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关于python:带你了解Python-36以后字典为什么有序并且效率更高

python 搞代码 3年前 (2022-02-20) 35次浏览 已收录 0个评论

​哈喽~明天带你们理解python3.6当前字典为什么有序并且效率更高呢?​

在Python 3.5(含)以前,字典是不能保障程序的,键值对A先插入字典,键值对B后插入字典,然而当你打印字典的Keys列表时,你会发现B可能在A的后面。

然而从Python 3.6开始,字典是变成有程序的了。你先插入键值对A,后插入键值对B,那么当你打印Keys列表的时候,你就会发现B在A的前面。

不仅如此,从Python 3.6开始,上面的三种遍历操作,效率要高于Python 3.5之前:

python">for key in 字典

for value in 字典.values()

for key, value in 字典.items()

从Python 3.6开始,字典占用内存空间的大小,视字典外面键值对的个数,只有原来的30%~95%。

Python 3.6到底对字典做了什么优化呢?为了阐明这个问题,咱们须要先来说一说,在Python 3.5(含)之前,字典的底层原理。

当咱们初始化一个空字典的时候,CPython的底层会初始化一个二维数组,这个数组有8行,3列,如上面的示意图所示:

my_dict = {}

'''
此时的内存示意图
[[---, ---, ---],
[---, ---, ---],
[---, ---, ---],
[---, ---, ---],
[---, ---, ---],
[---, ---, ---],
[---, ---, ---],
[---, ---, ---]]
'''

当初,咱们往字典外面增加一个数据:

my_dict['name'] = 'kingname'

'''
此时的内存示意图
[[---, ---, ---],
[---, ---, ---],
[---, ---, ---],
[---, ---, ---],
[---, ---, ---],
[1278649844881305901, 指向name的指针, 指向kingname的指针],
[---, ---, ---],
[---, ---, ---]]
'''

这里解释一下,为什么增加了一个键值对当前,内存变成了这个样子:

首先咱们调用Python 的hash函数,计算name这个字符串在以后运行时的hash值:

>>> hash('name')
1278649844881305901

特地留神,我这里强调了『以后运行时』,这是因为,Python自带的这个hash函数,和咱们传统上认为的Hash函数是不一样的。Python自带的这个hash函数计算出来的值,只能保障在每一个运行时的时候不变,然而当你敞开Python再从新关上,那么它的值就可能会扭转,如下图所示:

 

假如在某一个运行时外面,hash(‘name’)的值为1278649844881305901。当初咱们要把这个数对8取余数:

>>> 1278649844881305901 % 8
5

余数为5,那么就把它放在刚刚初始化的二维数组中,下标为5的这一行。因为name和kingname是两个字符串,所以底层C语言会应用两个字符串变量寄存这两个值,而后失去他们对应的指针。于是,咱们这个二维数组下标为5的这一行,第一个值为name的hash值,第二个值为name这个字符串所在的内存的地址(指针就是内存地址),第三个值为kingname这个字符串所在的内存的地址。

当初,咱们再来插入两个键值对:

my_dict['age'] = 26
my_dict['salary'] = 999999

'''
此时的内存示意图
[[-4234469173262486640, 指向salary的指针, 指向999999的指针],
[1545085610920597121, 执行age的指针, 指向26的指针],
[---, ---, ---],
[---, ---, ---],
[---, ---, ---],
[1278649844881305901, 指向name的指针, 指向kingname的指针],
[---, ---, ---],
[---, ---, ---]]
'''

那么字典怎么读取数据呢?首先假如咱们要读取age对应的值。

此时,Python先计算在以后运行时上面,age对应的Hash值是多少:

>>> hash('age')
1545085610920597121

当初这个hash值对8取余数:

>>> 1545085610920597121 % 8
1

余数为1,那么二维数组外面,下标为1的这一行就是须要的键值对。间接返回这一行第三个指针对应的内存中的值,就是age对应的值26。

当你要循环遍历字典的Key的时候,Python底层会遍历这个二维数组,如果以后行有数据,那么就返回Key指针对应的内存外面的值。如果以后行没有数据,那么就跳过。所以总是会遍历整个二位数组的每一行。

每一行有三列,每一列占用8byte的内存空间,所以每一行会占用24byte的内存空间。

因为Hash值取余数当前,余数可大可小,所以字典的Key并不是依照插入的程序寄存的。

留神,这里我省略了与本文没有太大关系的两个点:
1.凋谢寻址,当两个不同的Key,通过Hash当前,再对8取余数,可能余数会雷同。此时Python为了不笼罩之前已有的值,就会应用凋谢寻址技术从新寻找一个新的地位寄存这个新的键值对。
2.当字典的键值对数量超过以后数组长度的2/3时,数组会进行扩容,8行变成16行,16行变成32行。长度变了当前,原来的余数地位也会发生变化,此时就须要挪动原来地位的数据,导致插入效率变低。

在Python 3.6当前,字典的底层数据结构产生了变动,当初当你初始化一个空的字典当前,它在底层是这样的:

my_dict = {}

'''
此时的内存示意图
indices = [None, None, None, None, None, None, None, None]

entries = []
'''

当你初始化一个字典当前,Python独自生成了一个长度为8的一维数组。而后又生成了一个空的二维数组。

当初,咱们往字典外面增加一个键值对:

my_dict['name'] = 'kingname'

'''
此时的内存示意图
indices = [None, 0, None, None, None, None, None, None]

entries = [[-5954193068542476671, 指向name的指针, 执行kingname的指针]]
'''

为什么内存会变成这个样子呢?咱们来一步一步地看:

在以后运行时,name这个字符串的hash值为-5954193068542476671,这个值对8取余数是1:

>>> hash('name')
-5954193068542476671
>>> hash('name') % 8
1

所以,咱们把indices这个一维数组外面,下标为1的地位批改为0。

这里的0是什么意思呢?0是二位数组entries的索引。当初entries外面只有一行,就是咱们刚刚增加的这个键值对的三个数据:name的hash值、指向name的指针和指向kinganme的指针。所以indices外面填写的数字0,就是刚刚咱们插入的这个键值对的数据在二位数组外面的行索引。

好,当初咱们再来插入两条数据:

my_dict['address'] = 'xxx'
my_dict['salary'] = 999999

'''
此时的内存示意图
indices = [1, 0, None, None, None, None, 2, None]

entries = [[-5954193068542476671, 指向name的指针, 执行kingname的指针],
          [9043074951938101872, 指向address的指针,指向xxx的指针],
          [7324055671294268046, 指向salary的指针, 指向999999的指针]
         ]
'''

当初如果我要读取数据怎么办呢?如果我要读取salary的值,那么首先计算salary的hash值,以及这个值对8的余数:

>>> hash('salary')
7324055671294268046
>>> hash('salary') % 8
6

那么我就去读indices下标为6的这个值。这个值为2.

而后再去读entries外面,下标为2的这一行的数据,也就是salary对应的数据了。

新的这种形式,当我要插入新的数据的时候,始终只是往entries的前面增加数据,这样就能保障插入的程序。当咱们要遍历字典的Keys和Values的时候,间接遍历entries即可,外面每一行都是有用的数据,不存在跳过的状况,缩小了遍历的个数。

老的形式,当二维数组有8行的时候,即便无效数据只有3行,但它占用的内存空间还是 8 24 = 192 byte。但应用新的形式,如果只有三行无效数据,那么entries也就只有3行,占用的空间为3 24 =72 byte,而indices因为只是一个一维的数组,只占用8 byte,所以一共占用 80 byte。内存占用只有原来的41%。


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