为什么列表元素查找在 Python 中是 O(1)？

Question

今天在课堂上，我们了解到在 Python 中从列表中检索元素是O(1)。为什么会这样？假设我有一个包含四个项目的列表，例如：

li = ["perry", 1, 23.5, "s"]

这些项目在内存中的大小不同。所以不可能把li[0]的内存位置加上每个元素大小的三倍得到li[3]的内存位置。那么解释器如何知道li[3] 在哪里而不必遍历列表来检索元素呢？

Answer 1

Python 中的列表实现为指针数组¹。那么，当您创建列表时真正发生了什么：

["perry", 1, 23.5, "s"]

你实际上是在创建一个这样的指针数组：

[0xa3d25342, 0x635423fa, 0xff243546, 0x2545fade]

每个指针“指向”内存中的各个对象，因此字符串"perry"将存储在地址0xa3d25342，数字1将存储在0x635423fa等。

由于所有指针的大小都相同，解释器可以实际上将元素大小的 3 倍添加到 li[0] 的地址以获取存储在 li[3] 处的指针。

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¹ 获取更多详细信息：the horse's mouth (CPython source code on GitHub)。

Answer 2

当您说a = [...] 时，a 实际上是指向 PyObject 的指针，其中包含指向 PyObjects 的指针数组。

当您请求a[2] 时，解释器首先跟随指向列表的PyObject 的指针，然后将2 添加到其中的数组地址，然后返回该指针。如果您要求a[0] 或a[9999]，也会发生同样的情况。

基本上，所有 Python 对象都是通过引用而不是值来访问的，即使是像 2 这样的整数字面量也是如此。指针系统中只有一些技巧可以使这一切保持高效。并且指针的大小是已知的，因此它们可以方便地存储在 C 样式的数组中。

Answer 3

简答：Python 列表是数组。

长答案：计算机科学术语 list 通常表示单链表（用于函数式编程）或双向链表（用于过程式编程）。这些数据结构支持 O(1) 插入列表的头部（功能上）或不需要搜索的任何位置（程序上）。 Python“列表”没有这些特征。相反，它支持（摊销）O(1) 在列表末尾附加（如 C++ std::vector 或 Java ArrayList）。 Python 列表在 CS 术语中是真正可调整大小的数组。

以下评论 from the Python documentation 解释了 Python ``列表'' 的一些性能特征：

还可以将列表用作队列，其中添加的第一个元素是检索到的第一个元素（“先进先出”）；但是，列表对此目的无效。虽然从列表末尾追加和弹出很快，但从列表开头插入或弹出很慢（因为所有其他元素都必须移动一个）。