Python 列表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是怎么樣的？

列表實(shí)際上采用的就是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的順序表，而且是一種采用分離式技術(shù)實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)順序表

但這是不是Python的列表？

我的結(jié)論是順序表是列表的一種實(shí)現(xiàn)方式。

書上說的是：列表實(shí)現(xiàn)可以是數(shù)組和鏈表。

順序表是怎么回事？順序表一般是數(shù)組。

列表是一個(gè)線性的集合，它允許用戶在任何位置插入、刪除、訪問和替換元素。

列表實(shí)現(xiàn)是基于數(shù)組或基于鏈表結(jié)構(gòu)的。當(dāng)使用列表迭代器的時(shí)候，雙鏈表結(jié)構(gòu)比單鏈表結(jié)構(gòu)更快。

有序的列表是元素總是按照升序或者降序排列的元素。

實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

python中的列表的英文名是list，因此很容易和其它語言(C++, Java等)標(biāo)準(zhǔn)庫中常見的鏈表混淆。事實(shí)上CPython的列表根本不是列表（可能換成英文理解起來容易些：python中的list不是list）。在CPython中，列表被實(shí)現(xiàn)為長度可變的數(shù)組。

可參考《Python高級(jí)編程（第2版）》

從細(xì)節(jié)上看，Python中的列表是由對(duì)其它對(duì)象的引用組成的連續(xù)數(shù)組。指向這個(gè)數(shù)組的指針及其長度被保存在一個(gè)列表頭結(jié)構(gòu)中。

這意味著，每次添加或刪除一個(gè)元素時(shí)，由引用組成的數(shù)組需要該標(biāo)大?。ㄖ匦路峙洌?。

幸運(yùn)的是，Python在創(chuàng)建這些數(shù)組時(shí)采用了指數(shù)分配，所以并不是每次操作都需要改變數(shù)組的大小。但是，也因?yàn)檫@個(gè)原因添加或取出元素的平攤復(fù)雜度較低。

不幸的是，在普通鏈表上“代價(jià)很小”的其它一些操作在Python中計(jì)算復(fù)雜度相對(duì)過高。

利用 list.insert(i,item) 方法在任意位置插入一個(gè)元素——復(fù)雜度O(N)

利用 list.pop(i) 或 list.remove(value) 刪除一個(gè)元素——復(fù)雜度O(N)

列表的算法效率

可以采用時(shí)間復(fù)雜度來衡量：

index() O(1)

append O(1)

pop() O(1)

pop(i) O(n)

insert(i,item) O(n)

del operator O(n)

iteration O(n)

contains(in) O(n)

get slice[x:y] O(k)

del slice O(n)

set slice O(n+k)

reverse O(n)

concatenate O(k)

sort O(nlogn)

multiply O(nk)

O括號(hào)里面的值越大代表效率越低

列表和元組

列表和元組的區(qū)別是顯然的：

列表是動(dòng)態(tài)的，其大小可以該標(biāo) (重新分配)；

而元組是不可變的，一旦創(chuàng)建就不能修改。

list和tuple在c實(shí)現(xiàn)上是很相似的，對(duì)于元素?cái)?shù)量大的時(shí)候，

都是一個(gè)數(shù)組指針，指針指向相應(yīng)的對(duì)象，找不到tuple比list快的理由。

但對(duì)于小對(duì)象來說，tuple會(huì)有一個(gè)對(duì)象池，所以小的、重復(fù)的使用tuple還有益處的。

為什么要有tuple，還有很多的合理性。

實(shí)際情況中的確也有不少大小固定的列表結(jié)構(gòu)，例如二維地理坐標(biāo)等；

另外tuple也給元素天然地賦予了只讀屬性。

認(rèn)為tuple比list快的人大概是把python的tuple和list類比成C++中的數(shù)組和列表了。

補(bǔ)充：python list, tuple, dictionary, set的底層細(xì)節(jié)

list, tuple, dictionary, set是python中4中常見的集合類型。在筆者之前的學(xué)習(xí)中，只是簡單了學(xué)習(xí)它們4者的使用，現(xiàn)記錄一下更深底層的知識(shí)。

