python：双端队列与列表性能比较

Posted 2023-03-11

【中文标题】python：双端队列与列表性能比较

【英文标题】：python: deque vs list performance comparison

【发布时间】：2014-06-22 15:07:54

【问题描述】：

在 python 文档中，我可以看到 deque 是一个为从左侧或右侧弹出/添加项目高度优化的特殊集合。例如。文档说：

双端队列是堆栈和队列的概括（名称是 发音为“deck”，是“double-ended queue”的缩写）。双端队列 支持线程安全、内存高效的追加和弹出 在双端队列的一侧具有大致相同的 O(1) 性能 任一方向。

虽然列表对象支持类似的操作，但它们已针对 快速固定长度操作并产生 O(n) 内存移动成本 pop(0) 和 insert(0, v) 操作同时改变大小和 底层数据表示的位置。

我决定使用 ipython 进行一些比较。谁能解释我在这里做错了什么：

In [31]: %timeit range(1, 10000).pop(0)
 10000 loops, best of 3: 114 us per loop

In [32]: %timeit deque(xrange(1, 10000)).pop() 
10000 loops, best of 3: 181 us per loop

In [33]: %timeit deque(range(1, 10000)).pop()
1000 loops, best of 3: 243 us per loop

【问题讨论】：

从列表（例如range 或xrange）创建deque 对象需要O(n) 时间。

“错误”是什么意思？你预计会发生什么？

同意@JayanthKoushik，在创建列表和双端队列之后时间.pop。

deque 有内部锁来实现线程安全，但 list 没有。

@XingFei 不，collections.deque 没有内部锁。为此，您需要 Queue.Queue。但是 deque 的 append()、appendleft()、pop()、popleft() 和 len() 方法可以被认为是原子的，而不是通过契约的保证，而是通过它们在 CPython 中的实现方式。请参阅bugs.python.org/issue15329#msg199368（例如，对双端队列进行迭代不是线程安全的）。

【参考方案1】：

Could anyone explain me what I did wrong here

是的，您的时间主要取决于创建列表或双端队列的时间。相比之下，做 pop 的时间是微不足道的。

相反，您应该将您要测试的东西（弹出速度）与设置时间隔离开来：

In [1]: from collections import deque

In [2]: s = list(range(1000))

In [3]: d = deque(s)

In [4]: s_append, s_pop = s.append, s.pop

In [5]: d_append, d_pop = d.append, d.pop

In [6]: %timeit s_pop(); s_append(None)
10000000 loops, best of 3: 115 ns per loop

In [7]: %timeit d_pop(); d_append(None)
10000000 loops, best of 3: 70.5 ns per loop

也就是说，deques 和 list 在性能方面的真正区别是：

对于 appendleft() 和 popleft()，Deques 的速度为 O(1)，而对于 insert(0)，列表的速度为 O(n) , value) 和 pop(0).

列表追加性能受到打击，因为它在后台使用 realloc()。结果，它在简单代码中往往具有过度乐观的时序（因为 realloc 不必移动数据），而在实际代码中的时序非常慢（因为碎片迫使 realloc 移动所有数据）。相比之下，双端队列追加性能是一致的，因为它从不重新分配，也从不移动数据。

【讨论】：

是的，它使用链表逻辑。更具体地说，它使用固定长度块的双向链表。

对列表使用realloc() 只是一种优化。每次调整列表大小时都会过度分配列表以保证 O(1) 摊销附加性能，即使每次调整大小时都必须复制数据。

@augurar realloc() 的使用不是优化，它是列表增长的核心。过度分配策略是优化——该策略减少了对 realloc() 的调用次数，但并没有消除它们。 realloc() 仍会定期调用。这会降低时序的可重复性并且难以解释，因为 realloc 性能会因数据是否必须被复制而有很大差异。

@augurar 你完全没有抓住重点。是的，有摊销的 O(1) 性能。然而，常数因子变化很大，因为底层操作有时便宜有时昂贵。

@zyxue 我会更新答案。对于 Python 2，range() 返回一个列表是正确的。

【参考方案2】：

物有所值：

python3

deque.pop 与 list.pop

>  python3 -mtimeit -s 'import collections' -s 'items = range(10000000); base = [*items]' -s 'c = collections.deque(base)' 'c.pop()'
5000000 loops, best of 5: 46.5 nsec per loop 
    
