00

使用數(shù)據(jù)清理技術解決問題

我們已確定了問題所在，現(xiàn)在不妨逐一解決。

處理缺失值

首先，我們將空字段替換為“NULL”。

$ sed 's/,,/,NULL,/g; s/,$/,NULL/g' users.csv > users_cleaned.csv

該sed 命令：

• 將連續(xù)的逗號（,,）替換為,NULL,，使缺失值顯式顯示。
• 使用s/,$/,NULL/g 處理行尾的尾隨逗號。
• 將結果寫入到名為users_cleaned.csv 的新文件。

> 運算符將輸出重定向到新文件而不是屏幕。

我們可以用“Unknown”填充缺失的名字。

$ awk -F, 'BEGIN {OFS=","} {if ($2 == "") $2 = "Unknown"; print}' users.csv > users_cleaned.csv

該awk 命令可以：

• 使用-F將輸入字段分隔符設置為逗號。
• 使用BEGIN {OFS=","} 將輸出字段分隔符也設置為逗號。
• 檢查第二個字段（first_name）是否為空。
• 將空值替換為“Unknown”。
• 打印輸出每一行（無論是否修改）。

更正日期格式

該sed 命令將文本“invalid_date”替換為格式正確的日期。

$ sed 's/invalid_date/2023-01-20/g' users.csv > users_cleaned.csv

實際上，你可能需要使用上下文中適用的日期，或者標記這些條目供進一步查看。

處理負值

你可以將負值替換為零。

$ awk -F, 'BEGIN {OFS=","} {if ($7 < 0) $7 = 0; print}' users.csv > users_cleaned.csv

該命令可以：

• 檢查第七個字段（purchase_amount）是否小于 0。
• 將負值設置為 0。
• 如果原始值不是負數(shù)，則保留原始值。

組合多個數(shù)據(jù)清理步驟

實際上，你常需要對數(shù)據(jù)進行多重處理。以下是將它們組合成單個命令的方法： $ awk -F, 'BEGIN {OFS=","} {

# Fix missing first names
 if ($2 == "") $2 = "Unknown";

 # Fix invalid dates
 if ($5 == "invalid_date" || $5 == "") $5 = "2023-01-20";
 if ($6 == "") $6 = "2023-03-23";

 # Fix negative values
 if ($7 < 0) $7 = 0;

 print
}' users.csv > users_cleaned.csv

該命令的工作原理如下：

• 根據(jù)每個字段的特定驗證規(guī)則處理它們。
• 在一次數(shù)據(jù)傳遞中處理多個問題。

這種方法比為每個問題運行單獨的命令來得更高效，尤其對于大型數(shù)據(jù)集而言。

驗證數(shù)據(jù)清理步驟

清理數(shù)據(jù)后，務必驗證所有問題是否已解決。

檢查是否沒有空字段：

$ grep -c ",," users_cleaned.csv

如果所有空字段都已正確填寫，則返回 0。

接下來，確保所有日期格式正確：

$ grep -v -E '[0-9]{4}-[0-9]{2}-[0-9]{2}' users_cleaned.csv | grep -v "signup_date"

如果所有日期格式正確，則返回結果為空。

檢查所有購買金額是否為非負數(shù)：

$ awk -F, '$7 < 0 {print $0}' users_cleaned.csv

如果所有購買金額都為非負數(shù)，則返回結果為空。

轉換數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)清理完成后，你可能需要將某些字段轉換成不同的格式，或提取特定信息進行分析。

提取特定列

不妨僅提取姓名和郵箱地址（聯(lián)系信息）：

$ cut -d, -f2,3,4 users_cleaned.csv > users_contact_info.csv

cut命令：

• 使用-d,指定逗號為分隔符。
• 使用-f2,3,4 提取第 2個、第3個和第4個字段（first_name、last_name、email）。
• 創(chuàng)建一個僅包含這些列的新文件。

當你只需要特定信息進行特定分析時，這非常有用。

接下來，我們嘗試提取購買金額超過100 美元的用戶。

$ awk -F, '$7 > 100 {print $0}' users_cleaned.csv > users_high_value.csv

該awk命令根據(jù)條件過濾行，創(chuàng)建符合特定條件的數(shù)據(jù)子集。

數(shù)據(jù)排序

我們跳過標題行，按姓氏對記錄進行排序。

$ (head -n 1 users_cleaned.csv && tail -n +2 users_cleaned.csv | sort -t, -k3) > users_sorted_by_name.csv

