面试题：Python 中不同方式向列表添加元素的性能对比

Question

在Python中，有 append()、extend()、+ 运算符等方式向列表添加元素，请分别阐述这些方式的原理，并说明在何种场景下哪种方式性能更优，举例说明。

Answer 1

append() 原理

append() 方法用于在列表的末尾添加一个新的元素。它直接修改原始列表对象，将传入的对象作为一个整体添加到列表的末尾。其时间复杂度为 O(1)，因为在列表末尾添加元素不需要移动其他元素，只涉及到在内存中追加一个对象引用。

extend() 原理

extend() 方法用于将一个可迭代对象（如列表、元组、集合等）的所有元素添加到另一个列表的末尾。它会迭代传入的可迭代对象，并逐个将元素添加到原始列表中。时间复杂度为 O(k)，其中 k 是可迭代对象的长度，因为需要遍历可迭代对象的每个元素并添加到列表。

+ 运算符原理

使用 + 运算符连接两个列表时，会创建一个新的列表对象，该新列表包含了两个操作数列表的所有元素。它不会修改原始的列表对象。时间复杂度为 O(m + n)，其中 m 和 n 分别是两个操作数列表的长度，因为需要创建一个新列表并复制两个列表的所有元素。

性能场景分析

1. 单个元素添加：当需要添加单个元素时，append() 性能最优。因为 extend() 需要将单个元素先转换为可迭代对象，+ 运算符会创建新列表。例如：

my_list = []
# 使用 append() 添加单个元素
import timeit
print(timeit.timeit(lambda: my_list.append(1), number = 10000)) 

2. 添加多个元素：如果要添加多个元素，extend() 性能通常优于 + 运算符和多次调用 append()。因为 + 运算符创建新列表开销大，多次 append() 每次都有 O(1) 操作，整体开销也较大。例如：

my_list = []
new_elements = [1, 2, 3, 4, 5]
# 使用 extend() 添加多个元素
import timeit
print(timeit.timeit(lambda: my_list.extend(new_elements), number = 10000)) 

3. 连接两个列表：如果只是想连接两个列表，且不关心是否修改原始列表，+ 运算符语法简洁，但性能不如 extend()。例如：

list1 = [1, 2, 3]
list2 = [4, 5, 6]
# 使用 + 运算符连接列表
import timeit
print(timeit.timeit(lambda: list1 + list2, number = 10000)) 

在需要修改原始列表且添加多个元素时，extend() 性能更好；添加单个元素用 append()；只是想连接列表且不介意创建新列表，+ 运算符简洁，但性能稍逊。