> python3 -mtimeit -s 'import collections' -s 'items = range(10000000); base = [*items]' 'base.pop()'
5000000 loops, best of 5: 55.1 nsec per loop

deque.appendleft 与 list.append

> python3 -mtimeit -s 'import collections' -s 'c = collections.deque()' 'c.appendleft(1)'
5000000 loops, best of 5: 52.1 nsec per loop

> python3 -mtimeit -s 'c = []' 'c.insert(0, 1)'
50000 loops, best of 5: 12.1 usec per loop

python2

> python -mtimeit -s 'import collections' -s 'c = collections.deque(xrange(1, 100000000))' 'c.pop()'
10000000 loops, best of 3: 0.11 usec per loop

> python -mtimeit -s 'c = range(1, 100000000)' 'c.pop()'
10000000 loops, best of 3: 0.174 usec per loop

> python -mtimeit -s 'import collections' -s 'c = collections.deque()' 'c.appendleft(1)'
10000000 loops, best of 3: 0.116 usec per loop

> python -mtimeit -s 'c = []' 'c.insert(0, 1)'
100000 loops, best of 3: 36.4 usec per loop

如您所见，它真正的亮点在于 appendleft 与 insert。

【参考方案3】：

我找到了解决这个问题的方法，并想提供一个带有一点背景的例子。 使用 Deque 的经典用例可能是在集合中旋转/移动元素，因为（正如其他人所提到的），两端的 push/pop 操作的复杂性非常好（O(1)），因为这些操作只是移动引用而不是列表，它必须在内存中物理移动对象。

所以这里有 2 个非常相似的左旋转函数实现：

def rotate_with_list(items, n):
    l = list(items)
    for _ in range(n):
        l.append(l.pop(0))
    return l

from collections import deque
def rotate_with_deque(items, n):
    d = deque(items)
    for _ in range(n):
        d.append(d.popleft())
    return d

注意：这是 deque 的常见用法，deque 有一个内置的 rotate 方法，但为了视觉比较，我在这里手动进行。

现在让我们%timeit。

In [1]: def rotate_with_list(items, n):
   ...:     l = list(items)
   ...:     for _ in range(n):
   ...:         l.append(l.pop(0))
   ...:     return l
   ...: 
   ...: from collections import deque
   ...: def rotate_with_deque(items, n):
   ...:     d = deque(items)
   ...:     for _ in range(n):
   ...:         d.append(d.popleft())
   ...:     return d
   ...: 

In [2]: items = range(100000)

In [3]: %timeit rotate_with_list(items, 800)
100 loops, best of 3: 17.8 ms per loop

In [4]: %timeit rotate_with_deque(items, 800)
The slowest run took 5.89 times longer than the fastest. This could mean that an intermediate result is being cached.
1000 loops, best of 3: 527 µs per loop

In [5]: %timeit rotate_with_list(items, 8000)
10 loops, best of 3: 174 ms per loop

In [6]: %timeit rotate_with_deque(items, 8000)
The slowest run took 8.99 times longer than the fastest. This could mean that an intermediate result is being cached.
1000 loops, best of 3: 1.1 ms per loop

In [7]: more_items = range(10000000)

In [8]: %timeit rotate_with_list(more_items, 800)
1 loop, best of 3: 4.59 s per loop

In [9]: %timeit rotate_with_deque(more_items, 800)
10 loops, best of 3: 109 ms per loop

非常有趣的是，这两种数据结构如何公开一个极其相似的接口，但性能却截然不同:)

【参考方案4】：

我建议你参考 https://wiki.python.org/moin/TimeComplexity

Python 列表和双端队列对于大多数操作（推送、弹出等）具有相似的复杂性

【讨论】：

但重要的是，not for popleft / .pop(0) / pop 中间，这是这个问题 试图 衡量的。