如何深入Python列表的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)

這篇文章給大家介紹如何深入Python列表的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，內(nèi)容非常詳細(xì)，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(qiáng)大，看看它的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)機(jī)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(gè)整數(shù)，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(fā)現(xiàn)，列表是一個(gè)迭代器。

列表對象的 C 語言結(jié)構(gòu)體

Cpython 中的列表實(shí)現(xiàn)類似于下面的 C 結(jié)構(gòu)體。ob_item 是指向列表對象的指針數(shù)組。allocated 是申請內(nèi)存的槽的個(gè)數(shù)。

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(gè)空列表的時(shí)候發(fā)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(jīng)在內(nèi)存中分配了的槽空間數(shù)。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(shí)候都調(diào)用分配內(nèi)存的函數(shù)。下面會具體介紹。

Append 操作

向列表添加一個(gè)整數(shù)：l.append(1) 時(shí)發(fā)生了什么?調(diào)用了底層的 C 函數(shù) 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(shù)。它會多申請一些內(nèi)存，避免頻繁調(diào)用 list_resize()  函數(shù)。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(xiàn)在分配了 4 個(gè)用來裝列表元素的槽空間，并且***個(gè)空間中為整數(shù) 1。如下圖顯示 l[0]  指向我們新添加的整數(shù)對象。虛線的方框表示已經(jīng)分配但沒有使用的槽空間。

列表追加元素操作的平均復(fù)雜度為 O(1)。

繼續(xù)添加新的元素：l.append(2)。調(diào)用 list_resize 函數(shù)，參數(shù)為 n+1 = 2， 但是因?yàn)橐呀?jīng)申請了 4  個(gè)槽空間，所以不需要再申請內(nèi)存空間。再添加兩個(gè)整數(shù)的情況也是一樣的：l.append(3)，l.append(4)。下圖顯示了我們現(xiàn)在的情況。 

Insert 操作

在列表偏移量 1 的位置插入新元素，整數(shù) 5：l.insert(1,5)，內(nèi)部調(diào)用ins1() 函數(shù)。

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(jīng)分配但沒有使用的槽空間?，F(xiàn)在分配了 8 個(gè)槽空間，但是列表的大小卻只是 5。

列表插入操作的平均復(fù)雜度為 O(n)。

Pop 操作

取出列表***一個(gè)元素 即l.pop()，調(diào)用了 listpop() 函數(shù)。在 listpop() 函數(shù)中會調(diào)用 list_resize  函數(shù)，如果取出元素后列表的大小小于分配的槽空間數(shù)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(fù)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(shù)對象，但是最為關(guān)鍵的是現(xiàn)在列表的大小已經(jīng)變?yōu)?4。

繼續(xù) pop 一個(gè)元素。在 list_resize() 函數(shù)中，size – 1 = 4 – 1 = 3  已經(jīng)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(shí)現(xiàn)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(shù)，但是現(xiàn)在列表的大小已經(jīng)變?yōu)?3。

Remove 操作

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

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(diào)用了 list_ass_slice() 函數(shù)，它的實(shí)現(xiàn)方法比較有趣。我們在刪除列表位置 1 的元素 5  的時(shí)候，低位的偏移量為 1 同時(shí)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(fù)雜度為 O(n)。

關(guān)于如何深入Python列表的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對大家有一定的幫助，可以學(xué)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。