Python SortedContainers 库详解：高效有序容器实现

Python SortedContainers 库详解：高效有序容器实现

【免费下载链接】python-sortedcontainers Python Sorted Container Types: Sorted List, Sorted Dict, and Sorted Set 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/py/python-sortedcontainers

概述

Python SortedContainers 是一个纯 Python 实现的高性能有序容器库，提供了 SortedList、SortedDict 和 SortedSet 三种主要数据结构。这些数据结构在保持元素有序的同时，提供了高效的插入、删除和查找操作，其性能可与基于 C 扩展的实现相媲美。

安装指南

安装 SortedContainers 非常简单，推荐使用 pip 工具：

python3 -m pip install sortedcontainers

对于使用 pipenv 的用户：

pipenv install sortedcontainers

安装完成后，即可在 Python 代码中导入并使用：

from sortedcontainers import SortedList, SortedDict, SortedSet

SortedList 详解

基本特性

SortedList 是一个保持元素有序的可变序列，具有以下特点：

1. 自动维护元素升序排列
2. 支持重复元素
3. 提供快速随机访问
4. 时间复杂度：插入和删除操作为 O(log n)，查找操作为 O(1)

基本操作

from sortedcontainers import SortedList

# 创建空列表
sl = SortedList()

# 添加元素
sl.update([5, 1, 3, 4, 2])  # 批量添加
sl.add(0)  # 单个添加

print(sl)  # 输出: SortedList([0, 1, 2, 3, 4, 5])

删除操作

sl.remove(0)  # 按值删除，值不存在会抛出 ValueError
sl.discard(1)  # 按值删除，值不存在不会报错
sl.pop()  # 删除并返回最后一个元素
del sl[1]  # 按索引删除
sl.clear()  # 清空列表

查找操作

sl = SortedList('abbcccddddeeeee')

# 成员检查
print('f' in sl)  # False

# 计数
print(sl.count('e'))  # 5

# 查找索引
print(sl.index('c'))  # 3

# 二分查找
print(sl.bisect_left('d'))  # 6
print(sl.bisect_right('d'))  # 10

# 切片操作
print(sl[6:10])  # ['d', 'd', 'd', 'd']

迭代操作

sl = SortedList('acegi')

# 正向迭代
print(list(iter(sl)))  # ['a', 'c', 'e', 'g', 'i']

# 反向迭代
print(list(reversed(sl)))  # ['i', 'g', 'e', 'c', 'a']

# 范围迭代
print(list(sl.irange('b', 'h')))  # ['c', 'e', 'g']

# 索引迭代
print(list(sl.islice(1, 4)))  # ['c', 'e', 'g']

SortedKeyList 详解

SortedKeyList 是 SortedList 的变体，允许通过 key 函数自定义排序规则。

from operator import neg
from sortedcontainers import SortedKeyList

# 使用 key 函数创建
skl = SortedKeyList(key=neg)  # 使用负值排序
skl.update([1, 2, 3, 4, 5])
print(skl)  # SortedKeyList([5, 4, 3, 2, 1], key=<built-in function neg>)

# 也可以从 SortedList 创建
values = SortedList([1, 2, 3, 4, 5], key=neg)

特殊方法

# 基于 key 的二分查找
print(skl.bisect_key_left(-4.5))  # 1
print(skl.bisect_key_right(-1.5))  # 4

# 基于 key 的范围迭代
print(list(skl.irange_key(-4.5, -1.5)))  # [4, 3, 2]

使用注意事项

使用 SortedContainers 时需要注意以下三点：

1. 全序关系：比较值或键必须具有全序关系
2. 不可变性：比较值或键在存储在容器中时不能改变
3. 键一致性：如果使用 key 函数，相等的值必须具有相等的键

常见错误示例

class Record:
    def __init__(self, name, rank):
        self.name = name
        self.rank = rank
    def __eq__(self, other):
        return self.name == other.name

# 错误用法：相等的值具有不同的键
alice1 = Record('alice', 1)
bob2 = Record('bob', 2)
carol3 = Record('carol', 3)
sl = SortedList([alice1, bob2, carol3], key=lambda r: r.rank)

bob4 = Record('bob', 4)
print(bob2 == bob4)  # True
print(bob4 in sl)  # False，这是错误的

正确实现方式

class Record:
    def __init__(self, name, rank):
        self.name = name
        self.rank = rank
    def _cmp_key(self):
        return (self.rank, self.name)
    def __eq__(self, other):
        return self._cmp_key() == other._cmp_key()
    def __lt__(self, other):
        return self._cmp_key() < other._cmp_key()

性能特点

SortedContainers 通过以下技术实现高性能：

1. 使用多级列表结构（类似跳表）
2. 纯 Python 实现，无需 C 扩展
3. 优化的算法实现
4. 内存效率高

其性能与基于 C 扩展的实现相当，在某些场景下甚至更优。

总结

Python SortedContainers 提供了一组高效、易用的有序容器类型，适合需要维护有序数据的各种场景。通过合理使用 SortedList、SortedDict 和 SortedSet，可以简化代码并提高性能。使用时需要注意全序关系和键一致性的要求，避免常见错误。

对于需要自定义排序规则的场景，SortedKeyList 提供了灵活的解决方案。该库是纯 Python 实现，具有良好的可移植性和兼容性，是处理有序数据结构的理想选择。

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