Python中的内存管理之python list内存使用详解

前言

使用 Python 的时候，我们知道 list 是一个长度可变对的数组， 可以通过 insert，append 和 extend 轻易的拓展其中的元素个数。 也可以使用运算符 如： [1] + [2] 生成新的数组[1, 2]

extend()、 "+"、"+=" 的区别

• "+"将两个 list 相加，会返回到一个新的 list 对象
• append 在原 list 上进行修改，没有返回值

从以下代码可以看到， 调用 b = b + [3, 4] 之后， 通过id(b) 查看 b 变成了一个新对象。

In [5]: b = [1, 2]
In [6]: id(b)
Out[6]: 1628740249224
 
In [7]: b = b + [3, 4]
In [8]: id(b)
Out[8]: 1628740456520

 使用extend() 完成相同的步骤， 可以看到 对象c 的id保持和原来的一致

In [9]: c = [1, 2]
In [10]: id(c)
Out[10]: 1628740392584
 
In [11]: c.extend([3, 4])
In [12]: id(c)
Out[12]: 1628740392584

 使用 "+="  连接列表， 看到效果和 extend() 是相同的。

In [1]: a = [1, 2]
In [2]: id(a)
Out[2]: 1628740021448
 
In [3]: a += [3, 4]
In [4]: id(a)
Out[4]: 1628740021448

 结论： 减少内存的拷贝， 修改一个列表的数据时， 应避免使用 list1 = list1 + list2 这样的语法。 

List的内存使用

一个示例：

In [1]: import sys
 
In [2]: lst1 = [1]
In [3]: lst2 = []
In [4]: lst2.append(1)
 
In [5]: lst1 == lst2
Out[5]: True
 
In [6]: sys.getsizeof(lst1)
Out[6]: 72
In [7]: sys.getsizeof(lst2)
Out[7]: 96

可以看到，lst1 == lst2， 但是当使用 sys.getsizeof 获取对象的内存大小时， 两者却是不同的。

如下图所示， list_a 长度为4， 当执行 append(4) 时， 底层的数据长度其实申请了4个元素的空间，当再次执行 append(5) 的时候，不需要再次申请内存。

因为 执行 append() 操作时，Python将一次拓展N个元素的内存，因为一个 append 操作很可能是很多 append 操作的开始，通过额外分配内存来减少可能的内存分配和内存copy的次数。

