本文將介紹列表在 CPython中的實現，因為畢竟Cpython 又是 Python 最為常用的實現。
Python 中的列表非常強大，看看它的內部實現機制是怎么樣的，一定非常有趣。
下面是一段 Python 腳本，在列表中添加幾個整數，然后打印列表。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 | >>> l = [] >>> l.append(1) >>> l.append(2) >>> l.append(3) >>> l [1, 2, 3] >>> for e in l: ... PRint e ... 1 2 3 |
可以發現，列表是一個迭代器。
Cpython 中的列表實現類似于下面的 C 結構體。ob_item 是指向列表對象的指針數組。allocated 是申請內存的槽的個數。
1 2 3 4 5 | typedef struct { PyObject_VAR_HEAD PyObject **ob_item; Py_ssize_t allocated; } PyListObject; |
看看初始化一個空列表的時候發生了什么，例如：l = []。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 | arguments: size of the list = 0 returns: list object = [] PyListNew: nbytes = size * size of global Python object = 0 allocate new list object allocate list of pointers (ob_item) of size nbytes = 0 clear ob_item set list's allocated var to 0 = 0 slots return list object |
要分清列表大小和分配的槽大小，這很重要。列表的大小和 len(l) 的大小相同。分配槽的大小是指已經在內存中分配了的槽空間數。通常分配的槽的大小要大于列表大小，這是為了避免每次列表添加元素的時候都調用分配內存的函數。下面會具體介紹。
向列表添加一個整數：l.append(1) 時發生了什么？調用了底層的 C 函數 app1()。
1 2 3 4 5 6 7 | arguments: list object, new element returns: 0 if OK, -1 if not app1: n = size of list call list_resize() to resize the list to size n+1 = 0 + 1 = 1 list[n] = list[0] = new element return 0 |
下面是 list_resize() 函數。它會多申請一些內存，避免頻繁調用 list_resize() 函數。列表的增長模式為：0，4，8，16，25，35，46，58，72，88……
1 2 3 4 5 6 7 | arguments: list object, new size returns: 0 if OK, -1 if not list_resize: new_allocated = (newsize >> 3) + (newsize < 9 ? 3 : 6) = 3 new_allocated += newsize = 3 + 1 = 4 resize ob_item (list of pointers) to size new_allocated return 0 |
現在分配了 4 個用來裝列表元素的槽空間，并且第一個空間中為整數 1。如下圖顯示 l[0] 指向我們新添加的整數對象。虛線的方框表示已經分配但沒有使用的槽空間。
列表追加元素操作的平均復雜度為 O(1)。
繼續添加新的元素：l.append(2)。調用 list_resize 函數，參數為 n+1 = 2， 但是因為已經申請了 4 個槽空間，所以不需要再申請內存空間。再添加兩個整數的情況也是一樣的：l.append(3)，l.append(4)。下圖顯示了我們現在的情況。
在列表偏移量 1 的位置插入新元素，整數 5：l.insert(1,5)，內部調用ins1() 函數。
1 2 3 4 5 6 7 | arguments: list object, where, new element returns: 0 if OK, -1 if not ins1: resize list to size n+1 = 5 -> 4 more slots will be allocated starting at the last element up to the offset where, right shift each element set new element at offset where return 0 |
虛線的方框依舊表示已經分配但沒有使用的槽空間。現在分配了 8 個槽空間，但是列表的大小卻只是 5。
列表插入操作的平均復雜度為 O(n)。
取出列表最后一個元素 即l.pop()，調用了 listpop() 函數。在 listpop() 函數中會調用 list_resize 函數，如果取出元素后列表的大小小于分配的槽空間數的一半，將會縮減列表的大小。
1 2 3 4 5 6 7 8 | arguments: list object returns: element popped listpop: if list empty: return null resize list with size 5 - 1 = 4. 4 is not less than 8/2 so no shrinkage set list object size to 4 return last element |
列表 pop 操作的平均復雜度為 O(1)。
可以看到 pop 操作后槽空間 4 依然指向原先的整數對象，但是最為關鍵的是現在列表的大小已經變為 4。
繼續 pop 一個元素。在 list_resize() 函數中，size – 1 = 4 – 1 = 3 已經小于所分配的槽空間大小的一半，所以縮減分配的槽空間為 6，同時現在列表的大小為 3。
可以看到槽空間 3 和 4 依然指向原先的整數，但是現在列表的大小已經變為 3。
Python 的列表對象有個方法，刪除指定的元素： l.remove(5)。底層調用 listremove() 函數。
1 2 3 4 5 6 7 8 | arguments: list object, element to remove returns none if OK, null if not listremove: loop through each list element: if correct element: slice list between element's slot and element's slot + 1 return none return null |
為了做列表的切片并且刪除元素，調用了 list_ass_slice() 函數，它的實現方法比較有趣。我們在刪除列表位置 1 的元素 5 的時候，低位的偏移量為 1 同時高位的偏移量為 2.
1 2 3 4 5 6 7 | arguments: list object, low offset, high offset returns: 0 if OK list_ass_slice: copy integer 5 to recycle list to dereference it shift elements from slot 2 to slot 1 resize list to 5 slots return 0 |
列表 remove 操作的復雜度為 O(n)。
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