Python list 实现原理
我们通过本文描述CPython实现 list 列表对象，Cpython是python最常用的实现。
在Python中List 功能非常强大，同时，它的实现方式也是非常有趣。
接下来，通过一个简单的python脚本演示，list中追加 integer 数据，并将它结果打印出来。
>>> l = []
>>> l.append(1)
>>> l.append(2)
>>> l.append(3)
>>> l
[1, 2, 3]
>>> for e in l:
... print e
...
1
2
3
正如你看到的样子，列表list是可迭代的（iterable）
List 数据结构
在CPython中列表List是通过C语言的结构体（structure）来表示。
ob_item是指向列表元素的指针列表。
allocated是在内存中分配的插槽数
typedef struct {
PyObject_VAR_HEAD
PyObject **ob_item;
Py_ssize_t allocated;
} PyListObject;
List 初始化过程
当一个空数组初始化时，发生了什么
arguments: size of the list = 0
returns: list object = []
PyListNew:
nbytes = size * size of global Python object = 0
allocate new list object
allocate list of pointers (ob_item) of size nbytes = 0
clear ob_item
set list's allocated var to 0 = 0 slots
return list object
重要的是要注意分配的插槽和列表大小之间的差异。 列表的大小与len（l）相同。 分配的插槽数是已在内存中分配的数量。 通常，您会看到分配的大小可能大于size。 这是为了避免每次将新元素添加到列表时都需要调用realloc。 稍后我们将详细介绍。
Append
当我们建一个integer追加到list中，l.append(1)，将会发生什么？ 一个C内部方法 app1() 会被调用。
arguments: list object, new element
returns: 0 if OK, -1 if not
app1:
n = size of list
call list_resize() to resize the list to size n+1 = 0 + 1 = 1
list[n] = list[0] = new element
return 0
观察下 list_resize()，它过度分配了内存以避免调用list_resize太多时间。 列表的增长方式为：0、4、8、16、25、35、46、58、72、88，...
arguments: list object, new size
returns: 0 if OK, -1 if not
list_resize:
new_allocated = (newsize >> 3) + (newsize < 9 ? 3 : 6) = 3
new_allocated += newsize = 3 + 1 = 4
resize ob_item (list of pointers) to size new_allocated
return 0
现在分配了4个slot来包含元素，第一个slot是整数1。您可以在下图中看到l [0]指向我们刚刚附加的整数对象。 虚线正方形表示已分配但尚未使用的插槽。
Appand 操作的时间复杂度 O(1)
image
我们继续添加一个元素：l.append（2）。 使用n + 1 = 2调用list_resize，但是由于分配的大小为4，因此无需分配更多的内存。 当我们再添加2个整数时，也会发生同样的事情：l.append（3），l.append（4）。 下图显示了到目前为止的内容。
image
Insert
让我们在位置1处插入一个新的整数（5）：l.insert（1,5），看看内部发生了什么。 函数ins1() 被调用
arguments: list object, where, new element
returns: 0 if OK, -1 if not
ins1:
resize list to size n+1 = 5 -> 4 more slots will be allocated
starting at the last element up to the offset where, right shift each element
set new element at offset where
return 0
image
虚线正方形表示已分配但尚未使用的插槽。 在这里，分配了8个插槽，但列表的大小或长度仅为5。
Insert 操作的复杂度为O(n)
Pop
当您弹出最后一个元素：l.pop（）时，将调用listpop()。 在listpop()内部调用list_resize，如果新大小小于分配大小的一半，则列表将缩小。
arguments: list object
returns: element popped
listpop:
if list empty:
return null
resize list with size 5 - 1 = 4. 4 is not less than 8/2 so no shrinkage
set list object size to 4
return last element
Pop 操作的复杂度为 O(1).
image
您可以看到插槽4仍指向整数，但重要的是列表的大小现在为4。
让我们再弹出一个元素。 在list_resize()中，size – 1 = 4 – 1 = 3小于分配的插槽的一半，因此列表缩小为6个插槽，并且列表的新大小现在为3。
您可以观察到插槽3和4仍指向一些整数，但重要的是列表的大小现在为3。
image
Remove
Python列表对象具有删除特定元素的方法：l.remove（5）。底层函数 listremove() 被调用。
arguments: list object, element to remove
returns none if OK, null if not
listremove:
loop through each list element:
if correct element:
slice list between element's slot and element's slot + 1
return none
return null
要切片列表并删除元素，将调用list_ass_slice()，很有趣的是它如何工作。 在这里，低偏移量是1，高偏移量是2，因为我们要删除位置1处的元素5。
arguments: list object, low offset, high offset
returns: 0 if OK
list_ass_slice:
copy integer 5 to recycle list to dereference it
shift elements from slot 2 to slot 1
resize list to 5 slots
return 0
Remove操作的复杂度为O(n).
image
