前面的课程,我们了解了Python 语言的学习方法,并且带你了解了 Python 必知的常用工具——Jupyter。接下来我们正式学习 Python 的具体知识。
对于每一门编程语言来说,数据结构都是其根基。了解掌握 Python 的基本数据结构,对于学好这门语言至关重要。今天我们就一起来学习,Python 中最常见的两种数据结构:列表(list)和元组(tuple)。
一、列表和元组基础
首先,我们需要弄清楚最基本的概念,什么是列表和元组呢?
实际上,列表和元组,都是一个可以放置任意数据类型的有序集合。
在绝大多数编程语言中,集合的数据类型必须一致。不过,对于 Python 的列表和元组来说,并无此要求:
二、列表和元组的区别
列表是动态的,长度大小不固定,可以随意地增加、删减或者改变元素(mutable)。
而元组是静态的,长度大小固定,无法增加删减或者改变(immutable)。
下面的例子中,我们分别创建了一个列表与元组。你可以看到,对于列表,我们可以很轻松地让其最后一个元素,由 4 变为 40;但是,如果你对元组采取相同的操作,Python 就会报错,原因就是元组是不可变的。
可是,如果你想对已有的元组做任何"改变",该怎么办呢?那就只能重新开辟一块内存,创建新的元组了。
比如下面的例子,我们想增加一个元素 5 给元组,实际上就是创建了一个新的元组,然后把原来两个元组的值依次填充进去。
而对于列表来说,由于其是动态的,我们只需简单地在列表末尾,加入对应元素就可以了。如下操作后,会修改原来列表中的元素,而不会创建新的列表。
通过上面的例子,相信你肯定掌握了列表和元组的基本概念。接下来我们来看一些列表和元组的基本操作和注意事项。
首先,和其他语言不同,Python 中的列表和元组都支持负数索引,-1 表示最后一个元素,-2 表示倒数第二个元素,以此类推。
除了基本的初始化,索引外,列表和元组都支持切片操作:
另外,列表和元组都可以随意嵌套:
当然,两者也可以通过 list() 和 tuple() 函数相互转换:
最后,我们来看一些列表和元组常用的内置函数:
三、几个函数的意义
列表和元组存储方式的差异
前面说了,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。我们可以来看下面的例子:
你可以看到,对列表和元组,我们放置了相同的元素,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。
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。
看了前面的分析,你也许会觉得,这样的差异可以忽略不计。但是想象一下,如果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,你还能忽略这样的差异吗?
四、列表和元组的性能
通过学习列表和元组存储方式的差异,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。
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。
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。
五、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。
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。
六、总结
关于列表和元组,我们今天聊了很多,最后一起总结一下你必须掌握的内容。
总的来说,列表和元组都是有序的,可以存储任意数据类型的集合,区别主要在于下面这两点。
列表是动态的,长度可变,可以随意的增加、删减或改变元素。列表的存储空间略大于元组,性能略逊于元组。
元组是静态的,长度大小固定,不可以对元素进行增加、删减或者改变操作。元组相对于列表更加轻量级,性能稍优。
七、思考题
1. 想创建一个空的列表,我们可以用下面的 A、B 两种方式,请问它们在效率上有什么区别吗?我们应该优先考虑使用哪种呢?可以说说你的理由。