Python字典底层讲解

简介: Python字典底层讲解

Dictonary字典


字典在python中是以键值对(k-v)的形式进行存储。添加,删除,修改,查询的时间复杂度均是O(1)。


(1)哈希表(Hashtable)


哈希表(也叫散列表),根据关键值对(Key-value)而直接进行访问的数据结构。它通过把key和value映射到表中一个位置来访问记录,这种查询速度非常快,更新也快。而这个映射函数叫做哈希函数,存放值的数组叫做哈希表。 哈希函数的实现方式决定了哈希表的搜索效率。具体操作过程是:


数据添加:把key通过哈希函数转换成一个整型数字,然后就将该数字对数组长度进行取余,取余结果就当作数组的下标,将value存储在以该数字为下标的数组空间里。


数据查询:再次使用哈希函数将key转换为对应的数组下标,并定位到数组的位置获取value。


但是,对key进行hash的时候,不同的key可能hash出来的结果是一样的,尤其是数据量增多的时候,这个问题叫做哈希冲突。如果解决这种冲突情况呢?通常的做法有两种,一种是链接法,另一种是开放寻址法,Python选择后者。


(2)开放寻址法(Open addressing)


开放寻址法中,所有的元素都存放在散列表里,当产生哈希冲突时,通过一个探测函数计算出下一个候选位置,如果下一个获选位置还是有冲突,那么不断通过探测函数往下找,直到找个一个空槽来存放待插入元素。


PYDICTENTRY


字典中的一个key-value 键值对元素称为entry,对用到python内部是PyDictEntry。

typedef struct {
    /* Cached hash code of me_key.  Note that hash codes are C longs.
     * We have to use Py_ssize_t instead because dict_popitem() abuses
     * me_hash to hold a search finger.
     */
    Py_ssize_t me_hash;
    PyObject *me_key;
    PyObject *me_value;
} PyDictEntry;

1.Unused: me_key == me_value == NULL。 Unused是entry的初始状态,key和value都为NULL。插入元素时,Unused状态转换成Active状态。这是me_key为NULL的唯一情况。


2.Active: me_key != NULL and me_key != dummy 且 me_value != NULL。 插入元素后,entry就成了Active状态,这是me_value唯一不为NULL的情况,删除元素时Active状态刻转换成Dummy状态。


3.Dummy: me_key == dummy 且 me_value == NULL。此处的dummy对象实际上一个PyStringObject对象,仅作为指示标志。Dummy状态的元素可以在插入元素的时候将它变成Active状态,但它不可能再变成Unused状态。


为什么entry有Dummy状态呢?这是因为采用开放寻址法中,遇到哈希冲突时会找到下一个合适的位置,例如某元素经过哈希计算应该插入到A处,但是此时A处有元素的,通过探测函数计算得到下一个位置B,仍然有元素,直到找到位置C为止,此时ABC构成了探测链,查找元素时如果hash值相同,那么也是顺着这条探测链不断往后找,当删除探测链中的某个元素时,比如B,如果直接把B从哈希表中移除,即变成Unused状态,那么C就不可能再找到了,因为AC之间出现了断裂的现象,正是如此才出现了第三种状态—Dummy,Dummy是一种类似的伪删除方式,保证探测链的连续性。


python_entry_status

typedef struct _dictobject PyDictObject;
struct _dictobject {
    PyObject_HEAD
    Py_ssize_t ma_fill;  /* # Active + # Dummy */
    Py_ssize_t ma_used;  /* # Active */
    /* The table contains ma_mask + 1 slots, and that's a power of 2.
     * We store the mask instead of the size because the mask is more
     * frequently needed.
     */
    Py_ssize_t ma_mask;
    /* ma_table points to ma_smalltable for small tables, else to
     * additional malloc'ed memory.  ma_table is never NULL!  This rule
     * saves repeated runtime null-tests in the workhorse getitem and
     * setitem calls.
     */
    PyDictEntry *ma_table;
    PyDictEntry *(*ma_lookup)(PyDictObject *mp, PyObject *key, long hash);
    PyDictEntry ma_smalltable[PyDict_MINSIZE];
};

ma_fill :所有处于Active以及Dummy的元素个数


ma_used :所有处于Active状态的元素个数


ma_mask :所有entry的元素个数(Active+Dummy+Unused)


ma_smalltable:创建字典对象时,一定会创建一个大小为PyDict_MINSIZE==8的PyDictEntry数组。


ma_table:当entry数量小于PyDict_MINSIZE,ma_table指向ma_smalltable的首地址,当entry数量大于8时,Python把它当做一个大字典来处理,此刻会申请额外的内存空间,同时将ma_table指向这块空间。


ma_lookup:字典元素的搜索策略


PyDictObject使用PyObject_HEAD而不是PyObject_Var_HEAD,虽然字典也是变长对象,但此处并不是通过ob_size来存储字典中元素的长度,而是通过ma_used字段。

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