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Python?中的?list、tuple、set、dict的底層實(shí)現(xiàn)小結(jié)

更新時(shí)間：2025年03月20日 09:27:54 作者：星哲最開(kāi)心

本文詳細(xì)介紹了Python中四種常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——list、tuple、set和dict的底層實(shí)現(xiàn),包括它們的存儲(chǔ)方式、性能特點(diǎn)以及適用場(chǎng)景,感興趣的朋友一起看看吧

在 Python 中，list、tuple、set 和 dict 是四種非常常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它們的底層實(shí)現(xiàn)各有特點(diǎn)，這些實(shí)現(xiàn)方式?jīng)Q定了它們的性能和使用場(chǎng)景。以下是對(duì)這四種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)底層實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)解釋：

1. list（列表）

list 是 Python 中最常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一，它是一個(gè) 動(dòng)態(tài)數(shù)組，用于存儲(chǔ)有序的元素集合。

底層實(shí)現(xiàn)

存儲(chǔ)方式：list 是一個(gè) 連續(xù)的內(nèi)存塊，用于存儲(chǔ)元素的引用（指針）。這意味著 list 中的元素可以是任意類型，因?yàn)榇鎯?chǔ)的是對(duì)象的引用，而不是對(duì)象本身。
動(dòng)態(tài)擴(kuò)展：list 的大小是動(dòng)態(tài)的。當(dāng)列表空間不足時(shí)，Python 會(huì)分配一個(gè)新的更大的內(nèi)存塊，并將舊數(shù)據(jù)復(fù)制到新內(nèi)存塊中。通常，新的內(nèi)存塊大小是當(dāng)前大小的 1.125 倍（具體倍數(shù)可能因 Python 版本而異）。
內(nèi)存管理：由于 list 是連續(xù)內(nèi)存，因此它支持快速的隨機(jī)訪問(wèn)（通過(guò)索引訪問(wèn)元素的時(shí)間復(fù)雜度為 O(1)）。但插入和刪除操作（尤其是非尾部操作）可能需要移動(dòng)大量元素，時(shí)間復(fù)雜度為 O(n)。

性能特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

支持快速的隨機(jī)訪問(wèn)（通過(guò)索引）。
內(nèi)部實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，適合存儲(chǔ)有序數(shù)據(jù)。

缺點(diǎn)：

插入和刪除操作（尤其是非尾部操作）效率較低。
內(nèi)存占用可能較高，因?yàn)樾枰A(yù)留額外空間以支持動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。

2. tuple（元組）

tuple 是一個(gè) 不可變的有序集合，用于存儲(chǔ)一組固定的數(shù)據(jù)。

底層實(shí)現(xiàn)

存儲(chǔ)方式：與 list 類似，tuple 也是通過(guò) 連續(xù)的內(nèi)存塊 存儲(chǔ)元素的引用。不同的是，tuple 是不可變的，這意味著它的大小和內(nèi)容在創(chuàng)建后不能被修改。
內(nèi)存分配：由于 tuple 是不可變的，Python 在創(chuàng)建 tuple 時(shí)會(huì)一次性分配足夠的內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)所有元素，而不需要考慮動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。
性能優(yōu)化：由于不可變性，tuple 在某些情況下比 list 更高效，尤其是在作為字典的鍵或集合的元素時(shí)，因?yàn)樗鼈兊墓Ｖ凳枪潭ǖ摹?/li>

性能特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

不可變性保證了數(shù)據(jù)的安全性。
在某些場(chǎng)景下（如作為哈希表的鍵）比 list 更高效。

缺點(diǎn)：

不支持動(dòng)態(tài)修改，靈活性較差。

3. set（集合）

set 是一個(gè) 無(wú)序的集合，用于存儲(chǔ)唯一的元素。它支持高效的成員查找、插入和刪除操作。

底層實(shí)現(xiàn)

