Python 列表源码解析

列表作为python 最常用的一种数据类型, 一直很好奇其是如何实现动态的扩展的，于是上github看了源代码（https://github.com/python/cpython/blob/master/Include/listobject.h， https://github.com/python/cpython/blob/master/Objects/listobject.c），结合《python源码剖析》分享一下自己的收获!

列表源码定义

#ifndef Py_LIMITED_API
typedef struct {
    PyObject_VAR_HEAD
    /* Vector of pointers to list elements.  list[0] is ob_item[0], etc. */
    PyObject **ob_item;

    /* ob_item contains space for 'allocated' elements.  The number
     * currently in use is ob_size.
     * Invariants:
     *     0 <= ob_size <= allocated
     *     len(list) == ob_size
     *     ob_item == NULL implies ob_size == allocated == 0
     * list.sort() temporarily sets allocated to -1 to detect mutations.
     *
     * Items must normally not be NULL, except during construction when
     * the list is not yet visible outside the function that builds it.
     */
    Py_ssize_t allocated;
} PyListObject;
#endif

allocated 记录了这个列表申请的内存大小, 假如一个列表中可以容纳10个元素，则allocated 就是10，当我们往列表中添加或者删除元素时这个大小都会跟着改变

ob_size 则是记录了当前列表中已经使用的大小

allocated 和 ob_size 都和内存管理有关，python的列表总是会被频繁的添加或者删除元素，因此频繁的申请释放内存显然是不明智的,所以python的列表在创建时总是会申请一大块内存，申请的内存大小就记录在 allocated 上，已经使用的就记录在 ob_size

列表创建

通过PyAPI_FUNC(PyObject *) PyList_New(Py_ssize_t size); 方法来创建
该方法需要指定创建列表容量的大小
创建列表代码如下

PyList_New(Py_ssize_t size)
{
    PyListObject *op;
#ifdef SHOW_ALLOC_COUNT
    static int initialized = 0;
    if (!initialized) {
        Py_AtExit(show_alloc);
        initialized = 1;
    }
#endif

    if (size < 0) {
        PyErr_BadInternalCall();
        return NULL;
    }
    if (numfree) {
        numfree--;
        op = free_list[numfree];
        _Py_NewReference((PyObject *)op);
#ifdef SHOW_ALLOC_COUNT
        count_reuse++;
#endif
    } else {
        op = PyObject_GC_New(PyListObject, &PyList_Type);
        if (op == NULL)
            return NULL;
#ifdef SHOW_ALLOC_COUNT
        count_alloc++;
#endif
    }
    if (size <= 0)
        op->ob_item = NULL;
    else {
        op->ob_item = (PyObject **) PyMem_Calloc(size, sizeof(PyObject *));
        if (op->ob_item == NULL) {
            Py_DECREF(op);
            return PyErr_NoMemory();
        }
    }
    Py_SIZE(op) = size;
    op->allocated = size;
    _PyObject_GC_TRACK(op);
    return (PyObject *) op;
}

新建列表主要做了:

1 参数检查列表大小不能是 0
2 检查是否有缓存可用
3 内存检查检查新建的列表大小不能超过内存大小
4 申请内存新建列表
5 为allocated 设置初始化的值

列表设置元素的实现

lst = list() lst[0] = "hello world"

当通过 PyObject_GC_New 创建列表之后，其实里面的元素都是null

lst

假如我们要给lst 第n元素赋值其实就是通过 PyList_SetItem(PyObject *op, Py_ssize_t i, PyObject *newitem) 方法来实现的

代码如下:

PyList_SetItem(PyObject *op, Py_ssize_t i,
               PyObject *newitem)
{
    PyObject **p;
    if (!PyList_Check(op)) {
        Py_XDECREF(newitem);
        PyErr_BadInternalCall();
        return -1;
    }
    if (i < 0 || i >= Py_SIZE(op)) {
        Py_XDECREF(newitem);
        PyErr_SetString(PyExc_IndexError,
                        "list assignment index out of range");
        return -1;
    }
    p = ((PyListObject *)op) -> ob_item + i;
    Py_XSETREF(*p, newitem);
    return 0;
}

