列表和元組

目錄

• 差別
  • 共同點
  • 區別
• 列表元組存儲方式的差別
  • 列表和元組的性能
  • 列表和元組的使用場景
• 總結
• 補充
  • 建立空列表
  • 內部實現

差別

共同點

列表和元組，都是一個能夠放置任意數據類型的有序集合。
在絕大多數語言中，集合的數據類型必須一致。不過對於python中的列表和來講沒有這樣的要求

區別

列表是動態的，長度大小不固定，能夠隨意增刪改。
元組是靜態的，長度大小固定，沒法增刪改。

列表元組存儲方式的差別

先看一個例子

l = [1, 2, 3]
l.__sizeof__()  # 64

tup = (1, 2, 3)
tup.__sizeof__()  # 48

你能夠看到，對列表和元組，咱們放置了相同的元素，可是元組的存儲空間，卻比列表要少 16 字節。這是爲何呢？

事實上，因爲列表是動態的，因此它須要存儲指針，來指向對應的元素（上述例子中，對於 int 型，8 字節）。另外，因爲列表可變，因此須要額外存儲已經分配的長度大小（8 字節），這樣才能夠實時追蹤列表空間的使用狀況，當空間不足時，及時分配額外空間。

l = []
l.__sizeof__() # 空列表的存儲空間爲 40 字節
# 40
l.append(1)
l.__sizeof__() 
# 72 # 加入了元素 1 以後，列表爲其分配了能夠存儲 4 個元素的空間 (72 - 40)/8 = 4
l.append(2) 
l.__sizeof__()
# 72 # 因爲以前分配了空間，因此加入元素 2，列表空間不變
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 以後，列表的空間不足，因此又額外分配了能夠存儲 4 個元素的空間

上面的例子，大概描述了列表空間分配的過程。咱們能夠看到，爲了減少每次增長 / 刪減操做時空間分配的開銷，Python 每次分配空間時都會額外多分配一些，這樣的機制（over-allocating）保證了其操做的高效性：增長 / 刪除的時間複雜度均爲 O(1)。

可是對於元組，狀況就不一樣了。元組長度大小固定，元素不可變，因此存儲空間固定。

看了前面的分析，你也許會以爲，這樣的差別能夠忽略不計。可是想象一下，若是列表和元組存儲元素的個數是一億，十億甚至更大數量級時，你還能忽略這樣的差別嗎？

列表和元組的性能

經過學習列表和元組存儲方式的差別，咱們能夠得出結論：元組要比列表更加輕量級一些，因此整體上來講，元組的性能速度要略優於列表。

另外，Python 會在後臺，對靜態數據作一些資源緩存（resource caching）。一般來講，由於垃圾回收機制的存在，若是一些變量不被使用了，Python 就會回收它們所佔用的內存，返還給操做系統，以便其餘變量或其餘應用使用。

可是對於一些靜態變量，好比元組，若是它不被使用而且佔用空間不大時，Python 會暫時緩存這部份內存。這樣，下次咱們再建立一樣大小的元組時，Python 就能夠不用再向操做系統發出請求，去尋找內存，而是能夠直接分配以前緩存的內存空間，這樣就能大大加快程序的運行速度。

下面的例子，是計算初始化一個相同元素的列表和元組分別所需的時間。咱們能夠看到，元組的初始化速度，要比列表快 5 倍。

python3 -m timeit 'x=(1,2,3,4,5,6)'
20000000 loops, best of 5: 9.97 nsec per loop
python3 -m timeit 'x=[1,2,3,4,5,6]'
5000000 loops, best of 5: 50.1 nsec per loop

但若是是索引操做的話，二者的速度差異很是小，幾乎能夠忽略不計。

python3 -m timeit -s 'x=[1,2,3,4,5,6]' 'y=x[3]'
10000000 loops, best of 5: 22.2 nsec per loop
python3 -m timeit -s 'x=(1,2,3,4,5,6)' 'y=x[3]'
10000000 loops, best of 5: 21.9 nsec per loop

固然，若是你想要增長、刪減或者改變元素，那麼列表顯然更優。緣由你如今確定知道了，那就是對於元組，你必須得經過新建一個元組來完成。

列表和元組的使用場景

那麼列表和元組到底用哪個呢？根據上面所說的特性，咱們具體狀況具體分析。

1. 若是存儲的數據和數量不變，好比你有一個函數，須要返回的是一個地點的經緯度，而後直接傳給前端渲染，那麼確定選用元組更合適。

def get_location():
    ..... 
    return (longitude, latitude)

1. 若是存儲的數據或數量是可變的，好比社交平臺上的一個日誌功能，是統計一個用戶在一週以內看了哪些用戶的帖子，那麼則用列表更合適。

viewer_owner_id_list = [] # 裏面的每一個元素記錄了這個 viewer 一週內看過的全部 owner 的 id
records = queryDB(viewer_id) # 索引數據庫，拿到某個 viewer 一週內的日誌
for record in records:
    viewer_owner_id_list.append(record.id)

總結

關於列表和元組，咱們今天聊了不少，最後一塊兒總結一下你必須掌握的內容。

總的來講，列表和元組都是有序的，能夠存儲任意數據類型的集合，區別主要在於下面這兩點。

• 列表是動態的，長度可變，能夠隨意的增長、刪減或改變元素。列表的存儲空間略大於元組，性能略遜於元組。

• 元組是靜態的，長度大小固定，不能夠對元素進行增長、刪減或者改變操做。元組相對於列表更加輕量級，性能稍優。

補充

建立空列表

empty_list = list() # 方式一
empty_list = [] # 方式二
"""
區別主要在於list()是一個函數調用，Python的function call會建立stack，
而且進行一系列參數檢查的操做，比較expensive，反觀[]是一個內置的C函數，
能夠直接被調用，所以效率高。
"""

內部實現

list和tuple的內部實現都是array的形式，list由於可變，因此是一個over-allocate的array，tuple由於不可變，因此長度大小固定。具體能夠參照源碼

list: https://github.com/python/cpython/blob/master/Objects/listobject.c.

tuple: https://github.com/python/cpython/blob/master/Objects/tupleobject.c