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。
Python
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>>> 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。
Python
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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麼，例如：l = []。
Python
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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。
Append 操作
向列表新增一個整數：l.append(1) 時發生了什麼？呼叫了底層的 C 函式 app1()。
Python
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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() 函式。它會多申請一些記憶體，避免頻繁呼叫 list_resize() 函式。列表的增長模式為：0，4，8，16，25，35，46，58，72，88……
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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 |
現在分配了 4 個用來裝列表元素的槽空間，並且第一個空間中為整數 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)。
繼續新增新的元素：l.append(2)。呼叫 list_resize 函式，引數為 n+1 = 2， 但是因為已經申請了 4 個槽空間，所以不需要再申請記憶體空間。再新增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)，內部呼叫ins1() 函式。
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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 |
虛線的方框依舊錶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
取出列表最後一個元素 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。
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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 一個元素。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。
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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.
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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 操作的複雜度為 O(n)。