列表和元組

列表和元組的區(qū)別是顯然的：列表是動(dòng)態(tài)的，其大小可以該標(biāo)；而元組是不可變的，一旦創(chuàng)建就不能修改。

實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

python中的列表的英文名是list，因此很容易和其它語言(C++, Java等)標(biāo)準(zhǔn)庫中常見的鏈表混淆。事實(shí)上CPython的列表根本不是列表（可能換成英文理解起來容易些：python中的list不是list）。在CPython中，列表被實(shí)現(xiàn)為長度可變的數(shù)組。

從細(xì)節(jié)上看，Python中的列表是由對(duì)其它對(duì)象的引用組成的連續(xù)數(shù)組。指向這個(gè)數(shù)組的指針及其長度被保存在一個(gè)列表頭結(jié)構(gòu)中。這意味著，每次添加或刪除一個(gè)元素時(shí)，由引用組成的數(shù)組需要該標(biāo)大?。ㄖ匦路峙洌?。幸運(yùn)的是，Python在創(chuàng)建這些數(shù)組時(shí)采用了指數(shù)過分配，所以并不是每次操作都需要改變數(shù)組的大小。但是，也因?yàn)檫@個(gè)原因添加或取出元素的平攤復(fù)雜度較低。

不幸的是，在普通鏈表上“代價(jià)很小”的其它一些操作在Python中計(jì)算復(fù)雜度相對(duì)過高。

利用 list.insert方法在任意位置插入一個(gè)元素——復(fù)雜度O(N)

利用 list.delete或del刪除一個(gè)元素——復(fù)雜度O(N)

列表推導(dǎo)

要習(xí)慣用列表推導(dǎo)，因?yàn)檫@更加高效和簡短，涉及的語法元素少。在大型的程序中，這意味著更少的錯(cuò)誤，代碼也更容易閱讀。

>>>[i for i in range(10) if i % 2 == 0]
 [0, 2, 4, 6, 8]

其它習(xí)語

1.使用enumerate.在循環(huán)使用序列時(shí)，這個(gè)內(nèi)置函數(shù)可以方便的獲取其索引：

for i, element in enumerate(['one', 'two', 'three']):
 print(i, element)

result：

0 one
1 two
2 three

2.如果需要一個(gè)一個(gè)合并多個(gè)列表中的元素，可以使用zip()。對(duì)兩個(gè)大小相等的可迭代對(duì)象進(jìn)行均勻遍歷時(shí)，這是一個(gè)非常常用的模式：

for item in zip([1, 2, 3], [4, 5, 6]):
 print(item)

(1, 4)
(2, 5)
(3, 6)

3.序列解包

#帶星號(hào)的表達(dá)式可以獲取序列的剩余部分
>>>first, second, *reset = 0, 1, 2, 3
>>>first
0
>>>second
1
>>>reset
[2, 3]

字典

字典是python中最通用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一。dict可以將一組唯一的鍵映射到相應(yīng)的值。

我們也可以用前面列表推導(dǎo)的方式來創(chuàng)建一個(gè)字典。

squares = {number: number**2 for number in range(10)}
print(squares)

result：

{0: 0, 1: 1, 2: 4, 3: 9, 4: 16, 5: 25, 6: 36, 7: 49, 8: 64, 9: 81}

在遍歷字典元素時(shí)，有一點(diǎn)需要特別注意。字典里的keys(), values()和items()3個(gè)方法的返回值不再是列表，而是視圖對(duì)象（view objects）。

keys(): 返回dict_keys對(duì)象，可以查看字典所有鍵

values():返回dict_values對(duì)象，可以查看字典的所有值

items():返回dict_items對(duì)象，可以查看字典所有的{key, value}二元元組。

視圖對(duì)象可以動(dòng)態(tài)查看字典的內(nèi)容，因此每次字典發(fā)生變化的時(shí)候，視圖都會(huì)相應(yīng)的改變，見下面這個(gè)例子：

words = {'foo': 'bar', 'fizz': 'bazz'}
items= words.items()
words['spam'] = 'eggs'
print(items)

result：

dict_items([('foo', 'bar'), ('fizz', 'bazz'), ('spam', 'eggs')])

視圖無需冗余的將所有值都保存在內(nèi)存中，像列表那樣。但你仍然可以獲取其長度（使用len）,也可以測試元素是否包含在其中（使用in子句）。當(dāng)然，視圖是迭代的。

實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

CPython使用偽隨機(jī)探測(pseudo-random probing)的散列表(hash table)作為字典的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。由于這個(gè)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，只有可哈希的對(duì)象才能作為字典的鍵。

Python中所有不可變的內(nèi)置類型都是可哈希的?？勺冾愋停ㄈ缌斜?，字典和集合）就是不可哈希的，因此不能作為字典的鍵。

字典的三個(gè)基本操作（添加元素，獲取元素和刪除元素）的平均事件復(fù)雜度為O(1)，但是他們的平攤最壞情況復(fù)雜度要高得多，為O(N).

