深入 Python 列表的內部實現

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麼樣的，一定非常有趣。

下面是一段 python 指令碼，在列表中新增幾個整數，然後列印列表。

可以發現，列表是乙個迭代器。

列表物件的 c 語言結構體。

cpython 中的列表實現類似於下面的 c 結構體。ob_item 是指向列表物件的指標陣列。allocated 是申請記憶體的槽的個數。

列表初始化

看看初始化乙個空列表的時候發生了什麼，例如：l = 。

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記憶體中分配了的槽空間數。通常分配的槽的大小要大於列表大小，這是為了避免每次列表新增元素的時候都呼叫分配記憶體的函式。下面會具體介紹。

現在分配了 4 個用來裝列表元素的槽空間，並且第乙個空間中為整數 1。如下圖顯示 l[0] 指向我們新新增的整數物件。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複雜度為 o(1)。

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)，內部呼叫ins1() 函式。

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複雜度為 o(n)。

pop 操作

取出列表最後乙個元素即l.pop()，呼叫了 listpop() 函式。在 listpop() 函式中會呼叫 list_resize 函式，如果取出元素後列表的大小小於分配的槽空間數的一半，將會縮減列表的大小。

列表 pop 操作的平均複雜度為 o(1)。

可以看到 pop 操作後槽空間 4 依然指向原先的整數物件，但是最為關鍵的是現在列表的大小已經變為 4。

繼續 pop 乙個元素。在 list_resize() 函式中，size – 1 = 4 – 1 = 3 已經小於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 的列表物件有個方法，刪除指定的元素： l.remove(5)。底層呼叫 listremove() 函式。

為了做列表的切片並且刪除元素，呼叫了 list_ass_slice() 函式，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.

列表 remove 操作的複雜度為 o(n)