设置元素的过程大致的步骤是

1 参数类型检查
2 索引有效性检查不可超出索引
3 设置元素

列表 insert 插入元素的实现

插入元素使用的是ins1(PyListObject *self, Py_ssize_t where, PyObject *v) 方法来实现
源码如下

ins1(PyListObject *self, Py_ssize_t where, PyObject *v)
{
    Py_ssize_t i, n = Py_SIZE(self);
    PyObject **items;
    if (v == NULL) {
        PyErr_BadInternalCall();
        return -1;
    }
    if (n == PY_SSIZE_T_MAX) {
        PyErr_SetString(PyExc_OverflowError,
            "cannot add more objects to list");
        return -1;
    }

    if (list_resize(self, n+1) < 0)
        return -1;

    if (where < 0) {
        where += n;
        if (where < 0)
            where = 0;
    }
    if (where > n)
        where = n;
    items = self->ob_item;
    for (i = n; --i >= where; )
        items[i+1] = items[i];
    Py_INCREF(v);
    items[where] = v;
    return 0;
}

其主要实现过程如下

1 参数检查
2 从新调整列表容量通过 list_resize 方法确定是否需要申请内存
3 确定插入点
4 插入元素

可以看到列表插入时都会将后面的位置的元素重新移动

lst_insert

列表的append 实现

通过 PyList_Append(PyObject *op, PyObject *newitem) 方法来实现

源码如下:

PyList_Append(PyObject *op, PyObject *newitem)
{
    if (PyList_Check(op) && (newitem != NULL))
        return app1((PyListObject *)op, newitem);
    PyErr_BadInternalCall();
    return -1;
}

其主要是调用了 app1(PyListObject *self, PyObject *v) 来实现的

app1 方法主要做了以下工作

1 参数检查
2 容量检查
3 调用 list_resize 方法检查是否需要申请内存
4 添加元素

列表转元组

列表转元组其实就是新建一个大小和列表一样大小的数组，并将该列表内的元素添加到元组中

源码如下:

PyObject *
PyList_AsTuple(PyObject *v)
{
    PyObject *w;
    PyObject **p, **q;
    Py_ssize_t n;
    if (v == NULL || !PyList_Check(v)) {
        PyErr_BadInternalCall();
        return NULL;
    }
    n = Py_SIZE(v);
    w = PyTuple_New(n);
    if (w == NULL)
        return NULL;
    p = ((PyTupleObject *)w)->ob_item;
    q = ((PyListObject *)v)->ob_item;
    while (--n >= 0) {
        Py_INCREF(*q);
        *p = *q;
        p++;
        q++;
    }
    return w;
}

列表的反转 reverse

列表的反转是就地反转的，不会生成新的列表, 循环当前列表使用了一个第三变量，然后将元素移位

static void
reverse_slice(PyObject **lo, PyObject **hi)
{
    assert(lo && hi);

    --hi;
    while (lo < hi) {
        PyObject *t = *lo;
        *lo = *hi;
        *hi = t;
        ++lo;
        --hi;
    }
}

关于列表的 extend 方法看了源码才知道,只要是可迭代对象都可以放入extend(), 字典，元组，字符串都可以

部分源码定义如下

if (PyList_CheckExact(iterable) || PyTuple_CheckExact(iterable) ||
                (PyObject *)self == iterable) {
        PyObject **src, **dest;
        iterable = PySequence_Fast(iterable, "argument must be iterable");
        if (!iterable)
            return NULL;

还有很多的方法等着你们去探索和发现, 更多列表实现的源代码请看:
https://github.com/python/cpython/blob/master/Objects/listobject.c

Python 列表源码解析

关于 列表的 extend 方法 看了源码才知道,只要是可迭代对象都可以放入extend(), 字典，元组，字符串都可以

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