如何深入Python列表的內部實現

這篇文章給大家介紹如何深入Python列表的內部實現，內容非常詳細，感興趣的小伙伴們可以參考借鑒，希望對大家能有所幫助。

Python 中的列表非常強大，看看它的內部實現機制是怎么樣的，一定非常有趣。

下面是一段 Python 腳本，在列表中添加幾個整數，然后打印列表。

>>> l = []  >>> l.append(1)  >>> l.append(2)  >>> l.append(3)  >>> l  [1, 2, 3]  >>> for e in l:  ...   print e  ...  1  2  3

可以發現，列表是一個迭代器。

列表對象的 C 語言結構體

Cpython 中的列表實現類似于下面的 C 結構體。ob_item 是指向列表對象的指針數組。allocated 是申請內存的槽的個數。

typedef struct {      PyObject_VAR_HEAD      PyObject **ob_item;      Py_ssize_t allocated;  } PyListObject;

列表初始化

看看初始化一個空列表的時候發生了什么，例如：l = []。

arguments: size of the list = 0  returns: list object = []  PyListNew:      nbytes = size * size of global Python object = 0      allocate new list object      allocate list of pointers (ob_item) of size nbytes = 0      clear ob_item      set list's allocated var to 0 = 0 slots      return list object

要分清列表大小和分配的槽大小，這很重要。列表的大小和 len(l)  的大小相同。分配槽的大小是指已經在內存中分配了的槽空間數。通常分配的槽的大小要大于列表大小，這是為了避免每次列表添加元素的時候都調用分配內存的函數。下面會具體介紹。

Append 操作

向列表添加一個整數：l.append(1) 時發生了什么?調用了底層的 C 函數 app1()。

arguments: list object, new element  returns: 0 if OK, -1 if not  app1:      n = size of list      call list_resize() to resize the list to size n+1 = 0 + 1 = 1      list[n] = list[0] = new element      return 0

下面是 list_resize() 函數。它會多申請一些內存，避免頻繁調用 list_resize()  函數。列表的增長模式為：0，4，8，16，25，35，46，58，72，88……

arguments: list object, new size  returns: 0 if OK, -1 if not  list_resize:      new_allocated = (newsize >> 3) + (newsize < 9 ? 3 : 6) = 3      new_allocated += newsize = 3 + 1 = 4      resize ob_item (list of pointers) to size new_allocated      return 0

現在分配了 4 個用來裝列表元素的槽空間，并且***個空間中為整數 1。如下圖顯示 l[0]  指向我們新添加的整數對象。虛線的方框表示已經分配但沒有使用的槽空間。

列表追加元素操作的平均復雜度為 O(1)。

繼續添加新的元素：l.append(2)。調用 list_resize 函數，參數為 n+1 = 2， 但是因為已經申請了 4  個槽空間，所以不需要再申請內存空間。再添加兩個整數的情況也是一樣的：l.append(3)，l.append(4)。下圖顯示了我們現在的情況。 

Insert 操作

在列表偏移量 1 的位置插入新元素，整數 5：l.insert(1,5)，內部調用ins1() 函數。

arguments: list object, where, new element  returns: 0 if OK, -1 if not  ins1:      resize list to size n+1 = 5 -> 4 more slots will be allocated      starting at the last element up to the offset where, right shift each element      set new element at offset where      return 0

虛線的方框依舊表示已經分配但沒有使用的槽空間。現在分配了 8 個槽空間，但是列表的大小卻只是 5。

列表插入操作的平均復雜度為 O(n)。

Pop 操作

取出列表***一個元素 即l.pop()，調用了 listpop() 函數。在 listpop() 函數中會調用 list_resize  函數，如果取出元素后列表的大小小于分配的槽空間數的一半，將會縮減列表的大小。

arguments: list object  returns: element popped  listpop:      if list empty:          return null      resize list with size 5 - 1 = 4. 4 is not less than 8/2 so no shrinkage      set list object size to 4      return last element

列表 pop 操作的平均復雜度為 O(1)。

可以看到 pop 操作后槽空間 4 依然指向原先的整數對象，但是最為關鍵的是現在列表的大小已經變為 4。

繼續 pop 一個元素。在 list_resize() 函數中，size – 1 = 4 – 1 = 3  已經小于所分配的槽空間大小的一半，所以縮減分配的槽空間為 6，同時現在列表的大小為 3。

可以看到槽空間 3 和 4 依然指向原先的整數，但是現在列表的大小已經變為 3。

Remove 操作

Python 的列表對象有個方法，刪除指定的元素： l.remove(5)。底層調用 listremove() 函數。

arguments: list object, element to remove  returns none if OK, null if not  listremove:      loop through each list element:          if correct element:              slice list between element's slot and element's slot + 1              return none      return null

為了做列表的切片并且刪除元素，調用了 list_ass_slice() 函數，它的實現方法比較有趣。我們在刪除列表位置 1 的元素 5  的時候，低位的偏移量為 1 同時高位的偏移量為 2.

arguments: list object, low offset, high offset  returns: 0 if OK  list_ass_slice:      copy integer 5 to recycle list to dereference it      shift elements from slot 2 to slot 1      resize list to 5 slots      return 0

列表 remove 操作的復雜度為 O(n)。

關于如何深入Python列表的內部實現就分享到這里了，希望以上內容可以對大家有一定的幫助，可以學到更多知識。如果覺得文章不錯，可以把它分享出去讓更多的人看到。