关于python:带你了解Python-36以后字典为什么有序并且效率更高

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​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%。

正文完
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