Python帶你從淺入深探究Tuple(基礎篇)

Posted on by

元組

Python中的元組容器序列（tuple）與列表容器序列（list）具有極大的相似之處，因此也常被稱為不可變的列表。

但是兩者之間也有很多的差距，元組側重於數據的展示，而列表側重於數據的存儲與操作。

它們非常相似，雖然都可以存儲任意類型的數據，但是一個元組定義好之後就不能夠再進行修改。

元組特性

元組的特點：

  • 元組屬於容器序列
  • 元組屬於不可變類型
  • 元組底層由順序存儲組成，而順序存儲是線性結構的一種

基本聲明

以下是使用類實例化的形式進行對象聲明：

tup = tuple((1, 2, 3, 4, 5))
print("值:%r,類型：%r" % (tup, type(tup)))

# 值:(1, 2, 3, 4, 5),類型：<class 'tuple'>

也可以選擇使用更方便的字面量形式進行對象聲明，使用逗號對數據項之間進行分割：

tup = 1, 2, 3, 4, 5
print("值:%r,類型：%r" % (tup, type(tup)))

# 值:(1, 2, 3, 4, 5),類型：<class 'tuple'>

為瞭美觀，我們一般會在兩側加上()，但是要確定一點，元組定義是逗號分隔的數據項，而並非是()包裹的數據項：

tup = (1, 2, 3, 4, 5)
print("值:%r,類型：%r" % (tup, type(tup)))

# 值:(1, 2, 3, 4, 5),類型：<class 'tuple'>

多維元組

當一個元組中嵌套另一個元組，該元組就可以稱為多維元組。

如下，定義一個2維元組：

tup = (1, 2, 3, 4, 5)
print("值:%r,類型：%r" % (tup, type(tup)))

# 值:(1, 2, 3, 4, 5),類型：<class 'tuple'>

續行操作

在Python中，元組中的數據項如果過多，可能會導致整個元組太長，太長的元組是不符合PEP8規范的。

每行最大的字符數不可超過79，文檔字符或者註釋每行不可超過72

Python雖然提供瞭續行符\，但是在元組中可以忽略續行符，如下所示：

tup = (1, 2, ("三", "四"))
print("值:%r,類型：%r" % (tup, type(tup)))

# 值:(1, 2, ('三', '四')),類型：<class 'tuple'>

類型轉換

元組支持與佈爾型、字符串、列表、以及集合類型進行類型轉換：

tup = (1, 2, 3)
bTup = bool(tup)    # 佈爾類型
strTup = str(tup)   # 字符串類型
liTup = list(tup)   # 列表類型
setTup = set(tup)   # 集合類型

print("值:%r,類型：%r" % (bTup, type(bTup)))
print("值:%r,類型：%r" % (strTup, type(strTup)))
print("值:%r,類型：%r" % (liTup, type(liTup)))
print("值:%r,類型：%r" % (setTup, type(setTup)))

# 值:True,類型：<class 'bool'>
# 值:'(1, 2, 3)',類型：<class 'str'>
# 值:[1, 2, 3],類型：<class 'list'>
# 值:{1, 2, 3},類型：<class 'set'>

如果一個2維元組遵循一定的規律，那麼也可以將其轉換為字典類型：

tup = (("k1", "v1"), ("k2", "v2"), ("k3", "v3"))
dictTuple = dict(tup)

print("值:%r,類型：%r" % (dictTuple, type(dictTuple)))

# 值:{'k1': 'v1', 'k2': 'v2', 'k3': 'v3'},類型：<class 'dict'>

索引操作

元組的索引操作僅支持獲取數據項。

其他的任意索引操作均不被支持。

使用方法參照列表的索引切片一節。

絕對引用

元組擁有絕對引用的特性，無論是深拷貝還是淺拷貝，都不會獲得其副本，而是直接對源對象進行引用。

但是列表沒有絕對引用的特性，代碼驗證如下：

>>> import copy
>>> # 列表的深淺拷貝均創建新列表...
>>> oldLi = [1, 2, 3]
>>> id(oldLi)
4542649096
>>> li1 = copy.copy(oldLi)
>>> id(li1)
4542648840
>>> li2 = copy.deepcopy(oldLi)
>>> id(li2)
4542651208
>>> # 元組的深淺拷貝始終引用老元組
>>> oldTup = (1, 2, 3)
>>> id(oldTup)
4542652920
>>> tup1 = copy.copy(oldTup)
>>> id(tup1)
4542652920
>>> tup2 = copy.deepcopy(oldTup)
>>> id(tup2)
4542652920

