14 答疑（一）：列表和元组的内部实现是怎样的？
你好，我是景霄。
转眼间，专栏上线已经一个月了，而我们也在不知不觉中完成了第一大章基础篇的学习。我非常高兴看到很多同学一直在坚持积极地学习，并且留下了很多高质量的留言，值得我们互相思考交流。也有一些同学反复推敲，指出了文章中一些表达不严谨或是不当的地方，我也表示十分感谢。
大部分留言，我都在相对应的文章中回复过了。而一些手机上不方便回复，或是很有价值很典型的问题，我专门摘录了出来，作为今天的答疑内容，集中回复。
问题一：列表和元组的内部实现
第一个问题，是胡峣同学提出的，有关列表（list）和元组（tuple）的内部实现，想知道里边是linked list 或array，还是把array linked一下这样的方式？
关于这个问题，我们可以分别从源码来看。
先来看 Python 3.7 的list源码。你可以先自己阅读下面两个链接里的内容。
listobject.h：https://github.com/python/cpython/blob/949fe976d5c62ae63ed505ecf729f815d0baccfc/Include/listobject.h#L23
listobject.c: https://github.com/python/cpython/blob/3d75bd15ac82575967db367c517d7e6e703a6de3/Objects/listobject.c#L33
我把 list的具体结构放在了下面：
可以看到，list本质上是一个over-allocate的array。其中，ob_item是一个指针列表，里面的每一个指针都指向列表的元素。而 allocated则存储了这个列表已经被分配的空间大小。
需要注意的是，allocated 与列表实际空间大小的区别。列表实际空间大小，是指len(list)返回的结果，即上述代码注释中的ob_size，表示这个列表总共存储了多少个元素。实际情况下，为了优化存储结构，避免每次增加元素都要重新分配内存，列表预分配的空间allocated往往会大于ob_size（详见正文中的例子）。
所以，它们的关系为：allocated >= len(list) = ob_size。
如果当前列表分配的空间已满（即allocated == len(list)），则会向系统请求更大的内存空间，并把原来的元素全部拷贝过去。列表每次分配空间的大小，遵循下面的模式：
我们再来分析元组。下面是Python 3.7 的tuple源码，同样的，你可以先自己阅读一下。
tupleobject.h： https://github.com/python/cpython/blob/3d75bd15ac82575967db367c517d7e6e703a6de3/Include/tupleobject.h#L25
tupleobject.c：https://github.com/python/cpython/blob/3d75bd15ac82575967db367c517d7e6e703a6de3/Objects/tupleobject.c#L16
同样的，下面为tuple的具体结构：
你可以看到，它和list相似，本质也是一个array，但是空间大小固定。不同于一般array，Python的tuple做了许多优化，来提升在程序中的效率。
举个例子，当tuple的大小不超过20时，Python就会把它缓存在内部的一个free list中。这样，如果你以后需要再去创建同样的tuple，Python就可以直接从缓存中载入，提高了程序运行效率。
问题二：为什么在旧哈希表中，元素会越来越稀疏？
第二个问题，是Hoo同学提出的，为什么在旧哈希表中，元素会越来越稀疏？
我们可以先来看旧哈希表的示意图：
--+-------------------------------+
| 哈希值 (hash) 键 (key) 值 (value)
--+-------------------------------+
0 | hash0 key0 value0
--+-------------------------------+
1 | hash1 key1 value1
--+-------------------------------+
2 | hash2 key2 value2
--+-------------------------------+
. | ...
__+_______________________________+
你会发现，它是一个over-allocate的array，根据元素键（key）的哈希值，来计算其应该被插入位置的索引。
因此，假设我有下面这样一个字典：
那么这个字典便会存储为类似下面的形式：
entries = [
['--', '--', '--']
[-230273521, 'dob', '1999-01-01'],
['--', '--', '--'],
['--', '--', '--'],
[1231236123, 'name', 'mike'],
['--', '--', '--'],
[9371539127, 'gender', 'male']
]
这里的’---‘，表示这个位置没有元素，但是已经分配了内存。
我们知道，当哈希表剩余空间小于1/3时，为了保证相关操作的高效性并避免哈希冲突，就会重新分配更大的内存。所以，当哈希表中的元素越来越多时，分配了内存但里面没有元素的位置，也会变得越来越多。这样一来，哈希表便会越来越稀疏。
而新哈希表的结构，改变了这一点，也大大提高了空间的利用率。新哈希表的结构如下所示：
Indices
----------------------------------------------------
None | index | None | None | index | None | index ...
