【学习笔记】第四章 Python3核心技术与实践--列表与元组

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：

l = [1, 2, 'hello', 'world'] # 列表中同时含有 int 和 string 类型的元素
l
[1, 2, 'hello', 'world']

tup = ('jason', 22) # 元组中同时含有 int 和 string 类型的元素
tup
('jason', 22)

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。

l = [1, 2, 3, 4]
l[3] = 40 # 和很多语言类似，python 中索引同样从 0 开始，l[3] 表示访问列表的第四个元素
l
[1, 2, 3, 40]

tup = (1, 2, 3, 4)
tup[3] = 40
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: 'tuple' object does not support item assignment

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。

tup = (1, 2, 3, 4)
new_tup = tup + (5, ) # 创建新的元组 new_tup，并依次填充原元组的值
new _tup
(1, 2, 3, 4, 5)

l = [1, 2, 3, 4]
l.append(5) # 添加元素 5 到原列表的末尾
l
[1, 2, 3, 4, 5]

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。

l = [1, 2, 3, 4]
l[-1]
4

tup = (1, 2, 3, 4)
tup[-1]
4

除了基本的初始化，索引外，列表和元组都支持切片操作：

l = [1, 2, 3, 4]
l[1:3] # 返回列表中索引从 1 到 2 的子列表
[2, 3]

tup = (1, 2, 3, 4)
tup[1:3] # 返回元组中索引从 1 到 2 的子元组
(2, 3)
另外，列表和元组都可以随意嵌套：

l = [[1, 2, 3], [4, 5]] # 列表的每一个元素也是一个列表

tup = ((1, 2, 3), (4, 5, 6)) # 元组的每一个元素也是一元组

当然，两者也可以通过 list() 和 tuple() 函数相互转换：

list((1, 2, 3))
[1, 2, 3]

tuple([1, 2, 3])
(1, 2, 3)

最后，我们来看一些列表和元组常用的内置函数：

l = [3, 2, 3, 7, 8, 1]
l.count(3)
2
l.index(7)
3
l.reverse()
l
[1, 8, 7, 3, 2, 3]
l.sort()
l
[1, 2, 3, 3, 7, 8]

tup = (3, 2, 3, 7, 8, 1)
tup.count(3)
2
tup.index(7)
3
list(reversed(tup))
[1, 8, 7, 3, 2, 3]
sorted(tup)
[1, 2, 3, 3, 7, 8]

三、几个函数的意义

count(item) 表示统计列表 / 元组中 item 出现的次数。
index(item) 表示返回列表 / 元组中 item 第一次出现的索引。
list.reverse() 和 list.sort() 分别表示原地倒转列表和排序（注意，元组没有内置的这两个函数)。
reversed() 和 sorted() 同样表示对列表 / 元组进行倒转和排序，但是会返回一个倒转后或者排好序的新的列表 / 元组。
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：

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

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。

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

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。

python3 -m timeit 'x=(1,2,3,4,5,6)'
20000000 loops, best of 5: 9.97 nsec per loop
python3 -m timeit 'x=[1,2,3,4,5,6]'
5000000 loops, best of 5: 50.1 nsec per loop

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。

python3 -m timeit -s 'x=[1,2,3,4,5,6]' 'y=x[3]'
10000000 loops, best of 5: 22.2 nsec per loop
python3 -m timeit -s 'x=(1,2,3,4,5,6)' 'y=x[3]'
10000000 loops, best of 5: 21.9 nsec per loop

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。

def get_location():
.....
return (longitude, latitude)

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。

viewer_owner_id_list = [] # 里面的每个元素记录了这个 viewer 一周内看过的所有 owner 的 id
records = queryDB(viewer_id) # 索引数据库，拿到某个 viewer 一周内的日志
for record in records:
viewer_owner_id_list.append(record.id)

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。

# 创建空列表
# option A
empty_list = list()

# option B
empty_list = []

2. 你在平时的学习工作中，是在什么场景下使用列表或者元组呢？欢迎留言和我分享。

思考题答案见下一章