Python為何要這樣設計？其實仔細想想不難發現，元組不能對其進行操作，僅能獲取數據項。

那麼也就沒有生成多個副本提供給開發人員操作的必要瞭，因為你修改不瞭元組，索性直接使用絕對引用策略。

值得註意的一點：[:]也是淺拷貝，故對元組來說屬於絕對引用范疇。

元組的陷阱

Leonardo Rochael在2013年的Python巴西會議提出瞭一個非常具有思考意義的問題。

我們先來看一下：

>>> t = (1, 2, [30, 40])
>>> t[-1] += [50, 60]
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: 'tuple' object does not support item assignment

現在，t到底會發生下面4種情況中的哪一種？

  1. t 變成 (1, 2, [30, 40, 50, 60])。
  2. 因為 tuple 不支持對它的數據項賦值，所以會拋出 TypeError 異常。
  3. 以上兩個都不是。a 和 b 都是對的。

正確答案是4，t確實會變成 (1, 2, [30, 40, 50, 60])，但同時元組是不可變類型故會引發TypeError異常的出現。

>>> t
(1, 2, [30, 40, 50, 60])

如果是使用extend()對t[-1]的列表進行數據項的增加，則答案會變成1。

我當初在看瞭這個問題後，暗自告訴自己瞭2件事情：

  • list的數據項增加盡量不要使用+=，而應該使用append()或者extend()

Ps：我也不知道自己為什麼會產生這樣的想法，但這個想法確實伴隨我很長時間，直至現在

  • tuple中不要存放可變類型的數據，如list、set、dict等..

元組更多的作用是展示數據，而不是操作數據。

舉個例子，當用戶根據某個操作獲取到瞭眾多數據項之後，你可以將這些數據項做出元組並返回。

用戶對被返回的原對象隻能看，不能修改，若想修改則必須創建新其他類型對象。

解構方法

元組的解構方法與列表使用相同。

使用方法參照列表的解構方法一節。

常用方法

方法一覽

常用的list方法一覽表：

方法名 返回值 描述
count() integer 返回數據項在T中出現的次數
index() integer 返回第一個數據項在T中出現位置的索引，若值不存在，則拋出ValueError

基礎公用函數：

函數名 返回值 描述
len() integer 返回容器中的項目數
enumerate() iterator for index, value of iterable 返回一個可迭代對象，其中以小元組的形式包裹數據項與正向索引的對應關系
reversed() … 詳情參見函數章節
sorted() … 詳情參見函數章節

獲取長度

使用len()方法來獲取元組的長度。

返回int類型的值。

tup = ("A", "B", "C", "D", "E", "F", "G")

print(len(tup))

# 7

Python在對內置的數據類型使用len()方法時，實際上是會直接的從PyVarObject結構體中獲取ob_size屬性，這是一種非常高效的策略。

PyVarObject是表示內存中長度可變的內置對象的C語言結構體。

直接讀取這個值比調用一個方法要快很多。

統計次數

使用count()方法統計數據項在該元組中出現的次數。

返回int：

tup = ("A", "B", "C", "D", "E", "F", "G", "A")

aInTupCount = tup.count("A")

print(aInTupCount)

# 2

查找位置

使用index()方法找到數據項在當前元組中首次出現的位置索引值，如數據項不存在則拋出異常。

返回int。

tup = ("A", "B", "C", "D", "E", "F", "G", "A")

aInTupIndex = tup.index("A")

print(aInTupIndex)

# 0

底層探究

內存開辟

Python內部實現中，列表和元組還是有一定的差別的。

元組在創建對象申請內存的時候，內存空間大小便進行瞭固定，後續不可更改（如果是傳入瞭一個可迭代對象，例如tupe(range(100))，這種情況會進行擴容與縮容，下面的章節將進行探討研究）。

