Python列表和元组的性能以及存储方式等

Apr 25, 2024
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1. 列表和元组总结

列表和元组都是一个可以放置任意数据类型的有序集合，他们有以下共同点

  • 列表和元组中的元素可以任意，并且都可以嵌套。
  • 列表和元组都支持索引，且都支持负数索引，-1表示最后一个元素，-2表示倒数第二个元素
  • 列表和元组都支持切片操作
  • 都支持in关键词
  • 都可以使用.index()、.count()、sorted()和enumerate()等方法

  • 两者之间的相互转换，list()和tuple()
    但是他们也是有区别

  • 列表是动态的，长度大小不固定，可以随意地增加、删减或者改变元素（mutable）

  • 元组是静态的，长度大小不固定，无法增删改，想要对已有的元组做任何“改变”，就只能开辟一块内存，创建新的元组

2. 列表和元组存储方式的差异

由于列表是动态的；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。我们可以来看下面的例子：

**>>>** l **=** [1, 2, 3]
**>>>** l**.**__sizeof__()
64
**>>>** tup **=** (1, 2, 3)
**>>>** tup**.**__sizeof__()
48

上面的例子中，元组和列表都放置了相同的元素，但是元素的存储空间却比列表要少16字节。这是因为列表是动态的，所以它需要存储指针，来指向对应的元素，对上例子中，因为存的是int型，所以这个值是8字节。另外，由于列表是可变的，所以需要额外存储已经分配的长度大小（8字节），这样子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。

下面我们模拟一下列表空间分配的过程

**>>>** l **=** []
**>>>** l**.**__sizeof__()  
40  *# 空列表的存储空间为 40 字节
***>>>** l**.**append(1)
**>>>** l**.**__sizeof__()
72  *# 加入元素1之后，列表为其分配了可以存储4个元素的空间 (72-40)/8
***>>>** l**.**append(2)
**>>>** l**.**__sizeof__()
72  *# 由于之前分配了空间，所以记入元素2，列表空间不变
***>>>** l**.**append(3)
**>>>** l**.**__sizeof__()
72  
**>>>** l**.**append(4)
**>>>** l**.**__sizeof__()
72
**>>>** l**.**append(5)
**>>>** l**.**__sizeof__()
104 *# 当加入元素5的时候，列表空间不足，所以又额外分配了可以存储4个元素的空间*

我们可以看到，为了减少每次增加/删除操作时空间分销的开销，Python每次分配空间时都会额外多分配一些，这样子的机制（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）。而元组长度大小固定，元素不可变，所以存储空间固定。

3. 列表和元组的性能

通过上述可以看到元组比列表要更加轻量级一些，所以总体上来说，元组的性能速度要略优于列表。另外，Python在后台，对静态数据会做一些资源缓存。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，以便其他变量或者应用使用。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。那么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，与寻找内存，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。

下面演示，初始化一个空的列表和元组分别所需的时间，可以看到元组的初始化速度，要比列表快：

image

这个测试会跟测试的环境所关，我在windows上测的话，时间几乎没差别，然后我换到装在虚拟机里面的ubuntu16.04 64位系统，并给它分配了2GB内存，测试效果如上。

当然我们可以通过增加初始化的次数来进行，如下所示：

**>>>** **import** timeit
**>>>** timeit**.**timeit('a=[]',number**=**100000)
0.0036053537262432656
**>>>** timeit**.**timeit('a=()',number**=**100000)
0.0023545833664684324

假如是索引操作的话，两者的速度差别不大，如下：

**>>>** **import** timeit
**>>>** timeit**.**timeit('l[2]','l=[1,2,3,4,5,6]',number**=**100000)
0.004119004664845605
**>>>** timeit**.**timeit('t[2]','t=(1,2,3,4,5,6)',number**=**100000)
0.004483832125249165

但是假如想要增加、删除或者修改元素的话，那么列表显然更优。因为对于元组来说，必须得创建一个新的元组才行。

timeit.timeit(stmt='pass', setup='pass', timer=, number=1000000)：创建一个Timer实例，参数分别是stmt（需要测量的语句或函数），setup（初始化代码或构建环境的导入语句），timer（计时函数），number（每一次测量中语句被执行的次数）

列表和元组创建方法推荐

想创建一个空的列表，我们可以用下面两种方式

l **=** []      *# 第一种方式创建
*l **=** list()  *# 第二种方式创建*

这两种方式区别主要在于list()是一个function call，Python的function call会创建stack，并且进行一系列参数检查的操作，比较费时；而[]是一个内置的C函数，可以直接被调用，因此效率高。测试效果如下:

**>>>** timeit**.**timeit('l=[]',number**=**100000)
0.0035447046600438625
**>>>** timeit**.**timeit('l=list()',number**=**100000)
0.017651677483172534

4. 列表和元组的使用场景

  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
  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。