代码视界

Hanpeng Chen的个人博客

Python从小白到攻城狮(3)——列表和元组

本文于 984 天之前发表,文中内容可能已经过时。

Python内置了多种类型的数据结构,常用的有:列表、元组、集合和字典。

本文主要介绍列表和元组。


列表(list)和元组(tuple)

定义

列表和元组,都是一个可以放置任意数据类型的有序集合。

列表和元组的区别

  • 列表是动态的,长度大小不固定,可以随意增加、删减或者改变元素(mutable)。
  • 元组是静态的,长度大小固定,无法增加删减或改变(immutable)。

如果要对已有的元组做任何“改变”,只能重新开辟一块内存,创建新的元组。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
# 列表(list)
list = [1, 2, 3, 4, 5]
list.append(6) # 添加元素 5 到原列表的末尾
print(list)

# 元组
tup = (1, 2, 3, 4)
new_tup = tup + (5, ) # 创建新的元组 new_tup,并依次填充原元组的值
print(new_tup)

列表和元组的基本操作和注意事项

索引

在python中,列表和元组都支持负数索引,-1表示最后一个元素,-2表示倒数第2个元素,以此类推

1
2
3
4
5
6
7
8
9
# 列表
list = [1, 2, 3, 4]
list[0]
list[-1]

# 元组
tup = (1, 2, 3, 4)
tup[1]
tup[-2]

切片操作

列表和元组都支持切片操作

1
2
3
4
5
6
7
list = [1, 2, 3, 4]
l[1:3] # 返回列表中索引从 1 到 2 的子列表
[2, 3]

tup = (1, 2, 3, 4)
tup[1:3] # 返回元组中索引从 1 到 2 的子元组
(2, 3)

随意嵌套

1
2
3
l = [[1, 2, 3], [4, 5]] # 列表的每一个元素也是一个列表

tup = ((1, 2, 3), (4, 5, 6)) # 元组的每一个元素也是一元组

列表和元组的相互转换

两者可以通过 list() 和 tuple() 函数相互转换:

1
2
3
4
5
list((1, 2, 3))
[1, 2, 3]

tuple([1, 2, 3])
(1, 2, 3)

常用的内置函数

  • count(item) 表示统计列表 / 元组中 item 出现的次数。
  • index(item) 表示返回列表 / 元组中 item 第一次出现的索引。
  • list.reverse() 和 list.sort() 分别表示原地倒转列表和排序(注意,元组没有内置的这两个函数)。
  • reversed() 和 sorted() 同样表示对列表 / 元组进行倒转和排序,但是会返回一个倒转后或者排好序的新的列表 / 元组。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
l = [3, 2, 3, 7, 8, 1]
l.count(3)
2
l.index(7)
3
l.reverse()
l
[1, 8, 7, 3, 2, 3]
l.sort()
l
[1, 2, 3, 3, 7, 8]

tup = (3, 2, 3, 7, 8, 1)
tup.count(3)
2
tup.index(7)
3
list(reversed(tup))
[1, 8, 7, 3, 2, 3]
sorted(tup)
[1, 2, 3, 3, 7, 8]

列表和元组存储方式的差异

前面我们说过:列表和元组最重要的区别就是,列表是动态的、可变的,而元组是静态的、不可变的。这样的差异,势必会影响两者存储方式。我们先看下面的例子:

1
2
3
4
5
6
l = [1, 2, 3]
l.__sizeof__()
64
tup = (1, 2, 3)
tup.__sizeof__()
48

上面的例子中,我们在列表和元组中放置了相同的元素,但是元组的存储空间,却比列表要少 16 字节。这是为什么呢?