而列表在創建對象申請內存的時候，內存空間大小不是固定的，如果後續對其新增或刪除數據項，列表會進行擴容或者縮容機制。

元組創建

空元組

若創建一個空元組，會直接進行創建，然後將這個空元組丟到緩存free_list中。

元組的free_list最多能緩存 20 * 2000 個元組，這個在下面會進行講解。

如圖所示：

元組轉元組

這樣的代碼會進行元組轉元組：

tup = tuple((1, 2, 3))

首先內部本身就是一個元組（1， 2， 3），所以會直接將內部的這個元組拿出來並返回引用，並不會再次創建。

代碼驗證：

>>> oldTup = (1, 2, 3)
>>> id(oldTup)
4384908128
>>> newTup = tuple(oldTup)
>>> id(newTup)
4384908128
>>>

列表轉元組

列表轉元組會將列表中的每一個數據項都拿出來，然後放入至元組中：

tup = tuple([1, 2, 3])

所以你會發現，列表和元組中的數據項引用都是相同的：

>>> li1 = ["A", "B", "C"]
>>> tup = tuple(li1)
>>> print(id(li1[0]))
4383760656
>>> print(id(tup[0]))
4383760656
>>>

可迭代對象轉元組

可迭代對象是沒有長度這一概念的，如果是可迭代對象轉換為元組，會先對可迭代對象的長度做一個猜想。

並且根據這個猜想，為元組開辟一片內存空間，用於存放可迭代對象的數據項。

然後內部會獲取可迭代對象的迭代器，對其進行遍歷操作，拿出數據項後放至元組中。

如果猜想的長度太小，會導致元組內部的內存不夠存放下所有的迭代器數據項，此時該元組會進行內部的擴容機制，直至可迭代對象中的數據項全部被添加至元組中。

rangeObject = range(1, 101)
tup = tuple(rangeObject)

// 假如猜想的是9
// 第一步：+ 10 
// 第二步：+ (原長度+10) * 0.25
// 其實，就是增加【原長度*0.25 + 2.5】

如果猜想的長度太大，而實際上迭代器中的數據量偏少，則需要對該元組進行縮容。

切片取值

對元組進行切片取值的時候，會開辟一個新元組用於存放切片後得到的數據項。

tup = (1, 2, 3)
newSliceTup = tup[0:2]

當然，如果是[:]的操作，則參照絕對引用，直接返回被切片的元組引用。

代碼驗證：

>>> id(tup)
4384908416
>>> newSliceTup = tup[0:2]
>>> id(newSliceTup)
4384904392

緩存機制

free_list緩存

元組的緩存機制和列表的緩存機制不同。

元組的free_list會緩存0 – 19長度的共20種元組，其中每一種長度的元組通過單向鏈表橫向擴展緩存至2000個，如下圖所示：

當每一次的del操作有數據項的元組時，都會將該元組數據項清空並掛載至free_list單向鏈表的頭部的位置。

del 元組1
del 元組2
del 元組3

如下圖所示：

當要創建一個元組時，會通過創建元組的長度，從free_list單向鏈表的頭部取出一個元組，然後將數據項存放進去。

前提是free_list單向鏈表中緩存的有該長度的元組。

tup = (1, 2, 3)

空元組與非空元組的緩存

空元組的緩存是一經創建就緩存到free_list單向鏈表中。

而非空元組的緩存必須是del操作後才緩存到free_list單向鏈表中。

空元組的創建

第一次創建空元組後，空元組會緩存至free_list單向鏈表中。

以後的每一次空元組創建，返回的其實都是同一個引用，也就是說空元組在free_list單向鏈表中即使被引用瞭也不會被銷毀。

>>> t1 = ()
>>> id(t1)
4511088712
>>> t2 = ()
>>> id(t2)
4511088712

非空元組的創建

當free_list單向鏈表中有相同長度的元組時，會進行引用並刪除。

這個在上圖中已經示例過瞭，就是這個：

代碼示例：

$ python3

Python 3.6.8 (v3.6.8:3c6b436a57, Dec 24 2018, 02:04:31)
[GCC 4.2.1 Compatible Apple LLVM 6.0 (clang-600.0.57)] on darwin
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>> v1 = (None, None, None)
>>> id(v1)
4384907696
>>> v2 = (None, None, None)
>>> id(v2)
4384908056
>>> del v1
>>> del v2   # ①
>>> v3 = (None, None, None)
>>> id(v3)   # ②
4384908056
>>> v4 = (None, None, None)
>>> id(v4)   # ③
4384907696
>>>