----------------------------------------------------
Entries
--------------------
hash0 key0 value0
---------------------
hash1 key1 value1
---------------------
hash2 key2 value2
---------------------
...
---------------------
你可以看到，它把存储结构分成了Indices和Entries这两个array，而’None‘代表这个位置分配了内存但没有元素。
我们同样还用上面这个例子，它在新哈希表中的存储模式，就会变为下面这样：
indices = [None, 1, None, None, 0, None, 2]
entries = [
[1231236123, 'name', 'mike'],
[-230273521, 'dob', '1999-01-01'],
[9371539127, 'gender', 'male']
]
其中，Indices中元素的值，对应entries中相应的索引。比如indices中的1，就对应着entries[1]，即’'dob': '1999-01-01'‘。
对比之下，我们会清晰感受到，新哈希表中的空间利用率，相比于旧哈希表有大大的提升。
问题三：有关异常的困扰
第三个问题，是“不瘦到140不改名”同学提出的，对“NameError”异常的困惑。这是很常见的一个错误，我在这里也解释一下。
这个问题其实有点tricky，如果你查阅官方文档，会看到这么一句话”When an exception has been assigned using as target, it is cleared at the end of the except clause. ”
这句话意思是，如果你在异常处理的except block中，把异常赋予了一个变量，那么这个变量会在except block执行结束时被删除，相当于下面这样的表示：
这里的e一开始指向整数1，但是在except block结束时被删除了（del e），所以程序执行就会抛出“NameError”的异常。
因此，这里提醒我们，在平时写代码时，一定要保证except中异常赋予的变量，在之后的语句中不再被用到。
问题四：关于多态和全局变量的修改
最后的问题来自于farFlight同学，他提了两个问题：
- Python自己判断类型的多态和子类继承的多态Polymorphism是否相同？
- 函数内部不能直接用+=等修改全局变量，但是对于list全局变量，却可以使用append、extend之类修改，这是为什么呢?
我们分别来看这两个问题。对于第一个问题，要搞清楚多态的概念，多态是指有多种不同的形式。因此，判断类型的多态和子类继承的多态，在本质上都是一样的，只不过你可以把它们理解为多态的两种不同表现。
再来看第二个问题。当全局变量指向的对象不可变时，比如是整型、字符串等等，如果你尝试在函数内部改变它的值，却不加关键字global，就会抛出异常：
x = 1
def func():
x += 1
func()
x
## 输出
UnboundLocalError: local variable 'x' referenced before assignment
这是因为，程序默认函数内部的x是局部变量，而你没有为其赋值就直接引用，显然是不可行。
不过，如果全局变量指向的对象是可变的，比如是列表、字典等等，你就可以在函数内部修改它了：
当然，需要注意的是，这里的x.append(2)，并没有改变变量x，x依然指向原来的列表。事实上，这句话的意思是，访问x指向的列表，并在这个列表的末尾增加2。
今天主要回答这些问题，同时也欢迎你继续在留言区写下疑问和感想，我会持续不断地解答。希望每一次的留言和答疑，都能给你带来新的收获和价值。
- 夜路破晓 👍（76） 💬（5）
个人认知：感觉会看源码的人都很牛！我也想成人牛人，那么问题来了： 如何学习看源码？
2019-06-10 - 阿卡牛 👍（18） 💬（2）
over-allocate是什么意思
2019-06-10 - SCAR 👍（65） 💬（8）
对于问题四的2而言，是因为python是动态语言，不要求声明变量，但是约定在函数体中赋值的变量是局部变量，所以需要理解的是“赋值”这个动作，不管是常规的完整赋值或是增强赋值，只有函数体内初次出现赋值就认为定义了局部变量。这样你就很好理解了，老师的例子中x+=1，出现了赋值，那么这个x就是局部变量了，而x+=1这个增强赋值的第二步会去找函数体内x的引用，于是就出现了找不到的错误。如果把x+=1改成print(x),则是打印出1，因为函数体没出现赋值，那么这个x是最上面赋值的x，它是全局的。