該命令：

• 使用head -n 1 保留標題行。
• 使用tail -n +2 獲取除標題之外的所有行。
• 使用sort -t, -k3 按第三個字段（last_name）對數(shù)據(jù)進行排序。
• 將標題和排序后的數(shù)據(jù)合并到一個新文件中。

#按購買金額降序排序

(head -n 1 users_cleaned.csv && tail -n +2 users_cleaned.csv | sort -t, -k7 -n -r) > users_sorted_by_purchase.csv

該命令按購買金額降序排序數(shù)據(jù)：

• -t,指定逗號為分隔符。
• -k7 按第七個字段（purchase_amount）排序。
• -n 確保按數(shù)字排序（非字母順序）。
• -r 按反向（降序）排序。

聚合和分析數(shù)據(jù)

Bash也可用于基本的數(shù)據(jù)分析。不妨計算一下總購買金額。

$ awk -F, 'NR>1 {sum += $7} END {print "Total purchases: $" sum}' users_cleaned.csv

該awk 命令：

• 跳過NR>1 的標題行。
• 將第7個字段（purchase_amount）中的所有值相加。
• 在末尾打印輸出總購買金額。

Total purchases: $1282.49

現(xiàn)在不妨計算一下平均購買金額：

$ awk -F, 'NR>1 {sum += $7; count++} END {print "Average purchase: $" sum/count}' users_cleaned.csv

該命令按以下方式計算平均值：

• 將所有購買金額相加。
• 計算記錄數(shù)。
• 將總購買金額除以末尾的計數(shù)。

Average purchase: $128.249

接下來，不妨按注冊月份統(tǒng)計用戶數(shù)量：

$ awk -F, 'NR>1 {
 split($5, date, "-");
 months[date[2]]++;
} 
END {
 for (month in months) {
 print "Month " month ": " months[month] " users"
 }
}' users_cleaned.csv

這個更復雜的awk 命令可以：

• 從注冊日期中提取月份。
• 使用關聯(lián)數(shù)組（months）統(tǒng)計出現(xiàn)次數(shù)。
• 按月份打印輸出用戶摘要。

Month 01: 10 users

創(chuàng)建用于清理數(shù)據(jù)的 Bash 腳本

創(chuàng)建可重用的Bash腳本以清理數(shù)據(jù)通常很方便。具體操作方法如下：

• 將數(shù)據(jù)清理命令保存到文件中，比如clean_user_data.sh（該腳本包含幾個額外的數(shù)據(jù)清理步驟）。
• 使用chmod +x clean_user_data.sh 使其可執(zhí)行。
• 使用./clean_user_data.sh 運行該腳本。

clean_user_data.sh 腳本：

• 分別處理每個清理步驟，但將所有更改寫入到同一個輸出文件。
• 包含進度消息以跟蹤執(zhí)行情況。
• 清理后執(zhí)行驗證檢查。
• 可以輕松修改，以添加更多清理步驟或更改現(xiàn)有清理步驟。
• 如果存在臨時文件，末尾刪除臨時文件。

逐個運行命令和運行腳本都可以實現(xiàn)相同的目標，但腳本便于更清楚地了解清理過程，并簡化故障排除。

結語

但愿本教程能為你使用Bash清理數(shù)據(jù)提供了堅實的基礎。

關鍵要點：

• Bash非常適合快速高效地清理中小型數(shù)據(jù)集。
• grep、awk、sed 和sort 等命令的組合提供了一套靈活的工具包。
• 你可以使用Bash 腳本清理數(shù)據(jù)以及將清理過程記入文檔。

請記住，雖然Bash功能強大，但它只是你數(shù)據(jù)工具箱中的一種工具。對于非常大的數(shù)據(jù)集或更復雜的轉換，你可能需要考慮使用Python、R或?qū)Ｓ玫腅TL工具。然而對于許多日常數(shù)據(jù)清理任務而言，Bash 的效率和效果都出奇地好！

祝清理愉快！

原文標題：Data Cleaning with Bash: A Handbook for Developers，作者：Bala Priya C