①：free_list num_free=3 單向鏈表結構：v2 —> v1

②：創建瞭v3，拿出v2的空元組，填入v3數據項，故v2和v3的id值相等，證明引用同一個元組，此時free_list num_free=3 單向鏈表結構為：—> v1

③：創建瞭v4，拿出v1的空元組，填入v4數據項，故v1和v4的id值相等，證明引用同一個元組

tupleobject.c源碼

官網參考：點我跳轉

源碼一覽：點我跳轉

以下是截取瞭一些關鍵性源代碼，並且做上瞭中文註釋，方便查閱。

每一個元組都有幾個關鍵性的屬性：

Py_ssize_t ob_refcnt;     // 引用計數器
Py_ssize_t ob_size;       // 數據項個數，即元組大小
PyObject *ob_item[1];     // 存儲元組中的數據項 [指針, ]

關於緩存free_list的屬性：

PyTuple_MAXSAVESIZE     // 相當於圖中的 free_num ，最大20，即縱向擴展的緩存元組長度
PyTuple_MAXFREELIST     // 圖中 free_list 的橫向擴展緩存列表個數，最大2000

創建元組

空元組

PyObject *
PyTuple_New(Py_ssize_t size)
{
    PyTupleObject *op;
    // 緩存相關
    Py_ssize_t i;
    
    // 元組的大小不能小於0
    if (size < 0) {
        PyErr_BadInternalCall();
        return NULL;
    }
#if PyTuple_MAXSAVESIZE > 0

    // 創建空元組，優先從緩存中獲取
    // size = 0 表示這是一個空元組，從free_list[0]中獲取空元組
    if (size == 0 && free_list[0]) {
        // op就是空元組
        op = free_list[0];
        // 新增空元組引用計數器 + 1
        Py_INCREF(op);
#ifdef COUNT_ALLOCS
        tuple_zero_allocs++;
#endif
        // 返回空元組的指針
        return (PyObject *) op;
    }
    
    // 如果創建的不是空元組，且這個創建的元組數據項個數小於20，並且free_list[size]不等於空，表示有緩存
    // 則從緩存中去獲取，不再重新開辟內存
    if (size < PyTuple_MAXSAVESIZE && (op = free_list[size]) != NULL) {
        // 拿出元組
        free_list[size] = (PyTupleObject *) op->ob_item[0];
        // num_free減1
        numfree[size]--;
#ifdef COUNT_ALLOCS
        fast_tuple_allocs++;
#endif
        /* Inline PyObject_InitVar */
        // 初始化，定義這個元組的長度為數據項個數
#ifdef Py_TRACE_REFS
        Py_SIZE(op) = size;
        // 定義類型為 tuple
        Py_TYPE(op) = &PyTuple_Type;
#endif
        // 增加一次新的引用
        _Py_NewReference((PyObject *)op);
    }
    
    // 如果是空元組
    else
#endif
    {
        // 檢查內存情況，是否充足
        /* Check for overflow */
        if ((size_t)size > ((size_t)PY_SSIZE_T_MAX - sizeof(PyTupleObject) -
                    sizeof(PyObject *)) / sizeof(PyObject *)) {
            return PyErr_NoMemory();
        }
        // 開辟內存，並獲得一個元組：op
        op = PyObject_GC_NewVar(PyTupleObject, &PyTuple_Type, size);
        if (op == NULL)
            return NULL;
    }
    
    // 空元組的每一個槽位都是NULL
    for (i=0; i < size; i++)
        op->ob_item[i] = NULL;
        
