Python 存储字符串时节省空间的方法
从 Python 3 开始,str 类型代表着 Unicode 字符串。取决于编码的类型,一个 Unicode 字符可能会占 4 个字节,这个有些时候有点浪费内存。
出于内存占用以及性能方面的考虑,Python 内部采用下面 3 种方式来存储 Unicode 字符:
- 一个字符占一个字节(Latin-1 编码)
- 一个字符占二个字节(UCS-2 编码)
- 一个字符占四个字节(UCS-4 编码)
使用 Python 进行开发的时候,我们会觉得字符串的处理都很类似,很多时候根本不需要注意这些差别。可是,当碰到大量的字符处理的时候,这些细节就要特别注意了。
我们可以做一些小实验来体会下上面三种方式的差别。方法 sys.getsizeof 用来获取一个对象所占用的字节,这里我们会用到。
>>> import sys >>> string = 'hello' >>> sys.getsizeof(string) 54 >>> # 1-byte encoding ... sys.getsizeof(string + '!') - sys.getsizeof(string) 1 >>> # 2-byte encoding ... string2 = '你' >>> sys.getsizeof(string2 + '好') - sys.getsizeof(string2) 2 >>> sys.getsizeof(string2) 76 >>> # 4-byte encoding ... string3 = ':snake:' >>> sys.getsizeof(string3 + ':computer:') - sys.getsizeof(string3) 4 >>> sys.getsizeof(string3) 80
如上所示,当字符串的内容不同时,所采用的编码也会不同。需要注意的是,Python 中每个字符串都会另外占用 49-80 字节的空间,用于存储额外的一些信息,比如哈希、字符串长度、字符串字节数和字符串标识。这么一来,一个空字符串会占用 49 个字节,也就好理解了。
我们可以通过 cbytes 直接获取一个对象的编码类型:
import ctypes class PyUnicodeObject(ctypes.Structure): # internal fields of the string object _fields_ = [("ob_refcnt", ctypes.c_long), ("ob_type", ctypes.c_void_p), ("length", ctypes.c_ssize_t), ("hash", ctypes.c_ssize_t), ("interned", ctypes.c_uint, 2), ("kind", ctypes.c_uint, 3), ("compact", ctypes.c_uint, 1), ("ascii", ctypes.c_uint, 1), ("ready", ctypes.c_uint, 1), # ... # ... ] def get_string_kind(string): return PyUnicodeObject.from_address(id(string)).kind
然后测试
>>> get_string_kind('Hello') 1 >>> get_string_kind('你好') 2 >>> get_string_kind(':snake:') 4
如果一个字符串中的所有字符都能用 ASCII 表示,那么 Python 会使用 Latin-1 编码。简单说下,Latin-1 用于表示前 256 个 Unicode 字符。它能支持很多拉丁语言,比如英语、瑞典语、意大利语等。不过,如果是汉语、日语、西伯尔语等非拉丁语言,Latin-1 编码就行不通了。因为这些语言的文字的码位值(编码值)超过了 1 个字节的范围(0-255)。
>>> ord('a') 97 >>> ord('你') 20320 >>> ord('!') 33
大部分语言文字使用 2 个字节(UCS-2)来编码就已经足够了。4 个字节(UCS-4)的编码在保存特殊符号、emoji 表情或者少见的语言文字的时候会用到。
设想有一个 10GB 的 ASCII 文本文件,我们准备将其读到内存里面去。如果你插入一个 emoji 表情到文件中,文件占用空间将会达到 4 倍。如果你处理 NLP 问题较多的话,这种差别你应该能经常体会到。
Python 内部为什么不直接使用 UTF-8 编码
最常见的 Unicode 编码是 UTF-8,但是 Python 内部并没有使用它。
UTF-8 编码字符的时候,取决于字符的内容,占的空间在 1-4 个字节内发生变化。这是一种特别省空间的存储方式,但正因为这种变长的存储方式,导致字符串不能通过下标直接进行随机读取,只能遍历进行查找。比如,如果采用的是 UTF-8 编码的话,Python 获取 string[5] 只能一个一个字符的进行扫描,直至找到目标字符。如果是定长编码的话也就没有问题了,要用一个下标定位一个字符,只需要用下标乘以指定长度(1、2 或者 4)就能确定。
字符串驻留
Python 中的空字符串和 ASCII 字符都会使用到字符串驻留(string interning)技术。怎么理解?你就把这些字符(串)看作是单例的就行。也就是说,两个相同内容的字符串如果使用了驻留的技术,那么内存里面其实就只开辟了一个空间。
>>> a = 'hello' >>> b = 'world' >>> a[4],b[1] ('o', 'o') >>> id(a[4]), id(b[1]), a[4] is b[1] (4567926352, 4567926352, True) >>> id('') 4545673904 >>> id('') 4545673904
正如你看到的那样,a 中的字符 o 和 b 中的字符 o 有着同样的内存地址。Python 中的字符串是不可修改的,所以提前为某些字符分配好位置便于后面使用也是可行的。
使用到字符串驻留的除了 ASCII 字符、空窜之外,字符长度不超过 20 的串也使用到了同样的技术,前提是这些串的内容在编译的时候就能确定。
这包括:
- 方法名、类型
- 变量名
- 参数名
- 常量(代码中定义的字符串)
- 字典的键
- 属性名
当你在交互式命令行中编写代码的时候,语句同样也会先被编译成字节码。所以说,交互式命令行中的短字符串也会被驻留。
>>> a = 'teststring' >>> b = 'teststring' >>> id(a), id(b), a is b (4569487216, 4569487216, True) >>> a = 'test'*5 >>> b = 'test'*5 >>> len(a), id(a), id(b), a is b (20, 4569499232, 4569499232, True) >>> a = 'test'*6 >>> b = 'test'*6 >>> len(a), id(a), id(b), a is b (24, 4569479328, 4569479168, False)
因为必须是常量字符串会使用到驻留,所以下面的例子不能达到驻留的效果:
>>> open('test.txt','w').write('hello') 5 >>> open('test.txt','r').read() 'hello' >>> a = open('test.txt','r').read() >>> b = open('test.txt','r').read() >>> id(a), id(b), a is b (4384934576, 4384934688, False) >>> len(a), id(a), id(b), a is b (5, 4384934576, 4384934688, False)
字符串驻留技术,减少了大量的重复字符串的内存分配。Python 底层通过字典实现的这种技术,这些暂存的字符串作为字典的键。如果想要知道某个字符串是否已经驻留,使用字典的查找操作就能确定。
Python 的 unicode 对象的实现( https://github.com/python/cpython/blob/master/Objects/unicodeobject.c )大约有 16,000 行 C 代码,其中有很多小优化在本文中未提及。如果你想更多的了解 Python 中的 Unicode,推荐你去看一下字符串相关的 PEPs( https://www.python.org/dev/peps/ ),同时查看下 unicode 对象的源码。
总结
以上所述是小编给大家介绍的Python 存储字符串时节省空间的方法,希望对大家有所帮助,如果大家有任何疑问请给我留言,小编会及时回复大家的。在此也非常感谢大家对我们网站的支持!
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