前面的課程，我們講解了 Python 語言的學習方法，并且帶你了解了 Python 必知的常用工具——Jupyter。那么從這節課開始，我們將正式學習 Python 的具體知識。
對于每一門編程語言來說，數據結構都是其根基。了解掌握 Python 的基本數據結構，對于學好這門語言至關重要。今天我們就一起來學習，Python 中最常見的兩種數據結構：列表（list）和元組（tuple）。
列表和元組基礎
首先，我們需要弄清楚最基本的概念，什么是列表和元組呢？
實際上，列表和元組，都是一個可以放置任意數據類型的有序集合。
在絕大多數編程語言中，集合的數據類型必須一致。不過，對于 Python 的列表和元組來說，并無此要求：
l = [1, 2, 'hello', 'world'] # 列表中同時含有 int 和 string 類型的元素l[1, 2, 'hello', 'world'] tup = ('jason', 22) # 元組中同時含有 int 和 string 類型的元素tup('jason', 22)復制代碼
其次，我們必須掌握它們的區別。
- 列表是動態的，長度大小不固定，可以隨意地增加、刪減或者改變元素（mutable）。
- 而元組是靜態的，長度大小固定，無法增加刪減或者改變（immutable）。
下面的例子中，我們分別創建了一個列表與元組。你可以看到，對于列表，我們可以很輕松地讓其最后一個元素，由 4 變為 40；但是，如果你對元組采取相同的操作，Python 就會報錯，原因就是元組是不可變的。
l = [1, 2, 3, 4]l[3] = 40 # 和很多語言類似，python 中索引同樣從 0 開始，l[3] 表示訪問列表的第四個元素l[1, 2, 3, 40] tup = (1, 2, 3, 4)tup[3] = 40Traceback (most recent call last): File "<stdin>", line 1, in <module>TypeError: 'tuple' object does not support item assignment復制代碼
可是，如果你想對已有的元組做任何"改變"，該怎么辦呢？那就只能重新開辟一塊內存，創建新的元組了。
比如下面的例子，我們想增加一個元素 5 給元組，實際上就是創建了一個新的元組，然后把原來兩個元組的值依次填充進去。
而對于列表來說，由于其是動態的，我們只需簡單地在列表末尾，加入對應元素就可以了。如下操作后，會修改原來列表中的元素，而不會創建新的列表。
tup = (1, 2, 3, 4)new_tup = tup + (5, ) # 創建新的元組 new_tup，并依次填充原元組的值new _tup(1, 2, 3, 4, 5) l = [1, 2, 3, 4]l.Append(5) # 添加元素 5 到原列表的末尾l[1, 2, 3, 4, 5]復制代碼
通過上面的例子，相信你肯定掌握了列表和元組的基本概念。接下來我們來看一些列表和元組的基本操作和注意事項。
首先，和其他語言不同，Python 中的列表和元組都支持負數索引，-1 表示最后一個元素，-2 表示倒數第二個元素，以此類推。
l = [1, 2, 3, 4]l[-1]4 tup = (1, 2, 3, 4)tup[-1]4復制代碼
除了基本的初始化，索引外，列表和元組都支持切片操作：
l = [1, 2, 3, 4]l[1:3] # 返回列表中索引從 1 到 2 的子列表[2, 3] tup = (1, 2, 3, 4)tup[1:3] # 返回元組中索引從 1 到 2 的子元組(2, 3) 復制代碼
另外，列表和元組都可以隨意嵌套：
l = [[1, 2, 3], [4, 5]] # 列表的每一個元素也是一個列表 tup = ((1, 2, 3), (4, 5, 6)) # 元組的每一個元素也是一元組復制代碼
當然，兩者也可以通過 list() 和 tuple() 函數相互轉換：
list((1, 2, 3))[1, 2, 3] tuple([1, 2, 3])(1, 2, 3)復制代碼
最后，我們來看一些列表和元組常用的內置函數：
l = [3, 2, 3, 7, 8, 1]l.count(3) 2l.index(7)3l.reverse()l[1, 8, 7, 3, 2, 3]l.sort()l[1, 2, 3, 3, 7, 8] tup = (3, 2, 3, 7, 8, 1)tup.count(3)2tup.index(7)3list(reversed(tup))[1, 8, 7, 3, 2, 3]sorted(tup)[1, 2, 3, 3, 7, 8]復制代碼
這里我簡單解釋一下這幾個函數的含義。
- count(item) 表示統計列表 / 元組中 item 出現的次數。
- index(item) 表示返回列表 / 元組中 item 第一次出現的索引。
- list.reverse() 和 list.sort() 分別表示原地倒轉列表和排序（注意，元組沒有內置的這兩個函數)。
- reversed() 和 sorted() 同樣表示對列表 / 元組進行倒轉和排序，但是會返回一個倒轉后或者排好序的新的列表 / 元組。
列表和元組存儲方式的差異
前面說了，列表和元組最重要的區別就是，列表是動態的、可變的，而元組是靜態的、不可變的。這樣的差異，勢必會影響兩者存儲方式。我們可以來看下面的例子：
l = [1, 2, 3]l.__sizeof__()64tup = (1, 2, 3)tup.__sizeof__()48 復制代碼