#if PyTuple_MAXSAVESIZE > 0
   // 緩存空元組
    if (size == 0) {
        free_list[0] = op;
        ++numfree[0];
        Py_INCREF(op);          /* extra INCREF so that this is never freed */
    }
#endif
#ifdef SHOW_TRACK_COUNT
    count_tracked++;
#endif

    // 將元組加入到GC機制中，用於內存管理
    _PyObject_GC_TRACK(op);
    return (PyObject *) op;
}

可迭代對象轉元組

這個不在tupleobject.c源碼中，而是在abstract.c源碼中。

官網參考：點我跳轉

源碼一覽：點我跳轉

PyObject *
PySequence_Tuple(PyObject *v)
{
    PyObject *it;  /* iter(v) */
    Py_ssize_t n;             /* guess for result tuple size */
    PyObject *result = NULL;
    Py_ssize_t j;

    if (v == NULL) {
        return null_error();
    }

    /* Special-case the common tuple and list cases, for efficiency. */
    // 如果是元組轉換元組，如 tup = (1, 2, 3) 或者 tup = ((1, 2, 3))直接返回內存地址
    if (PyTuple_CheckExact(v)) {
        Py_INCREF(v);
        return v;
    }
    
    // 如果是列表轉換元組，則執行PyList_AsTuple()，將列表轉換為元組
    // 如 tup = ([1, 2, 3])
    if (PyList_CheckExact(v))
        return PyList_AsTuple(v);

    /* Get iterator. */
    // 獲取迭代器， tup = (range(1, 4).__iter__())
 
    it = PyObject_GetIter(v);
    if (it == NULL)
        return NULL;

    /* Guess result size and allocate space. */
    // 猜想迭代器長度，也就是猜一下有多少個數據項
    n = PyObject_LengthHint(v, 10);
    if (n == -1)
        goto Fail;
        
    // 根據猜想的迭代器長度，進行元組的內存開辟
    result = PyTuple_New(n);
    if (result == NULL)
        goto Fail;

    /* Fill the tuple. */
    // 將迭代器中每個數據項添加至元組中
    for (j = 0; ; ++j) {
        PyObject *item = PyIter_Next(it);
        if (item == NULL) {
            if (PyErr_Occurred())
                goto Fail;
            break;
        }
        
        //如果迭代器中數據項比猜想的多，則證明開辟內存不足需要需要進行擴容
        if (j >= n) {
            size_t newn = (size_t)n;
            /* The over-allocation strategy can grow a bit faster
               than for lists because unlike lists the
               over-allocation isn't permanent -- we reclaim
               the excess before the end of this routine.
               So, grow by ten and then add 25%.
            */
            
            // 假如猜想的是9
            // 第一步：+ 10 
            // 第二步：+ (原長度+10) * 0.25
            // 其實，就是增加【原長度*0.25 + 2.5】
            
            newn += 10u;
            newn += newn >> 2;
            
            // 判斷是否超過瞭元組的數據項個數限制（sys.maxsize）
            if (newn > PY_SSIZE_T_MAX) {
                /* Check for overflow */
                PyErr_NoMemory();
                Py_DECREF(item);
                goto Fail;
            }
            n = (Py_ssize_t)newn;
            // 擴容機制
            if (_PyTuple_Resize(&result, n) != 0) {
                Py_DECREF(item);
                goto Fail;
            }
        }
        
        // 將數據項放入元組之中
        PyTuple_SET_ITEM(result, j, item);
    }

    /* Cut tuple back if guess was too large. */
    
    // 如果猜想的數據項太多，而實際上迭代器中的數據量偏少
    // 則需要對該元組進行縮容
    if (j < n &&
        _PyTuple_Resize(&result, j) != 0)
        goto Fail;

    Py_DECREF(it);
    return result;

Fail:
    Py_XDECREF(result);
    Py_DECREF(it);
    return NULL;
}

列表轉元組

這個不在tupleobject.c源碼中，而是在listobject.c源碼中。

官網參考：點我跳轉

源碼一覽：點我跳轉

PyObject *
PyList_AsTuple(PyObject *v)
{
    PyObject *w;
    PyObject **p, **q;
    Py_ssize_t n;
    // 例如：tup = ([1, 2, 3])
    
