本文將介紹列表在 CPython中的實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楫吘笴python 又是 Python 最為常用的實(shí)現(xiàn)。

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(duì)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(duì)象的指針數(shù)組。allocated 是申請(qǐng)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(huì)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(huì)多申請(qǐng)一些內(nèi)存，避免頻繁調(diào)用 list_resize() 函數(shù)。列表的增長(zhǎng)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?

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，并且第一個(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(duì)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(qǐng)了 4

個(gè)槽空間，所以不需要再申請(qǐng)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

取出列表最后一個(gè)元素 即l.pop()，調(diào)用了 listpop() 函數(shù)。在 listpop() 函數(shù)中會(huì)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(huì)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(duì)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(duì)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?cè)趧h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)。

作者：佚名

來源：51CTO

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的python list 底层_深入Python列表的内部实现的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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