Python入门:认识列表和元组

列表和元组均属于有序集合，能够容纳任意数据类型的数据元素。

列表的特性

列表具有动态性（mutable），其长度不固定，允许用户自由地增加、删除或修改其中的元素。

对列表元素的修改会直接作用于原列表，而不会生成一个新的列表对象。

# 新建一个列表
l = [1, 2, 'hello', 'world']
# 输出列表
l
# 显示内容
[1, 2, 'hello', 'world']
# 访问列表元素
l[3] = 3 # 列表允许访问第4个元素，并修改
# 输出列表
l
# 显示内容
[1, 2, 'hello', 3]
# 添加元素
l.append(5) # 把元素5 添加到列表后面
# 输出列表
l
# 显示内容
[1, 2, 'hello', 3, 5]

元组的特性

元组具有静态性（immutable），其长度固定，不支持增加、删除或修改内部元素的操作。

若需改变元组中的数据，必须开辟新的内存空间，并创建一个全新的元组。

# 新建一个元组
tup = ('jason', 22)
# 输出元组
tup
# 显示内容
('jason', 22)
# 不能对元组直接操作，需要新建一个新元组
net_tup = tup + (5, ) # 创建新的元组new_tup 后，以此填充元素，新增元素后的',' 不可以省略
# 输出元组
net_tup
# 显示内容
('jason', 22, 5)

两者支持的操作

负数索引

列表和元组均支持负数索引机制，其中 -1 代表倒数第一个元素，-2 代表倒数第二个，依此类推。

l = [1, 2, 'hello', 3, 5]
l[-1] # 列表的负数索引
# 显示内容
5
tup = ('jason', 22)
tup[-1] # 元组的负数索引
# 显示内容
22

切片操作

切片操作用于提取指定范围 [start : end] 内的所有元素，结果包含起始索引对应的元素，但不包含结束索引对应的元素。

例如，表达式 [0:3] 表示从下标 0 开始取值，直至下标 2（即 3-1）结束。

l = [1, 2, 'hello', 3, 5]
l[0:3] # 列表的切片操作
# 显示内容
[1, 2, 'hello']
tup = ('jason', 22)
tup[0:2] # 元组的切片操作
# 显示内容
('jason', 22)

随意嵌套

new_l = [[1, 2, 3], [4, 5]] # 嵌套列表
new_l
# 显示内容
[[1, 2, 3], [4, 5]]
new_tup = ((1, 2, 3,), (4, 5, 6)) # 嵌套元组
new_tup
# 显示内容
((1, 2, 3), (4, 5, 6))

相互转换

list((1, 2, 3)) # list() 函数把元组转化成列表
tuple([1, 2, 3]) # tuple() 函数把列表转化成元组

常用内置函数

count(item) 用于统计列表或元组中指定 item 出现的次数。

• index(item) 返回列表或元组中 item 第一次出现的索引位置。
• list.reverse() and list.sort() 只能对列表应用
  • list.reverse() 用于将列表原地倒转。
  • list.sort() 用于对列表进行排序。
• reversed() and sorted()
  • reversed() 对列表 / 元组进行倒转
    • 返回一个倒转后的迭代器，使用 list() 将其转换成列表
• sorted() 对列表 / 元组进行排序
  • 返回排好序的新列表

存储方式的差异

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

在存储相同内容时，列表比元组多占用 16 字节。

• 由于列表是动态的，需要指针来指向对应的元素。
• 列表可变，因此需要额外存储已分配的长度信息，以追踪列表空间的使用情况，当空间不足时，可及时分配额外空间。
• 存储指针的空间长度各为 8 字节。

列表初始空间为 40 字节，添加字符后会扩展 4 个元素的空间（32 字节），总计 72 字节。当需要存储的元素空间大于当前存储空间时，列表会新增 4 个元素的空间（32 字节）。

这种增加/删减操作机制（over-allocating）保证了操作的有效性，使得增加/删减的时间复杂度均为 O(1)。

性能对比

元组比列表更加轻量级，从总体来看，元组的性能速度略优于列表。

Python 会在后台对静态数据执行资源缓存（resource caching）。

垃圾回收机制会在变量不再被使用时，回收其占用的内存并返还给操作系统，供其他变量或应用使用。

但当元组不被使用且占用空间较小时，Python 会暂时缓存这部分内存。下次调用时，Python 直接复用该缓存空间，从而大幅加快程序运行速度。

初始化包含相同元素的列表和元组时，元组的创建速度比列表快 5 倍。

在索引操作上，两者的速度差异极小，几乎可以忽略不计。

在增加/删减或改变元素方面，列表表现更优。而元组因不可变特性，需新建一个元组来实现变更。

两者的使用场景

若存储的数据及其数量保持不变，选用元组更为合适；若存储的数据或数量可能发生变动，则选择列表更合适。

总结

列表和元组都是有序的集合，可以存储任何数据类型的数据。

区别：

列表是动态的，长度可变，支持增加、删除、修改元素，但存储空间略大于元组，性能略逊于元组。

元组是静态的，长度固定，不支持对元素进行直接操作。元组相对于列表更加轻量级，性能稍优。

提问：两个创建空列表的方法，哪个更快。

# option A
empty_list = list()
# option B
empty_list = []

自答：我认为 option B 更快一些，因为它直接创建了一个空列表。而 option A 是通过 list() 进行转换的。

解答：[] 是一个内置的 C 函数，被直接调用。而 list 是一个函数调用（function call），Python 的函数调用会创建栈帧（stack），并进行一系列参数检查操作，相对较为耗时（expensive）。

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