本文和大家分享的主要是列表在 CPython中的實(shí)現(xiàn)，一起來(lái)看看吧，希望對(duì)大家學(xué)習(xí)python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

　　...

　　可以發(fā)現(xiàn)，列表是一個(gè)迭代器。

　　列表對(duì)象的 C 語(yǔ)言結(jié)構(gòu)體

　　Cpython 中的列表實(shí)現(xiàn)類(lèi)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()。

　　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 < 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(lái)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(xiàn)的方框表示已經(jīng)分配但沒(méi)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(xiàn)的方框依舊表示已經(jīng)分配但沒(méi)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)?nbsp;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)?nbsp;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)。

來(lái)源：火龍果軟件工程