list是python的高級特性，今天我們來學習一下list的底層結構。list(列表)就像一個大倉庫，里邊什么都可以放，學習過底層結構之后，就會認同這句話。python中一切皆對象，先點出來，列表中存放的元素其實是泛型指針PyObject*,所以什么都可以放。根據我們列表的直觀感受，每個列表中的元素個數可能會不一樣，所以列表示一個變長對象；列表中的元素可以進行添加、刪除、修改等操作，所以列表是一個可變對象。

列表常用的操作

其中，需要注意的是性能問題，pop從尾部彈出一個元素，時間復雜度為O(1)；從頭部彈出一個元素，后面的元素都需要移動，時間復雜度為O(n)。

先看一下List 對象的底層結構，PyListObject，通過前面的學習，這個很簡單了。

typedef struct { PyObject_VAR_HEAD//變長對象公共頭部信息 PyObject **ob_item;//二級指針，指向一個PyObject*類型的指針數組， //這個指針數組保存的是對象指針 Py_ssize_t allocated;//列表底層使用C數組，列表的容量，非實際大小} PyListObject;

通過前面的學習，我們知道一個變長對象是通過ob_size字段來指示對象的實際大小的。列表多了一個字段allocated來表示容量，之所以要有容量這個概念，是因為列表需要動態添加元素。在動態添加元素時，如果每添加一個元素，就申請一次數組，將所有元素都拷貝一次，性能太低。加了容量這個字段，添加新元素，發現底層數組已滿，會將底層數組申請的長一些，添加元素的時候不用每次都申請新的數組。

PyListObject示意圖

可以看出，此時列表中有兩個元素，但是列表的容量是6。我們再append兩個元素，如下示意圖,可以看出容量最大為6，不需要重新申請數組。

尾部添加元素示意圖

在此基礎上再增加三個元素在尾部，實際元素個數為7，容量為6，需要擴容，看一下示意圖：原來的容量為6，元素個數為4，append3個元素后，假設容量為10，元素個數為7。擴容的時候把容量申請的比實際元素大一些。然后將原來數組中的PyObject*按照順序依次拷貝到新的數組里邊，再將ob_item指向新的數組，再將ob_size加3。這就是列表擴容的過程。看一下實際源碼

list對象擴容底層示意圖

//代碼位置cpython-masterObjectslistobject.clist_resize(PyListObject *self, Py_ssize_t newsize)//參數self就是列表，newsize是元素添加或者減少之后的ob_size{ PyObject **items;//這個二級指針，用來指向指針數組 size_t new_allocated, num_allocated_bytes;//新的容量和對應的內存大小 Py_ssize_t allocated = self->allocated;//獲取原來的容量 //如果newsize達到了總量的一半，但是還沒有超過容量，說明newsize和容量的匹配的，不會擴容 if (allocated >= newsize && newsize >= (allocated >> 1)) { assert(self->ob_item != NULL || newsize == 0); Py_SET_SIZE(self, newsize); return 0; }//走到這里說明容量和ob_size不匹配，要進行擴容或者縮容 //新申請的底層數組的容量由下邊的公式決定 new_allocated = ((size_t)newsize + (newsize >> 3) + 6) & ~(size_t)3; //也不能過度分配 if (newsize - Py_SIZE(self) > (Py_ssize_t)(new_allocated - newsize)) new_allocated = ((size_t)newsize + 3) & ~(size_t)3; //如果newsize為0，那么容量也會清空 if (newsize == 0) new_allocated = 0; //數組中存放的是PyObject*,所以要計算內存 num_allocated_bytes = new_allocated * sizeof(PyObject *); //申請相應大小的內存，賦值給指針items items = (PyObject **)PyMem_Realloc(self->ob_item, num_allocated_bytes); //申請失敗 if (items == NULL) { PyErr_NoMemory(); return -1; } //指向新的數組，實現擴容或者縮容 self->ob_item = items; //元素的實際個數 Py_SET_SIZE(self, newsize); //原來容量的大小設置為新的大小 self->allocated = new_allocated; return 0;}

new_allocated = ((size_t)newsize + (newsize >> 3) + 6) & ~(size_t)3;

從這個公式的注釋得到擴容的規律：The growth pattern is: 0, 4, 8, 16, 24, 32, 40, 52, 64, 76, ...

總結

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