简单的操作

掌握了列表的创建以及访问，我们接下来去了解下更重要的一点，“列表的增删改”。

在绝大多数情况下，你创建的列表是动态的。这就意味着你的列表创建之后，会随着程序的运行增删元素。比如，你创建了家庭的年龄列表，随着时间的推移，对应成员的年龄元素会递增，再或者家里娶了媳妇那么这个列表是不是就应该增加一个呢？

0x00、添加元素

在实际的代码中，我们有两种添加元素的情况：

一种是在列表尾部添加，另一种是在列表中插入元素。

在列表尾部添加元素，我们可以用到 append() 这个方法：

>>> friends=['Mark','Alison','Kobe']
>>> print(friends)
['Mark', 'Alison', 'Kobe']
>>> friends.append('Jordan')
>>> print(friends)
['Mark', 'Alison', 'Kobe', 'Jordan']
>>>

方法 append（）将元素 'Jordan' 添加到了列表尾部，而不影响列表中的其他所有元素。

在实际开发中，我们可以先创建一个空列表，再结合使用一系列的 append() 语句添加元素:

>>> friends=[]
>>> friends.append('Mark')
>>> friends.append('Alison')
>>> friends.append('Kobe')
>>> print(friends)
['Mark', 'Alison', 'Kobe']
>>>

这种创建列表的方式在代码中极其常见，因为经常要程序运行后，你才知道用户要在程序中存储哪些数据。所以为控制用户，你可以先创建一个空列表，然后将用户提供的数据 append 到空列表中。

在列表中插入元素，在 Python 中有个 insert 方法来实现这种情况。你可以指定新元素的索引和值：

>>> friend=['Mark','Alison']
>>> friend.insert(1,'Kobe')
>>> print(friend)
['Mark', 'Kobe', 'Alison']
>>>

0x01、修改列表元素

其实修改列表的元素和访问列表元素的语法类似。修改元素只需要指定列表名和元素的索引即可：

>>> friends=['Mark','Alison']
>>> friends[0]='xiyouMc'
>>> print(friends)
['xiyouMc', 'Alison']
>>>

这样，我们就修改了索引为 0 的值。当然，你可以修改任何元素。

0x02、从列表中删除元素

要删除列表中的元素，大概有两种方式：

一种是使用 del 语句，另一种是 pop 方法。

若要有 del 语句删除列表元素，首先你需要知道准备删除元素的索引值：

>>> friends=['Mark','Alison','Kobe']
>>> del friends[2]
>>> print(friends)
['Mark', 'Alison']
>>>

像这样，我们使用 del 语句就删除了索引为 2 的元素 'Kobe'。

pop ，这个方法支持两种删除方式。在数据结构上来讲 Python 的列表，那么就可以将其理解为栈，通过 pop 也就是弹出，我们可以将栈顶或者尾部元素弹出列表中：

>>> friends=['Mark','Alison','Kobe']
>>> friends.pop()
'Kobe'
>>> print(friends)
['Mark', 'Alison']
>>>

可以看到，我们在 pop 的时候会拿到尾部的元素。所以你可以猜到 pop 函数其实就是从列表中拿出尾部的元素来使用，当然它会将尾部的元素也删除掉。

pop 的另一种方式有点类似于 del 语句，它也是首先需要指定要删除的元素索引：

>>> friends=['Mark','Alison','Kobe']
>>> friends.pop(0)
'Mark'
>>> print(friends)
['Alison', 'Kobe']
>>>

这段代码我们就将列表中索引为 0 的元素 pop 了出来，并将其从列表中删除掉。

综上两种删除方式，在实际代码中，如果你无法确定使用哪种方式来删除，可以参考这个标准：如果你要从列表中删除一个元素，并且不再以任何方式使用它，那么就用 del 语句；如果你要在删除元素后还能继续使用它，那么就使用 pop 方法。

至此列表的概念和使用都已经讲完了，接下来让我们更加深入的去理解列表的内部实现。

这里多说句我个人学习新技术、新语言的态度，学习一门新的语言多数情况下我们都会去学习它怎么使用。但若你想使用的更好，那么一定要深入到它的内部实现原理，掌握了它的原理才能更好使用这门语言。

