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03 | 列表和元组，到底用哪一个？

03 | 列表和元组，到底用哪一个？-极客时间

03 | 列表和元组，到底用哪一个？

2019-05-15 景霄 来自北京
《Python核心技术与实战》
课程介绍

讲述：冯永吉

时长07:23大小5.91M

你好，我是景霄。
前面的课程，我们讲解了 Python 语言的学习方法，并且带你了解了 Python 必知的常用工具——Jupyter。那么从这节课开始，我们将正式学习 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）。

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)
其次，我们必须掌握它们的区别。
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个元组
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]
这里我简单解释一下这几个函数的含义。
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，reversed() 返回一个倒转后的迭代器（上文例子使用 list() 函数再将其转换为列表）；sorted() 返回排好序的新列表。

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？

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。

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)

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。

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。
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提建议

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精选留言(232)

  • 和你一起搬砖的胡大爷
    2019-05-15
    老师能不能讲一下list和tuple的内部实现，里边是linked list 还是array，还是把array linked一下这种。 最后那个问题，类比java，new 是在heap，直接声明就可能在常量区了。老师能讲下Python的vm么，比如内存分配，gc算法之类的。

    作者回复: 1. list和tuple的内部实现都是array的形式，list因为可变，所以是一个over-allocate的array，tuple因为不可变，所以长度大小固定。具体可以参照源码list: https://github.com/python/cpython/blob/master/Objects/listobject.c. tuple: https://github.com/python/cpython/blob/master/Objects/tupleobject.c 2. 最后的思考题： 区别主要在于list()是一个function call，Python的function call会创建stack，并且进行一系列参数检查的操作，比较expensive，反观[]是一个内置的C函数，可以直接被调用，因此效率高。 内存分配，GC等等知识会在第二章进阶里面专门讲到。

    共 8 条评论
    219
  • Python高效编程
    2019-05-15
    元素不需要改变时: 两三个元素，使用 tuple，元素多一点使用namedtuple。 元素需要改变时: 需要高效随机读取，使用list。需要关键字高效查找，采用 dict。去重，使用 set。大型数据节省空间，使用标准库 array。大型数据高效操作，使用 numpy.array。
    共 3 条评论
    179
  • 看，有只猪
    2019-05-15
    []比list()更快，因为调用list函数有一定的开销，而[]却没有。 这个有点像C语言中的内联函数与函数的差异
    共 1 条评论
    144
  • 布霆
    2019-05-15
    老师请问一下，为什么l = [1, 2, 3]消耗的空间为64字节，而l.append(1), l.append(2), l.append(3)消耗的空间为72字节，这不是相同的列表吗？

    作者回复: 列表的over-allocate是在你加入了新元素之后解释器判断得出当前存储空间不够，给你分配额外的空间，因此 l=[], l.append(1), l.append(2), l.append(3)实际分配了4个元素的空间。但是l=[1, 2, 3]直接初始化列表，并没有增加元素的操作，因此只会分配3个元素的空间

    共 2 条评论
    80
  • adapt
    2019-05-15
    如果一个列表在元组中的话，其实这个元组是”可变”的，只是这个可变只是能改变该列表里的内容。 这一点作者没有讲到哦 。
    共 6 条评论
    63
  • converse✪
    2019-05-17
    针对可以随意嵌套进行总结： - 列表嵌套列表：本质是列表，内部列表和外部列表的内容可以进行修改元素，插入，删除元素。也就是二维数组。 - 列表嵌套元组：本质是列表，所以可以对列表中除元组外的其他元素可以修改插入、删除。但元组中的内容不可以改变。 - 元组嵌套列表：本质是元组，元组中的任何元素不能进行改变，但是对于元素本身是列表的情况，可以对列表中的值进行修改。这是因为：列表对象是不变的，只是的列表中的内容进行变化。列表本来就是动态的。 - 元组嵌套元组：本质元组，元组中的元素还是元组。所以这种情况下，不能进行任何改变。也就是不可变的二维数组。
    展开
    54
  • 对方正在输入中…
    2019-05-15
    python -m timeit 'empty_list = list()' 10000000 loops, best of 3: 0.0829 usec per loop python -m timeit 'empty_list = []' 10000000 loops, best of 3: 0.0218 usec per loop python -m timeit 'empty_list = ()' 100000000 loops, best of 3: 0.0126 usec per loop 测试结果，虽然直接创建元组初始化速度最快，但是由于要用list函数转一道反而不如直接创建列表的速度快。
    展开
    共 3 条评论
    33
  • converse✪
    2019-05-17
    空list在申请空间时候，是40字节。当加入新元素后会额外多分配空间变成72字节。当加入4个元素后还是72字节。那么问题来了，初始化申请的40字节是什么？感觉一直没有用到？不是用于存储元素的么？
    共 5 条评论
    25
  • Geek_59f23e
    2019-05-15
    1、用list()方法构造一个空列表使用的是class list([iterable])的类型构造器，参数可以是一个iterable，如果没有给出参数，构造器将创建一个空列表[ ]，相比较而言多了一步class调用和参数判断，所以用 [ ] 直接构造一个空列表的方法速度更快，刚查的官方解释，不知道我理解的对不对。。。 2、敲代码的时候我一般元祖用来传参用的比较多，能用元祖的地方尽量不用列表，这样代码性能好些。
    展开

