Python 中的字串駐留機制（String Interning）詳解：新手指南
更新日期： 2024 年 9 月 25 日
在 Python 編程中，字串 是一種被廣泛使用的資料類型。
為了提高效能和節省記憶體，Python 引入了 字串駐留機制（String Interning）。
這是一種用於管理不可變字串物件的技術，使相同的字串共享相同的記憶體空間。
對於剛開始學習 Python 的新手來說，理解字串駐留機制，有助於更深入地了解 Python 的內部運作和效能優化。
本文將詳細介紹 Python 中的字串駐留機制，包括其原理、應用和注意事項，並提供豐富的示例，幫助你在實際開發中靈活運用。
什麼是字串駐留機制？
定義
字串駐留機制 是 Python 將某些字串存儲在一個字串池（String Intern Pool） 中，以便重複使用相同值的字串時，不需要創建新的物件。
而是直接引用已存在的物件。這樣可以節省記憶體，並提高程式的執行效率。
為什麼需要字串駐留？
- 節省記憶體：避免創建大量內容相同的字串物件，減少記憶體佔用。
- 提高效率：相同字串引用同一物件，對於比較操作（如 is）更加高效。
- 快速比較：由於駐留的字串有相同的內存地址，使用 is 操作符可以快速判斷字串是否相同。
字串駐留的基本原理
不可變性
Python 中的字串是不可變的，這意味著字串一旦創建，就無法修改其內容。
這為字串駐留機制提供了基礎，因為不可變物件在多個地方引用時，不會引發數據一致性問題。
字串池（String Intern Pool）
Python 內部維護了一個字串池，用於存儲被駐留的字串。
當創建新的字串時，Python 會先檢查該字串是否已存在於字串池中。
如果存在，則直接引用池中的物件；如果不存在，則創建新物件並將其添加到字串池中。
哪些字串會被駐留？
簡單字串
- 短字串：一般來說，Python 對於長度為 0 或 1 的字串會自動駐留。
- 識別符：所有符合 Python 命名規則的字串（只包含字母、數字和下劃線，且不能以數字開頭）會被自動駐留。
示例：
a = "hello"
b = "hello"
print(a is b) # 輸出 True單字母字串和空字串
- 單字母字串：如 “a”、”b”，通常會被駐留。
- 空字串：
""也會被駐留。
範圍內的整數字串
- 數字字串：一些數字組成的字串，如 “1”、”2″，可能會被駐留。
哪些字串不會被自動駐留？
- 複雜字串：包含特殊字符、空格或較長的字串，通常不會被自動駐留。
- 動態生成的字串：通過運算或函數生成的字串，不會自動駐留。
示例：
a = "hello world"
b = "hello world"
print(a is b) # 通常輸出 False手動駐留字串
使用 sys.intern() 函數
Python 提供了 sys.intern() 函數，可以手動將字串加入到字串池中。
示例：
import sys
a = "hello world"
b = "hello world"
print(a is b) # 輸出 False
a_interned = sys.intern(a)
b_interned = sys.intern(b)
print(a_interned is b_interned) # 輸出 True為什麼需要手動駐留？
- 提高效率：在需要頻繁比較大量相同內容的字串時，手動駐留可以提高比較操作的效率。
- 節省記憶體：避免創建多個相同的字串物件。
實際應用示例
字串比較的效率
使用 == 進行值比較：
a = "python_programming"
b = "python_programming"
print(a == b) # 輸出 True使用 is 進行物件比較：
print(a is b) # 可能輸出 False，因為兩者可能不是同一個物件手動駐留後：
import sys
a = sys.intern("python_programming")
b = sys.intern("python_programming")
print(a is b) # 輸出 True，因為兩者引用同一個物件效率對比：
import time
# 準備大量相同的字串
a_list = ["string_value"] * 1000000
b_list = ["string_value"] * 1000000
# 使用 == 比較
start_time = time.time()
for a, b in zip(a_list, b_list):
if a == b:
pass
end_time = time.time()
print(f"使用 == 比較耗時：{end_time - start_time} 秒")
# 使用 is 比較（需要先駐留字串）
a_list = [sys.intern(s) for s in a_list]
b_list = [sys.intern(s) for s in b_list]
start_time = time.time()
for a, b in zip(a_list, b_list):
if a is b:
pass
end_time = time.time()
print(f"使用 is 比較耗時：{end_time - start_time} 秒")輸出：
使用 == 比較耗時：約 0.2 秒
使用 is 比較耗時：約 0.1 秒解釋：
- 使用 is 比較在字串已駐留的情況下，效率更高。
在字典中使用字串鍵
當使用字串作為字典的鍵時，駐留字串可以提高查找速度。
示例：
import sys
# 創建一個大字典
keys = [f"key_{i}" for i in range(100000)]
values = [i for i in range(100000)]
my_dict = dict(zip(keys, values))
# 查找前，駐留所有鍵
keys_interned = [sys.intern(key) for key in keys]
# 查找操作
search_key = sys.intern("key_99999")
print(my_dict.get(search_key)) # 輸出：99999注意事項
不要過度使用駐留
- 記憶體消耗：駐留的字串會一直保存在字串池中，直到程式結束，過多的駐留可能會增加記憶體消耗。
- 適度使用：僅在需要頻繁比較大量相同字串時，才考慮手動駐留。
is 與 == 的區別
- is 比較物件的身份（內存地址）。
- == 比較物件的值（內容）。
- 建議：除非確定需要比較物件的身份，否則應該使用 ==。
Python 版本差異
- 不同版本的 Python，字串駐留的策略可能有所不同，因此相同行為在不同版本中可能會得到不同的結果。
八、總結
- 字串駐留機制 是 Python 用於優化字串存儲和比較的一種技術。
- 自動駐留：Python 會自動駐留某些字串，如短字串、識別符等。
- 手動駐留：可以使用
sys.intern()函數手動駐留字串，提高比較效率。 - 注意事項：不要過度使用駐留，並理解
is和==的區別。