存儲(chǔ)方式：set 的底層實(shí)現(xiàn)是基于 哈希表 的。每個(gè)元素通過(guò)哈希函數(shù)映射到一個(gè)唯一的哈希值，并存儲(chǔ)在哈希表中。
沖突解決：當(dāng)兩個(gè)元素的哈希值沖突時(shí)，Python 使用鏈表或 開(kāi)放尋址法 來(lái)解決沖突。具體實(shí)現(xiàn)取決于 Python 的版本。
動(dòng)態(tài)擴(kuò)展：與 list 類似，set 的大小也是動(dòng)態(tài)的。當(dāng)哈希表的負(fù)載因子（元素?cái)?shù)量與哈希表大小的比值）超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)，哈希表會(huì)自動(dòng)擴(kuò)展，重新分配更大的內(nèi)存空間并重新哈希所有元素。

性能特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

成員查找、插入和刪除操作的時(shí)間復(fù)雜度為 O(1)。
自動(dòng)去重，適合存儲(chǔ)唯一元素。

缺點(diǎn)：

不支持重復(fù)元素。
不支持有序訪問(wèn)。

4. dict（字典）

dict 是一個(gè) 鍵值對(duì)的集合，用于存儲(chǔ)映射關(guān)系。它是 Python 中最強(qiáng)大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一。

底層實(shí)現(xiàn)

存儲(chǔ)方式：dict 的底層實(shí)現(xiàn)也是基于 哈希表 的。每個(gè)鍵通過(guò)哈希函數(shù)映射到一個(gè)唯一的哈希值，并存儲(chǔ)在哈希表中。值則與鍵關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)。
沖突解決：與 set 類似，dict 也使用鏈表或開(kāi)放尋址法解決哈希沖突。
動(dòng)態(tài)擴(kuò)展：當(dāng)哈希表的負(fù)載因子超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)，dict 會(huì)自動(dòng)擴(kuò)展，重新分配更大的內(nèi)存空間并重新哈希所有鍵值對(duì)。
鍵的唯一性：dict 的鍵必須是不可變類型（如整數(shù)、字符串、元組等），因?yàn)樗鼈冃枰С止２僮鳌?/li>

性能特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

鍵值對(duì)查找、插入和刪除操作的時(shí)間復(fù)雜度為 O(1)。
支持靈活的鍵值映射關(guān)系。

缺點(diǎn)：

鍵必須是不可變類型。
不支持有序訪問(wèn)（Python 3.7+ 中的 dict 保持了插入順序，但這不是通過(guò)哈希表實(shí)現(xiàn)的，而是通過(guò)額外的機(jī)制）。

總結(jié)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)	底層實(shí)現(xiàn)	優(yōu)點(diǎn)	缺點(diǎn)
`list`	動(dòng)態(tài)數(shù)組	隨機(jī)訪問(wèn)快，支持動(dòng)態(tài)擴(kuò)展	插入和刪除效率低，內(nèi)存占用可能較高
`tuple`	靜態(tài)數(shù)組	不可變，適合哈希	不支持動(dòng)態(tài)修改
`set`	哈希表	成員查找、插入和刪除快，自動(dòng)去重	不支持重復(fù)元素，不支持有序訪問(wèn)
`dict`	哈希表	鍵值對(duì)查找、插入和刪除快	鍵必須是不可變類型，不支持有序訪問(wèn)

擴(kuò)展閱讀

Python 官方文檔：數(shù)據(jù)模型
Python 源碼分析：可以參考 Python 源碼中的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，特別是 listobject.c、tupleobject.c、setobject.c 和 dictobject.c 文件。
性能優(yōu)化：了解這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的底層實(shí)現(xiàn)可以幫助你更好地選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化代碼性能。

如果你對(duì)某個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的底層實(shí)現(xiàn)有更具體的問(wèn)題，歡迎繼續(xù)提問(wèn)！

到此這篇關(guān)于Python 中的 list、tuple、set、dict的底層實(shí)現(xiàn)的理解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Python list、tuple、set、dict內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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