    作者回复: 1. 区别主要在于list()是一个function call，Python的function call会创建stack，并且进行一系列参数检查的操作，比较expensive，反观[]是一个内置的C函数，可以直接被调用，因此效率高 2. 嗯嗯

    23
  • kevinsu
    2019-05-15
    可以这样比较吗？老师 import time time1 = time.clock() empty_list = list() time2 = time.clock() diff_time = time2 - time1 print (diff_time) import time time1 = time.clock() empty_list = [] time2 = time.clock() diff_time = time2 - time1 print (diff_time)
    展开

    作者回复: 这样可以，但是不是很准确，尤其对于简单并且运行速度很快的代码块，建议用timeit。 因为程序中还有很多因素会影响计算的时间，比如垃圾回收机制。使用timeit会自动关掉垃圾回收机制，让程序的运行更加独立，时间计算更加准确。

    共 3 条评论
    17
  • 小豹子
    2019-05-24
    看了很多留言，大部分都在讲的不对，两个时间都一样。我恰好windows，linux，jupyter都测试了下，windows和jupyter的确是时间一样，之后linux才是老师说的情况。
    12
  • 汤尼房
    2019-05-15
    景老师，一直在想一个tuple元组如何拥有大数据量的元素，比如千万个元素、上亿个元素。因为tuple是静态的，不能添加元素，于是今天实践将[i for i in xrange(1000000000)]给初始化成tuple，发现初始化的过程相当耗时间，之前也希望利用tuple的性能比list好的优点，想把含有大数据量的list给转换成tuple来处理，今天实践发现初始化过程非常耗时间，请问景老师，平时在工作过程中遇到的含有大数据量个元素的tuple是如何形成的呢？
    共 1 条评论
    11
  • 高权
    2019-05-23
    为什么我测试的元组和列表的初始化时间一样呢？
    共 2 条评论
    10
  • Jared
    2019-05-15
    老师真帅。
    9
  • Mr.Chen
    2019-10-10
    老师，“有序”应该怎么理解。

    作者回复: 内部的排列是有序的，比如你遍历一遍并打印，其顺序应该和你插入元素的顺序一样

    8
  • kevinsu
    2019-05-15
    import timeit print(timeit.timeit('list(x for x in range(1,1000))',number=10000)) print(timeit.timeit('[x for x in range(1,1000)]',number=10000)) 0.6829426919994148 0.36637431800045306 看着是[]更快些，😄
    展开
    共 2 条评论
    8
  • Geek_59f23e
    2019-05-15
    实测被打脸了😂函数构建和直接构建一个空列表或数组速度上并没有什么差别，有时前者快些，有时后者快些。。。 In [1]: timeit 'lst1 = []' 9.86 ns ± 0.721 ns per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 100000000 loops each) In [2]: timeit 'lst2 = list()' 9.82 ns ± 0.43 ns per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 100000000 loops each) In [3]: timeit 'tup1 = (,)' 9.59 ns ± 0.294 ns per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 100000000 loops each) In [4]: timeit 'tup2 = tuple()' 9.75 ns ± 0.464 ns per loop (mean ± std. dev. of 7 runs, 100000000 loops each)
    展开

    作者回复: 你的命令有些奇怪。在程序里也应该是timeit(...)，试过用文中的命令测试的结果吗？ 另外你python的版本和运行环境的截图能贴一下吗？

    共 3 条评论
    8
  • 刘朋
    2019-05-15
    import timeit timeit.timeit('a=list()',number=10000) 返回 0.0006914390251040459 timeit.timeit('a=[]',number=10000) 返回 0.00018375739455223083 timeit.timeit('a=()',number=10000) 返回 0.00010870955884456635
    共 1 条评论
    7
  • 播州新府
    2019-08-28
    []比list()更快，因为调用list函数有一定的开销，而[]却没有。 这个有点像C语言中的内联函数与函数的差异(from 看 有只猪)
    6
  • 安亚明
    2019-05-15
    老师，PYTHON学校为何要从元组和列表开始。

    作者回复: 因为这是最基本的数据结构啊，学语言肯定得先了解数据结构啊

    6