還有一點(diǎn)很重要，在復(fù)制和遍歷字典的操作中，最壞的復(fù)雜度中的n是字典曾經(jīng)達(dá)到的最大元素?cái)?shù)目，而不是當(dāng)前的元素?cái)?shù)目。換句話說，如果一個(gè)字典曾經(jīng)元素個(gè)數(shù)很多，后來又大大減小了，那么遍歷這個(gè)字典可能會(huì)花費(fèi)相當(dāng)長的事件。

因此在某些情況下，如果需要頻繁的遍歷某個(gè)詞典，那么最好創(chuàng)建一個(gè)新的字典對(duì)象，而不是僅在舊字典中刪除元素。

字典的缺點(diǎn)和替代方案

使用字典的常見陷阱就是，它并不會(huì)按照鍵的添加順序來保存元素的順序。在某些情況下，字典的鍵是連續(xù)的，對(duì)應(yīng)的散列值也是連續(xù)值（例如整數(shù)），那么由于字典的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，元素的實(shí)現(xiàn)可能和添加的順序相同：

keys = {num: None for num in range(5)}.keys()
print(keys)

result：

dict_keys([0, 1, 2, 3, 4])

但是，如果散列方法不同的其它數(shù)據(jù)類型，那么字典就不會(huì)保存元素順序。

age = {str(i): i for i in range(100)}
keys = age.keys()
print(keys)

result：

dict_keys(['0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', '10', '11', '12', '13', '14', '15', '16', '17', '18', '19', '20', '21', '22', '23', '24', '25', '26', '27', '28', '29', '30', '31', '32', '33', '34', '35', '36', '37', '38', '39', '40', '41', '42', '43', '44', '45', '46', '47', '48', '49', '50', '51', '52', '53', '54', '55', '56', '57', '58', '59', '60', '61', '62', '63', '64', '65', '66', '67', '68', '69', '70', '71', '72', '73', '74', '75', '76', '77', '78', '79', '80', '81', '82', '83', '84', '85', '86', '87', '88', '89', '90', '91', '92', '93', '94', '95', '96', '97', '98', '99'])

理論上，鍵的順序不應(yīng)該是這樣的，應(yīng)該是亂序。。。具體為什么這樣，等以后明白了再補(bǔ)充

如果我們需要保存添加順序怎么辦？python 標(biāo)準(zhǔn)庫的collections模塊提供了名為OrderedDicr的有序字典。

集合

集合是一種魯棒性很好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)元素順序的重要性不如元素的唯一性和測試元素是否包含在集合中的效率時(shí)，大部分情況下這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)極其有用。

python的內(nèi)置集合類型有兩種：

set(): 一種可變的、無序的、有限的集合，其元素是唯一的、不可變的（可哈希的）對(duì)象。

frozenset(): 一種不可變的、可哈希的、無序的集合，其元素是唯一的，不可變的哈希對(duì)象。

set([set([1, 2, 3]), set([2, 3, 4])])

result:

Traceback (most recent call last):
 File "/pycharm_project/LearnPython/Part1/demo.py", line 1, in <module>
 set([set([1, 2, 3]), set([2, 3, 4])])
TypeError: unhashable type: 'set'

set([frozenset([1, 2, 3]), frozenset([2, 3, 4])])

result:不會(huì)報(bào)錯(cuò)

set里的元素必須是唯一的，不可變的。但是set是可變的，所以set作為set的元素會(huì)報(bào)錯(cuò)。

實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

CPython中集合和字典非常相似。事實(shí)上，集合被實(shí)現(xiàn)為帶有空值的字典，只有鍵才是實(shí)際的集合元素。此外，集合還利用這種沒有值的映射做了其它的優(yōu)化。

由于這一點(diǎn)，可以快速的向集合中添加元素、刪除元素、檢查元素是否存在。平均時(shí)間復(fù)雜度為O(1),最壞的事件復(fù)雜度是O(n)。

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。如有錯(cuò)誤或未考慮完全的地方，望不吝賜教。