你可以看到，對列表和元組，我們放置了相同的元素，但是元組的存儲空間，卻比列表要少 16 字節。這是為什么呢？
事實上，由于列表是動態的，所以它需要存儲指針，來指向對應的元素（上述例子中，對于 int 型，8 字節）。另外，由于列表可變，所以需要額外存儲已經分配的長度大小（8 字節），這樣才可以實時追蹤列表空間的使用情況，當空間不足時，及時分配額外空間。
l = []l.__sizeof__() // 空列表的存儲空間為 40 字節40l.append(1)l.__sizeof__() 72 // 加入了元素 1 之后，列表為其分配了可以存儲 4 個元素的空間 (72 - 40)/8 = 4l.append(2) l.__sizeof__()72 // 由于之前分配了空間，所以加入元素 2，列表空間不變l.append(3)l.__sizeof__() 72 // 同上l.append(4)l.__sizeof__() 72 // 同上l.append(5)l.__sizeof__() 104 // 加入元素 5 之后，列表的空間不足，所以又額外分配了可以存儲 4 個元素的空間復制代碼
上面的例子，大概描述了列表空間分配的過程。我們可以看到，為了減小每次增加 / 刪減操作時空間分配的開銷，Python 每次分配空間時都會額外多分配一些，這樣的機制（over-allocating）保證了其操作的高效性：增加 / 刪除的時間復雜度均為 O(1)。
但是對于元組，情況就不同了。元組長度大小固定，元素不可變，所以存儲空間固定。
看了前面的分析，你也許會覺得，這樣的差異可以忽略不計。但是想象一下，如果列表和元組存儲元素的個數是一億，十億甚至更大數量級時，你還能忽略這樣的差異嗎？
列表和元組的性能
通過學習列表和元組存儲方式的差異，我們可以得出結論：元組要比列表更加輕量級一些，所以總體上來說，元組的性能速度要略優于列表。
另外，Python 會在后臺，對靜態數據做一些資源緩存（resource caching）。通常來說，因為垃圾回收機制的存在，如果一些變量不被使用了，Python 就會回收它們所占用的內存，返還給操作系統，以便其他變量或其他應用使用。
但是對于一些靜態變量，比如元組，如果它不被使用并且占用空間不大時，Python 會暫時緩存這部分內存。這樣，下次我們再創建同樣大小的元組時，Python 就可以不用再向操作系統發出請求，去尋找內存，而是可以直接分配之前緩存的內存空間，這樣就能大大加快程序的運行速度。
下面的例子，是計算初始化一個相同元素的列表和元組分別所需的時間。我們可以看到，元組的初始化速度，要比列表快 5 倍。
python3 -m timeit 'x=(1,2,3,4,5,6)'20000000 loops, best of 5: 9.97 nsec per looppython3 -m timeit 'x=[1,2,3,4,5,6]'5000000 loops, best of 5: 50.1 nsec per loop復制代碼
但如果是索引操作的話，兩者的速度差別非常小，幾乎可以忽略不計。
python3 -m timeit -s 'x=[1,2,3,4,5,6]' 'y=x[3]'10000000 loops, best of 5: 22.2 nsec per looppython3 -m timeit -s 'x=(1,2,3,4,5,6)' 'y=x[3]'10000000 loops, best of 5: 21.9 nsec per loop復制代碼
當然，如果你想要增加、刪減或者改變元素，那么列表顯然更優。原因你現在肯定知道了，那就是對于元組，你必須得通過新建一個元組來完成。
列表和元組的使用場景
那么列表和元組到底用哪一個呢？根據上面所說的特性，我們具體情況具體分析。
1. 如果存儲的數據和數量不變，比如你有一個函數，需要返回的是一個地點的經緯度，然后直接傳給前端渲染，那么肯定選用元組更合適。
def get_location(): ..... return (longitude, latitude)復制代碼
2. 如果存儲的數據或數量是可變的，比如社交平臺上的一個日志功能，是統計一個用戶在一周之內看了哪些用戶的帖子，那么則用列表更合適。
viewer_owner_id_list = [] # 里面的每個元素記錄了這個 viewer 一周內看過的所有 owner 的 idrecords = queryDB(viewer_id) # 索引數據庫，拿到某個 viewer 一周內的日志for record in records: viewer_owner_id_list.append(record.id)復制代碼
總結
關于列表和元組，我們今天聊了很多，最后一起總結一下你必須掌握的內容。
總的來說，列表和元組都是有序的，可以存儲任意數據類型的集合，區別主要在于下面這兩點。
- 列表是動態的，長度可變，可以隨意的增加、刪減或改變元素。列表的存儲空間略大于元組，性能略遜于元組。
- 元組是靜態的，長度大小固定，不可以對元素進行增加、刪減或者改變操作。元組相對于列表更加輕量級，性能稍優。
思考題
1. 想創建一個空的列表，我們可以用下面的 A、B 兩種方式，請問它們在效率上有什么區別嗎？我們應該優先考慮使用哪種呢？可以說說你的理由。
# 創建空列表# option Aempty_list = list() # option Bempty_list = []復制代碼
2. 你在平時的學習工作中，是在什么場景下使用列表或者元組呢？歡迎留言和我分享。