In [1]: import sys
 
In [2]: l = []
   ...: print(f'list initial size {sys.getsizeof(l)}')
   ...: for i in range(80):
   ...:     cur_size = sys.getsizeof(l)
   ...:     l.append(i)
   ...:     new_size = sys.getsizeof(l)
   ...:     print(f'list len {i+1}:\t current_size {new_size}\t new_allocated 8 * {(new_size-cur_size)/8}')
   ...:
list initial size 64
list len 1:      current_size 96         new_allocated 8 * 4.0
list len 2:      current_size 96         new_allocated 8 * 0.0
list len 3:      current_size 96         new_allocated 8 * 0.0
list len 4:      current_size 96         new_allocated 8 * 0.0
list len 5:      current_size 128        new_allocated 8 * 4.0
list len 6:      current_size 128        new_allocated 8 * 0.0
list len 7:      current_size 128        new_allocated 8 * 0.0
list len 8:      current_size 128        new_allocated 8 * 0.0
list len 9:      current_size 192        new_allocated 8 * 8.0
list len 10:     current_size 192        new_allocated 8 * 0.0
list len 11:     current_size 192        new_allocated 8 * 0.0
list len 12:     current_size 192        new_allocated 8 * 0.0
list len 13:     current_size 192        new_allocated 8 * 0.0
list len 14:     current_size 192        new_allocated 8 * 0.0
list len 15:     current_size 192        new_allocated 8 * 0.0
list len 16:     current_size 192        new_allocated 8 * 0.0
list len 17:     current_size 264        new_allocated 8 * 9.0
list len 18:     current_size 264        new_allocated 8 * 0.0
list len 19:     current_size 264        new_allocated 8 * 0.0
list len 20:     current_size 264        new_allocated 8 * 0.0
list len 21:     current_size 264        new_allocated 8 * 0.0
list len 22:     current_size 264        new_allocated 8 * 0.0
list len 23:     current_size 264        new_allocated 8 * 0.0
list len 24:     current_size 264        new_allocated 8 * 0.0
list len 25:     current_size 264        new_allocated 8 * 0.0
list len 26:     current_size 344        new_allocated 8 * 10.0
list len 27:     current_size 344        new_allocated 8 * 0.0
list len 28:     current_size 344        new_allocated 8 * 0.0
list len 29:     current_size 344        new_allocated 8 * 0.0
list len 30:     current_size 344        new_allocated 8 * 0.0
list len 31:     current_size 344        new_allocated 8 * 0.0
list len 32:     current_size 344        new_allocated 8 * 0.0
list len 33:     current_size 344        new_allocated 8 * 0.0
list len 34:     current_size 344        new_allocated 8 * 0.0
list len 35:     current_size 344        new_allocated 8 * 0.0
list len 36:     current_size 432        new_allocated 8 * 11.0
list len 37:     current_size 432        new_allocated 8 * 0.0
list len 38:     current_size 432        new_allocated 8 * 0.0
list len 39:     current_size 432        new_allocated 8 * 0.0
list len 40:     current_size 432        new_allocated 8 * 0.0
list len 41:     current_size 432        new_allocated 8 * 0.0
list len 42:     current_size 432        new_allocated 8 * 0.0
list len 43:     current_size 432        new_allocated 8 * 0.0
list len 44:     current_size 432        new_allocated 8 * 0.0
list len 45:     current_size 432        new_allocated 8 * 0.0
list len 46:     current_size 432        new_allocated 8 * 0.0
list len 47:     current_size 528        new_allocated 8 * 12.0
list len 48:     current_size 528        new_allocated 8 * 0.0
list len 49:     current_size 528        new_allocated 8 * 0.0
list len 50:     current_size 528        new_allocated 8 * 0.0
list len 51:     current_size 528        new_allocated 8 * 0.0
list len 52:     current_size 528        new_allocated 8 * 0.0
list len 53:     current_size 528        new_allocated 8 * 0.0
list len 54:     current_size 528        new_allocated 8 * 0.0
list len 55:     current_size 528        new_allocated 8 * 0.0
list len 56:     current_size 528        new_allocated 8 * 0.0
list len 57:     current_size 528        new_allocated 8 * 0.0
list len 58:     current_size 528        new_allocated 8 * 0.0
list len 59:     current_size 640        new_allocated 8 * 14.0
list len 60:     current_size 640        new_allocated 8 * 0.0
list len 61:     current_size 640        new_allocated 8 * 0.0
list len 62:     current_size 640        new_allocated 8 * 0.0
list len 63:     current_size 640        new_allocated 8 * 0.0
list len 64:     current_size 640        new_allocated 8 * 0.0
list len 65:     current_size 640        new_allocated 8 * 0.0
list len 66:     current_size 640        new_allocated 8 * 0.0
list len 67:     current_size 640        new_allocated 8 * 0.0
list len 68:     current_size 640        new_allocated 8 * 0.0
list len 69:     current_size 640        new_allocated 8 * 0.0
list len 70:     current_size 640        new_allocated 8 * 0.0
list len 71:     current_size 640        new_allocated 8 * 0.0
list len 72:     current_size 640        new_allocated 8 * 0.0
list len 73:     current_size 768        new_allocated 8 * 16.0
list len 74:     current_size 768        new_allocated 8 * 0.0
list len 75:     current_size 768        new_allocated 8 * 0.0
list len 76:     current_size 768        new_allocated 8 * 0.0
list len 77:     current_size 768        new_allocated 8 * 0.0
list len 78:     current_size 768        new_allocated 8 * 0.0
list len 79:     current_size 768        new_allocated 8 * 0.0
list len 80:     current_size 768        new_allocated 8 * 0.0

通过观察可以发现， 列表从0 增加到 80长度的过程中， 新申请的内存长度为 [4, 4, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 16] 。 反之， 当执行 remove 或者 pop 减少列表中的数据时， 列表也会自动缩容。

• 扩容条件 ，新长度大于底层数组长度；
• 缩容条件 ，新长度小于底层数组长度的一半；

结论： 避免使用类似 append 语法初始化列表， 优先使用列表表达式

# Bad ❌
list_a = []
for i in range(50):
    list_a.append(i)
 
# Good ✔️
list_b = [i for i in range(50)]

结论：

① 避免使用 "+" 修改数组

② 尽量避免多次使用 append 函数

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