Python 的字符串连接优化适用于大字符串吗？

如何在 Python 中高效地将一个字符串附加到另一个

在 Python 中，使用 ' ' 运算符连接字符串是一项常见任务。虽然以下代码很简单：

<code class="python">var1 = "foo"
var2 = "bar"
var3 = var1 + var2</code>

它引发了有关效率的问题，特别是对于大字符串或重复连接。

就地字符串扩展

幸运的是，CPython 实现了优化来提高字符串连接的效率。当仅存在对字符串的单个引用并且将另一个字符串附加到该字符串时，CPython 会尝试就地扩展原始字符串。此优化使操作摊销为 O(n)。

例如，以下代码曾经是 O(n^2)：

<code class="python">s = ""
for i in range(n):
    s += str(i)</code>

但是，通过优化，现在它运行时间为 O(n)。

Python 实现细节

以下是 Python C 源代码的摘录，说明了优化：

<code class="c">int
_PyBytes_Resize(PyObject **pv, Py_ssize_t newsize)
{
    /* ... */
    *pv = (PyObject *)
        PyObject_REALLOC((char *)v, PyBytesObject_SIZE + newsize);
    if (*pv == NULL) {
        PyObject_Del(v);
        PyErr_NoMemory();
        return -1;
    }
    _Py_NewReference(*pv);
    sv = (PyBytesObject *) *pv;
    Py_SIZE(sv) = newsize;
    sv->ob_sval[newsize] = '<pre class="brush:php;toolbar:false"><code class="python">import timeit

s = ""
for i in range(10):
    s += 'a'

# Time the concatenation of 10 'a' characters
t1 = timeit.timeit(stmt="""s = ""
for i in range(10):
    s += 'a'""", globals=globals(), number=1000000)

# Time the concatenation of 100 'a' characters
t2 = timeit.timeit(stmt="""s = ""
for i in range(100):
    s += 'a'""", globals=globals(), number=100000)

# Time the concatenation of 1000 'a' characters
t3 = timeit.timeit(stmt="""s = ""
for i in range(1000):
    s += 'a'""", globals=globals(), number=10000)

print("10 'a':", t1)
print("100 'a':", t2)
print("1000 'a':", t3)</code>

'; sv->ob_shash = -1; /* invalidate cached hash value */ return 0; }

此函数允许调整字符串对象的大小，但前提是只有一个对该字符串对象的引用。更改字符串的大小，同时保留原始内存位置。

注意

需要注意的是，这种优化不是 Python 规范的一部分。它仅在 CPython 解释器中实现。其他 Python 实现，例如 PyPy 或 Jython，可能会表现出不同的性能特征。

实证测试

根据经验，优化在以下代码的性能中很明显：

结果显示，随着连接数量的增加，执行时间显着增加，表明优化不适用于较大的字符串。

结论

虽然 Python 的就地字符串扩展优化在某些场景下极大地提高了字符串连接的效率，但了解这种实现的局限性至关重要。对于大型字符串或当内存管理考虑因素至关重要时，可能需要字符串操作的替代方法才能实现最佳性能。

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