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深入理解Python虚拟机中字典(dict)的实现原理及源码剖析

深入理解Python虚拟机中字典(dict)的实现原理及源码剖析

Python中,字典(dict)是一种非常常用的数据结构,其实现原理是一种哈希表。

哈希表是什么

哈希表(Hash Table),也叫散列表,是根据关键码值(Key Value)而直接进行访问的数据结构。哈希表通过把关键码值映射到哈希表中一个位置来访问记录,以加快查找的速度。这个映射函数叫做哈希函数(Hash Function),存放记录的数组叫做哈希表(Hash Table)。

Python中的哈希表

Python 3.x 中的哈希表是由一个 dictobject 类来实现的,它定义在文件 Objects/dictobject.c 中,我们可以通过阅读这个文件来了解哈希表的实现细节。

实现细节

存储结构

哈希表主要由三个部分组成:

  1. 哈希表本身的结构体(PyDictObject),其成员变量包含:

    a. 哈希表的大小(size):表示哈希表中存储的键值对个数。

    b. 元素个数(n_used):表示哈希表中已经使用的大小。

    c. 哈希表的表头(table):实际存储元素的数组,它的长度必须是 2 的幂次方。

  2. 哈希函数: Python使用一种稳定的哈希函数,取模运算的方式让哈希值在0~table长度之间。

  3. 碰撞处理

    a. 开放寻址:即采用线性探测法,发生冲突后,在哈希表中向后寻找下一个可用的位置。

    b. 链接法:如果位置已经被占用,则把该位置的链表指针向后移动,挂接在后面。

Python采用的是链接法,即哈希表数组中的每一个元素都是一个指针,指向一个链表。当冲突发生时,它会把新元素插入到链表的头部。

插入元素

当我们使用字典时,如果需要新增一个键值对就会发生插入操作,具体插入操作包括以下几个步骤:

  1. 计算键的哈希值。

  2. 使用哈希函数计算键的索引值。

  3. 检查这个索引的位置是否已经有元素。

  4. 如果这个位置没有元素,就直接将键值对插入到这个位置。

  5. 如果这个位置有元素,可能是跟这个位置对应的链表的第一个位置发生了冲突,我们需要遍历链表,找到要插入的键是否已经存在。

  6. 如果键已经存在,就用新的值覆盖旧的值。

  7. 如果键不存在,则在链表的头部插入一个新的节点。

查找元素

当我们使用字典时,如果需要查找一个键是否存在,具体查找操作包括以下几个步骤:

  1. 计算键的哈希值。

  2. 使用哈希函数计算键的索引值。

  3. 检查这个索引的位置是否已经有元素。

  4. 如果这个位置没有元素,就表明键不存在。

  5. 如果这个位置有元素,可能是跟这个位置对应的链表的第一个位置发生了冲突,我们需要遍历链表,找到要查找的键是否存在。

  6. 如果键存在,就返回它的值。

  7. 如果键不存在,则返回一个 KeyError 异常。

示例说明

下面我们通过两个示例来演示哈希表的实现细节。

示例1:添加元素

例如,我们有一个空的字典:

d = {}

我们要向字典中添加键值对 "hello": 1,那么具体流程如下:

  1. 计算 "hello" 的哈希值。

  2. 使用哈希函数计算 "hello" 的索引值。

  3. 检查索引值所在的数组位置是否有元素。

  4. 因为这个位置没有元素,所以将键值对 "hello": 1 插入到这个数组位置。

  5. 现在字典中已经有一个元素了,所以将 n_used 加 1。

示例2:查找元素

例如,我们有一个字典:

d = {"hello": 1, "world": 2}

我们要查找键 "world" 的值,那么具体流程如下:

  1. 计算 "world" 的哈希值。

  2. 使用哈希函数计算 "world" 的索引值。

  3. 检查索引值所在的数组位置是否有元素。

  4. 因为这个位置有元素,所以需要在这个元素对应的链表上查找 "world"。

  5. 找到 "world" 元素并返回它的值2。

这就是 Python 哈希表的工作原理,希望对你有所帮助。

本文链接:http://task.lmcjl.com/news/14968.html

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