加速你的Python程序吧！利用deque进行高效的内存操作

小蓝 • 2024-12-14 02:15 • 编程

一、什么是deque？

deque是Python标准库collections中的一个模块，是双向队列（double-ended queue）的缩写。双向队列是一种具有队列和栈的性质的数据结构，可以在两端进行元素的插入和删除操作。deque比Python中内置的list容器在两端插入和删除元素有更好的性能表现。

    from collections import deque
    d = deque()
    d.appendleft(1)    # 在队列左边插入元素1
    d.appendleft(2)    # 在队列左边插入元素2
    d.append(3)        # 在队列右边插入元素3
    d.append(4)        # 在队列右边插入元素4
    print(d)           # deque([2, 1, 3, 4])
    print(d.pop())     # 弹出队列右边的元素4
    print(d.popleft()) # 弹出队列左边的元素2
    print(d)           # deque([1, 3])

二、优势在哪里？

deque的内部采用了双向链表（doubly-linked list）的数据结构，支持O(1)时间复杂度的元素插入和删除操作。相比之下，Python内置的list的内部结构是数组（array），在其左边插入或删除元素需要对整个数组进行移动，时间复杂度是O(n)。因此，在要求频繁的在list的头部或尾部进行插入和删除操作时，deque比list的性能会更好。

三、实例演示：deque加速程序运行

下面我们来看一个例子，比较使用deque和list插入和删除元素的时间差异：

    import timeit
    from collections import deque

    def insert_list():
        l = []
        for i in range(10000):
            l.insert(0, i)

    def insert_deque():
        d = deque()
        for i in range(10000):
            d.appendleft(i)

    print('list插入操作：', timeit.timeit('insert_list()', 'from __main__ import insert_list', number=100))
    print('deque插入操作：', timeit.timeit('insert_deque()', 'from __main__ import insert_deque', number=100))

    def delete_list():
        l = list(range(10000))
        for i in range(10000):
            l.pop(0)

    def delete_deque():
        d = deque(range(10000))
        for i in range(10000):
            d.popleft()

    print('list删除操作：', timeit.timeit('delete_list()', 'from __main__ import delete_list', number=100))
    print('deque删除操作：', timeit.timeit('delete_deque()', 'from __main__ import delete_deque', number=100))

结果显示，deque相比list要快得多。在插入操作上，deque的效率是list的132倍；在删除操作上，deque的效率是list的15倍。

四、使用deque进行多线程编程

在多线程编程中，线程的同步和互斥非常重要。deque可以作为线程安全的队列使用，支持线程安全的消费者生产者模式，实现同步和互斥。两个线程可以在同一个deque中生产和消费数据。使用锁可以确保多个线程没有冲突，访问队列的顺序是线程安全的，不会发生数据竞争。

    from collections import deque
    import threading
    import time

    cond = threading.Condition()
    deque_list = deque()

    class Producer(threading.Thread):
        def run(self):
            nums = range(5)
            global deque_list
            with cond:
                for num in nums:
                    deque_list.append(num)
                    print('Produced:', num)
                    time.sleep(1)
                    cond.notify()

    class Consumer(threading.Thread):
        def run(self):
            global deque_list
            with cond:
                while True:
                    if not deque_list:
                        print('Waiting for elements...')
                        cond.wait()
                        print('Notified for elements...')
                    num = deque_list.popleft()
                    print('Consumed:', num)
                    time.sleep(1)

    Producer().start()
    Consumer().start()

上述代码中，我们定义了一个条件锁cond和一个空deque列表deque_list。生产者和消费者各自占用一个线程，在生产数据时使用条件锁进行同步，检查deque_list是否为空，为空的话就调用wait()函数进行等待。在消费数据时也使用条件锁进行同步，当生产者把数据加到deque_list中后调用notify()函数进行通知，消费者能够继续取出数据进行消费。

五、结语

deque是Python标准库中一个强大的数据容器，在需要高效率地进行队列操作时，使用deque可以让程序快速运行。同时，deque作为线程安全的数据容器，可以帮助在多线程编程中实现同步和互斥，有效提高程序运行效率。

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