事实上,由于列表是动态的,所以它需要存储指针,来指向对应的元素(上述例子中,对于 int 型,8 字节)。另外,由于列表可变,所以需要额外存储已经分配的长度大小(8 字节),这样才可以实时追踪列表空间的使用情况,当空间不足时,及时分配额外空间。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
l = []
l.__sizeof__() // 空列表的存储空间为 40 字节
40
l.append(1)
l.__sizeof__()
72 // 加入了元素 1 之后,列表为其分配了可以存储 4 个元素的空间 (72 - 40)/8 = 4
l.append(2)
l.__sizeof__()
72 // 由于之前分配了空间,所以加入元素 2,列表空间不变
l.append(3)
l.__sizeof__()
72 // 同上
l.append(4)
l.__sizeof__()
72 // 同上
l.append(5)
l.__sizeof__()
104 // 加入元素 5 之后,列表的空间不足,所以又额外分配了可以存储 4 个元素的空间

上面的例子,大概描述了列表空间分配的过程。我们可以看到,为了减小每次增加 / 删减操作时空间分配的开销,Python 每次分配空间时都会额外多分配一些,这样的机制(over-allocating)保证了其操作的高效性:增加 / 删除的时间复杂度均为 O(1)。

但是对于元组,情况就不同了。元组长度大小固定,元素不可变,所以存储空间固定。

在数据量小的情况下,这样的差异可以忽略不计。但是当数据量很大时,比如列表和元组存储元素的个数是一亿,十亿甚至更大数量级时,这种差异就不能忽视了。

列表和元组的性能

通过上面列表和元组存储方式的差异的学习,我们可以得出结论:元组要比列表更加轻量级一些,所以总体上来说,元组的性能速度要略优于列表。

另外,Python 会在后台,对静态数据做一些资源缓存(resource caching)。通常来说,因为垃圾回收机制的存在,如果一些变量不被使用了,Python 就会回收它们所占用的内存,返还给操作系统,以便其他变量或其他应用使用。

但是对于一些静态变量,比如元组,如果它不被使用并且占用空间不大时,Python 会暂时缓存这部分内存。这样,下次我们再创建同样大小的元组时,Python 就可以不用再向操作系统发出请求,去寻找内存,而是可以直接分配之前缓存的内存空间,这样就能大大加快程序的运行速度。

下面的例子,是计算初始化一个相同元素的列表和元组分别所需的时间。我们可以看到,元组的初始化速度,要比列表快 5 倍。

1
2
3
4
python -m timeit 'x=(1,2,3,4,5,6)'
20000000 loops, best of 5: 9.97 nsec per loop
python -m timeit 'x=[1,2,3,4,5,6]'
5000000 loops, best of 5: 50.1 nsec per loop

但如果是索引操作的话,两者的速度差别非常小,几乎可以忽略不计。

1
2
3
4
python -m timeit -s 'x=[1,2,3,4,5,6]' 'y=x[3]'
10000000 loops, best of 5: 22.2 nsec per loop
python -m timeit -s 'x=(1,2,3,4,5,6)' 'y=x[3]'
10000000 loops, best of 5: 21.9 nsec per loop

当然,如果你想要增加、删减或者改变元素,那么列表显然更优。原因你现在肯定知道了,那就是对于元组,你必须得通过新建一个元组来完成。

列表和元组的使用场景

那么列表和元组到底用哪一个呢?根据上面所说的特性,我们具体情况具体分析。

1. 如果存储的数据和数量不变,比如你有一个函数,需要返回的是一个地点的经纬度,然后直接传给前端渲染,那么肯定选用元组更合适。

1
2
3
def get_location():
.....
return (longitude, latitude)

2. 如果存储的数据或数量是可变的,比如社交平台上的一个日志功能,是统计一个用户在一周之内看了哪些用户的帖子,那么则用列表更合适。

1
2
3
4
viewer_owner_id_list = [] # 里面的每个元素记录了这个 viewer 一周内看过的所有 owner 的 id
records = queryDB(viewer_id) # 索引数据库,拿到某个 viewer 一周内的日志
for record in records:
viewer_owner_id_list.append(record.id)

总结

  • 列表和元组都是有序的,可以存储任意数据类型的集合。
  • 列表是动态的,长度可变,可以随意增加、删减、改变元素。
  • 元组是静态的,长度大小固定,不可对元素进行增加、删减、改变操作。
  • 列表的存储空间略大于元组,性能略逊于元组。元组相对列表更轻量级。
欢迎关注微信公众号: 『前端极客技术』『代码视界』
支付宝打赏 微信打赏

赞赏是不耍流氓的鼓励