深入 Python 列表的内部实现

本文将介绍列表在 CPython中的实现,因为毕竟Cpython 又是 Python 最为常用的实现。

Python 中的列表非常强大,看看它的内部实现机制是怎么样的,一定非常有趣。

下面是一段 Python 脚本,在列表中添加几个整数,然后打印列表。

可以发现,列表是一个迭代器。

列表对象的 C 语言结构体

Cpython 中的列表实现类似于下面的 C 结构体。ob_item 是指向列表对象的指针数组。allocated 是申请内存的槽的个数。

列表初始化

看看初始化一个空列表的时候发生了什么,例如:l = []。

要分清列表大小和分配的槽大小,这很重要。列表的大小和 len(l) 的大小相同。分配槽的大小是指已经在内存中分配了的槽空间数。通常分配的槽的大小要大于列表大小,这是为了避免每次列表添加元素的时候都调用分配内存的函数。下面会具体介绍。

Append 操作

向列表添加一个整数:l.append(1) 时发生了什么?调用了底层的 C 函数 app1()。

下面是 list_resize() 函数。它会多申请一些内存,避免频繁调用 list_resize() 函数。列表的增长模式为:0,4,8,16,25,35,46,58,72,88……

现在分配了 4 个用来装列表元素的槽空间,并且第一个空间中为整数 1。如下图显示 l[0] 指向我们新添加的整数对象。虚线的方框表示已经分配但没有使用的槽空间。

列表追加元素操作的平均复杂度为 O(1)。

继续添加新的元素:l.append(2)。调用 list_resize 函数,参数为 n+1 = 2, 但是因为已经申请了 4 个槽空间,所以不需要再申请内存空间。再添加两个整数的情况也是一样的:l.append(3),l.append(4)。下图显示了我们现在的情况。

Insert 操作

在列表偏移量 1 的位置插入新元素,整数 5:l.insert(1,5),内部调用ins1() 函数。

虚线的方框依旧表示已经分配但没有使用的槽空间。现在分配了 8 个槽空间,但是列表的大小却只是 5。

列表插入操作的平均复杂度为 O(n)。

Pop 操作

取出列表最后一个元素 即l.pop(),调用了 listpop() 函数。在 listpop() 函数中会调用 list_resize 函数,如果取出元素后列表的大小小于分配的槽空间数的一半,将会缩减列表的大小。

列表 pop 操作的平均复杂度为 O(1)。

可以看到 pop 操作后槽空间 4 依然指向原先的整数对象,但是最为关键的是现在列表的大小已经变为 4。

继续 pop 一个元素。在 list_resize() 函数中,size – 1 = 4 – 1 = 3 已经小于所分配的槽空间大小的一半,所以缩减分配的槽空间为 6,同时现在列表的大小为 3。

可以看到槽空间 3 和 4 依然指向原先的整数,但是现在列表的大小已经变为 3。

Remove 操作

Python 的列表对象有个方法,删除指定的元素: l.remove(5)。底层调用 listremove() 函数。

为了做列表的切片并且删除元素,调用了 list_ass_slice() 函数,它的实现方法比较有趣。我们在删除列表位置 1 的元素 5 的时候,低位的偏移量为 1 同时高位的偏移量为 2.

列表 remove 操作的复杂度为 O(n)。

打赏支持我翻译更多好文章,谢谢!

打赏译者

打赏支持我翻译更多好文章,谢谢!

任选一种支付方式

1 5 收藏 2 评论

关于作者:caimaoy

简介还没来得及写 :) 个人主页 · 我的文章 · 13 ·   

相关文章

可能感兴趣的话题



直接登录
最新评论
跳到底部
返回顶部