2019-06-10 - yshan 👍（10） 💬（0）
重新查了下理解了下多态：多态就是多种形态。 有了继承，才有多态了。 继承了就具有父类的方法，然后子类就能够覆写父类方法，子类就能够调用该方法实现自己的需求。
2019-06-10 - 小侠龙旋风 👍（9） 💬（0）
1.细看了over-allocated分配空间大小的增长规律，4 4 8 9 10 11 12...不知道这样设计的缘由。 2."当tuple的大小不超过20时，Python会把它缓存在内部的一个free list中。"这句话突然让我想起了小整数池。 小整数池的概念：Python提前建立好范围在[-5, 256]的整数对象，且不会被垃圾回收。无论这个整数处于LEGB中的哪个位置，所有位于这个范围内的整数使用的都是同一个对象。 主要目的是为了避免频繁申请和销毁小整数的内存空间，提高程序的运行效率。 3.说一下我所理解的新哈希表的设计思想： indice下标，entry入口。用下标去寻找对应元素。 维护一个数据量较小的结构，去访问一个数据量较大的结构。 同理，也被运用于函数： 函数的本质是在堆Heap中放置的对象； 函数名的本质是放在栈Stack中的地址，指向堆中放置的对象。 以上，思维比较发散，说得不对还望指出。
2019-06-13 - 18646333118 👍（5） 💬（0）
辛苦老师，希望能用更通俗的语言或者例子来帮助我们这帮菜鸟理解哈哈，有的时候感觉老师明白，但是编辑成文字总是差一点 哈
2019-06-11 - xavier 👍（3） 💬（0）
对于我这种野生程序员来说，收获颇多。每一篇都是从基础开始，然后循序渐进。感谢老师！
2019-07-11 - Geek_d848f7 👍（3） 💬（0）
老师，原谅我还是不太理解这2点吧 1. 列表分配大小时，遵循下面模式：0、4、8…，我看源代码的确这样，但是怎么算都对不上，求指导； 2. 哈希的存储怎么知道是如图形式呢？尤其是无元素位置，这个位置为啥要分配呢？
2019-06-10 - 隰有荷 👍（2） 💬（2）
不太明白为什么新哈希表的结构是 Indices None | index | None | None | index | None | Entries 这种形式? None和index的排列有什么规则吗？为什么会有None?
2019-08-23 - 瞳梦 👍（2） 💬（0）
list的append()并不是一个赋值操作，不会去定义新的变量。而是会根据LEGB规则去寻找list这个变量。
2019-07-08 - me 👍（1） 💬（0）
x = 1 def func(): x += 1 func() 报错,分析原因: (从两个角度分析) 1> 从右往左 先要明白赋值操作的一个概念, 被赋值=被引用； 再来看函数体内的 x += 1, 本质上就是x = x + 1 (扩展一下,若x是列表 x+=[1] 等同于 x.extend() 原地改变, 但放在此处依旧会报错, 报错原因于 x+=1同理) 继续分析, x = x + 1，右边的x变量在函数体里没有找到(在函数体里没有定义此变量),就去全局作用域里找, 找到啦, 右边的值最终为2.. 重点来了, 记住python在作用域里对变量的赋值操作规则, 在函数体内,若对某一变量未定义,对其赋值视为在函数体里定义了该变量; 在函数体内,若对某一变量已经定义,对其赋值视为修改该变量的值; 这里左边的x变量在函数体里未定义,那么按照规则会定义一个局部变量x,但右边的x是全局变量... 冲突了. 2> 从左往右 根据报错的角度分析 是因为函数体里无x变量,赋值操作是定义该x变量,而赋值语句中又有还没有定义好的x变量)
2022-09-13 - catshitfive 👍（1） 💬（0）
有几个地方不是很懂请老师能否说明一下： (1)python中的list数据结构本质上是array,但是list多用来进行增删改的操作，岂不是没有链表结构时间复杂度低？还是说有什么优化？(2)list中存储的是指针(存储每个不可变元素对象的地址)，我用id()查看了每个指针内存储的地址，发现是连续的，但是地址都相差32，如何理解32个这个数字，是32bytes? list除了存储的是指针，那么它的空间内还存储了指针指向的那些元素吗？(3)指针本身是一块内存，那么指针对应自己本身的地址如何知晓？
2019-06-11 - KaitoShy 👍（1） 💬（0）
怎么得上面的存储方式的？和hash存储有关么？还是python实现的造成的？
2019-06-10 - 程序员人生 👍（1） 💬（0）
想问一下Mr King，问题3我在pycharm中执行了一下没报错啊？
2019-06-10 - Geek_145846 👍（0） 💬（0）
想学学Python 没想到还要重新拾起 C ++，学海无涯苦作舟的感觉 哭
2022-04-25