列表(List)是Python中最基礎且強大的數據結構之一，但它的底層實現和特性遠比表面看起來復雜。本文將深入探討列表的各個方面。

1. 列表基礎特性

1.1 可變序列類型

lst = [1, 2, 3]
lst[1] = 20  # 可變性

1.2 異構容器

mixed = [1, "hello", 3.14, [1, 2]]  # 可以包含不同類型

2. 底層實現原理

Python列表實際上是動態數組的實現，其關鍵特性：

• 動態擴容：當空間不足時，會按照約1.125倍(具體實現可能不同)進行擴容
• 連續內存：元素在內存中是連續存儲的(存儲的是對象引用而非對象本身)
• 預留空間：分配的空間通常比實際使用的多，以減少頻繁擴容

import sys
lst = []
for i in range(10):print(f"長度: {len(lst):2d}, 實際分配大小: {sys.getsizeof(lst)}字節")lst.append(i)

3. 時間復雜度分析

操作	時間復雜度	說明
索引/取值	O(1)	直接計算內存偏移
追加(append)	平均O(1)	可能觸發擴容
插入(insert)	O(n)	需要移動元素
刪除(del/pop)	O(n)	需要移動元素
包含判斷(in)	O(n)	需要遍歷
切片	O(k)	k是切片大小

4. 列表推導式 vs 循環創建

# 列表推導式(更快，更Pythonic)
squares = [x**2 for x in range(10)]# 等效循環
squares = []
for x in range(10):squares.append(x**2)

列表推導式：

1. 在字節碼層面更高效
2. 有專門的優化處理
3. 可讀性更強(對于簡單轉換)

5. 淺拷貝與深拷貝

import copyoriginal = [[1, 2], [3, 4]]
shallow = original.copy()      # 淺拷貝
deep = copy.deepcopy(original) # 深拷貝original[0][0] = 99
print(shallow)  # [[99, 2], [3, 4]] - 內部列表被共享
print(deep)     # [[1, 2], [3, 4]]  - 完全獨立

6. 列表常用模式

6.1 過濾

numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
evens = [x for x in numbers if x % 2 == 0]

6.2 展平

nested = [[1, 2], [3, 4], [5]]
flat = [item for sublist in nested for item in sublist]

6.3 分組

data = [1, 2, 3, 4, 5, 6]
grouped = [data[i:i+2] for i in range(0, len(data), 2)]

7. 性能優化技巧

1. 預分配空間：當知道大小時

lst = [None] * 1000  # 預分配

2. 使用生成器表達式處理大數據

sum(x**2 for x in range(1000000))  # 不創建中間列表

3. 避免頻繁中間插入：考慮使用collections.deque

8. 與其他序列類型比較

特性	list	tuple	array.array	numpy.ndarray
可變性	?	?	?	?
異構元素	?	?	?	?
內存效率	低	低	高	高
數值計算	慢	慢	中等	快

9. 高級用法

9.1 自定義排序

users = [{'name': 'Alice', 'age': 25}, {'name': 'Bob', 'age': 30}]
users.sort(key=lambda x: x['age'], reverse=True)

9.2 列表作為棧和隊列

# 棧
stack = []
stack.append(1)  # push
stack.pop()      # pop# 隊列(效率不高)
queue = []
queue.append(1)  # enqueue
queue.pop(0)     # dequeue (O(n)操作)

10. 常見陷阱

1. 可變默認參數

def bad_func(value, lst=[]):  # 同一個列表會被重復使用lst.append(value)return lst

2. 循環中修改列表

# 危險!
lst = [1, 2, 3, 4]
for i, x in enumerate(lst):if x % 2 == 0:del lst[i]  # 會跳過元素或越界

3. 淺拷貝問題

a = [[]] * 3
a[0].append(1)  # 所有子列表都會被修改

列表是Python的核心數據結構，理解其底層實現和特性對于編寫高效Python代碼至關重要。