python list 底层_深入Python列表的内部实现
本文將介紹列表在 CPython中的實現，因為畢竟Cpython 又是 Python 最為常用的實現。
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?
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，并且第一個空間中為整數 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
取出列表最后一個元素 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)。
作者：佚名
來源：51CTO
總結
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內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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