    // 進行列表的驗證
    if (v == NULL || !PyList_Check(v)) {
        PyErr_BadInternalCall();
        return NULL;
    }
    
    // 獲取大小，即數據項個數
    n = Py_SIZE(v);
    // 開辟內存
    w = PyTuple_New(n);
    
    // 如果是空元組
    if (w == NULL)
        return NULL;
        
    // 執行遷徙操作
    p = ((PyTupleObject *)w)->ob_item;
    q = ((PyListObject *)v)->ob_item;
    
    // 將列表中數據項的引用，也給元組進行引用
    // 這樣列表中數據項和元組中的數據項都引用同1個對象
    while (--n >= 0) {
        // 數據項引用計數 + 1
        Py_INCREF(*q);
        *p = *q;
        p++;
        q++;
    }
    
    // 返回元組
    return w;
}

切片取值

PyObject *
PyTuple_GetSlice(PyObject *op, Py_ssize_t i, Py_ssize_t j)
// 切片會觸發該方法
{
    // 如果對空元組進行切片，則會拋出異常
    if (op == NULL || !PyTuple_Check(op)) {
        PyErr_BadInternalCall();
        return NULL;
    }
    // 內部的具體實現方法
    return tupleslice((PyTupleObject *)op, i, j);
}

static PyObject *
tupleslice(PyTupleObject *a, Py_ssize_t ilow,
           Py_ssize_t ihigh)
{
    PyTupleObject *np;
    PyObject **src, **dest;
    Py_ssize_t i;
    Py_ssize_t len;
    
    // 計算索引位置
    if (ilow < 0)
        ilow = 0;
    if (ihigh > Py_SIZE(a))
        ihigh = Py_SIZE(a);
    if (ihigh < ilow)
        ihigh = ilow;
        
    // 如果是[:]的操作，則直接返回源元組對象a的指針，即絕對引用
    if (ilow == 0 && ihigh == Py_SIZE(a) && PyTuple_CheckExact(a)) {
        Py_INCREF(a);
        return (PyObject *)a;
    }
    
    // 初始化新的切片對象元組長度
    len = ihigh - ilow;
    
    // 開始切片，創建瞭一個新元組np
    np = (PyTupleObject *)PyTuple_New(len);
    if (np == NULL)
        return NULL;
    src = a->ob_item + ilow;
    dest = np->ob_item;
    
    // 對源元組中的數據項的引用計數+1
    for (i = 0; i < len; i++) {
        PyObject *v = src[i];
        Py_INCREF(v);
        dest[i] = v;
    }
    
    // 返回切片對象新元組np的引用
    return (PyObject *)np;
}

緩存相關

static void
tupledealloc(PyTupleObject *op)
{
    Py_ssize_t i;
    Py_ssize_t len =  Py_SIZE(op);
    PyObject_GC_UnTrack(op);
    Py_TRASHCAN_SAFE_BEGIN(op)
    
    // 如果元組的長度大於0，則不是一個非空元組
    if (len > 0) {
        i = len;
        // 將內部的數據項引用計數都 - 1
        while (--i >= 0)
            Py_XDECREF(op->ob_item[i]);
#if PyTuple_MAXSAVESIZE > 0
        
        // 準備緩存，判斷num_free是否小於20，並且單向鏈表中的已緩存元組個數小於2000
        if (len < PyTuple_MAXSAVESIZE &&
            numfree[len] < PyTuple_MAXFREELIST &&
            Py_TYPE(op) == &PyTuple_Type)
        {
            // 添加至鏈表頭部
            op->ob_item[0] = (PyObject *) free_list[len];
            // 將num_free + 1
            numfree[len]++;
            free_list[len] = op;
            goto done; /* return */
        }
#endif
    }
    // 內存中進行銷毀
    Py_TYPE(op)->tp_free((PyObject *)op);
done:
    Py_TRASHCAN_SAFE_END(op)
}

以上就是老Python帶你從淺入深探究Tuple的詳細內容，更多關於Python Tuple的資料請關註WalkonNet其它相關文章！

推薦閱讀：