列表的内部实现

说到 Python 列表的内部实现，其实也就是 CPython 对列表的实现。既然要说 CPython，那么肯定就是 C 相关的。

0x00、数据结构

在 CPython 中，其实列表对象是一个 C 语言中的数据结构。没有 C 基础的读者，我可以简单做个介绍，在 C 程序中数据的传递都是有一定结构的，有了这个结构那么我们就可以在代码中更好的处理数据。所以，这也就叫做数据结构。

那么 Python 列表的数据结构是怎么样的？

typedef struct {
 PyObject_VAR_HEAD
 PyObject **ob_item;
 Py_ssize_t allocated;
} PyListObject;

其中可以看到 ob_item，这是指向列表元素的指针数组，allocated 是指申请的内存的槽的个数。

简单的说下就是列表对象在 C 程序中的数据结构：有一个指针数组用来保存列表元素的指针，和一个可以在列表中放多少元素的标记。

0x01、列表初始化

上面有提过，列表的初始化可以直接指定参数，也可以初始化一个空列表，a = []

那么 CPython 是怎么实现这个初始化动作的，来看看：

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

可以看到，先分配一个对象的内存块，同时将这个内存块的大小置零。再给这个对象分配一个内存槽的大小。

这里说下，上面说到在列表的数据结构中有个内存的槽的个数。这个个数并不是当前列表就有这么多的元素。列表元素的个数和 len(列表)是一样，就是真正的元素的个数。但分配的槽的大小，会比元素个数大一点，目的就是为了防止在每次添加元素的时候都去调用分配内存的函数。那么接下来看看 Append 函数。

0x02、Append 函数

再次回顾下 Append 函数，它是一个可以在列表中添加元素的函数。

>>> friends=[]
>>> friends.append('Mark')
>>> friends.append('Alison')
>>> print(friends)
['Mark', 'Alison']
>>>

那么这个 Append 函数在 CPython 中又是怎么实现的呢？

其实在 CPython 底层有一个函数 app1 ，就是提供给列表做 Append 操作的。比如我们给一个列表添加一个整数：l.append(1)

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

它会先拿到当前列表的大小，同时调用 list_resize() 重新设置一个新的 size。那么 list_resize() 函数是什么？

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

可以看到它会多申请一些内存，这样也就避免了多次调用该函数。总的槽大小也就是4，同时第一个位置的数据就是 1。来看看下面这张我手绘的图：

可以看到，L[0] 就是我们新添加的元素，同时多分配出来的内存用虚线表示，它代表已经分配但是未使用的内存。

接下来，我们继续 append(2)，调用 list_resize 函数，参数为 n + 1 = 2，但因为已经申请了四个空间，所以不需要再次申请内存。同样的 append(3) 和 append(4) 是一样的。

0x03、Insert 函数

基于上面的例子，我们在这个列表的索引为 1 的位置插入一个新的元素。这时候 CPython 会调用 ins1() 这个函数：

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

虚线的方框依旧是申请未使用的槽空间。现在可以看到已经有了 8 个槽空间，但是列表的大小却是 5。

0x04、Pop 操作

在 Python 的列表中，Pop 函数就是取出列表的最后一个元素，在 CPython 对应的函数是 listpop() 函数。

在这个函数还是会调用到 list_resize 函数，如果取出列表元素后的列表大小小于分配的槽空间数的一半，那么将会缩减列表的大小。

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

可以看到调用 pop 函数之后，虽然索引为 4 的位置已经被取出了，但是在列表中 4 的索引仍然指向原来的整数对象，只不过列表的大小变成了 4。

接下来我们再调用 pop 函数：

由于再次 pop 之后，元素的个数小于了槽空间的一半，所以CPython 将这个列表的槽空间缩减到了 6 。同时你依然可以看到原索引还是指向原数据内存。这也就是说用 pop 的话，你的程序里面就可以持续使用这个数据。

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