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Python 列表 insert() 方法详解

Python 列表 (list) 是一种非常灵活的数据结构，它允许我们存储一系列有序的、可变的数据项。在处理列表时，我们经常需要向其中添加元素。除了 append() 方法可以在列表末尾添加元素外，Python 还提供了 insert() 方法，允许我们在列表的任意指定位置插入元素。

本文将深入探讨 insert() 方法的用法、行为、注意事项以及与其它添加元素方法的区别。

1. insert() 方法的定义与语法

insert() 方法用于在列表的指定索引位置插入一个元素。

语法:

python
list.insert(index, object)

参数说明:

• index: 必需参数，表示要插入元素的位置。它是一个整数，可以是正数、零或负数。
  • 如果 index 为 0，元素将插入到列表的开头。
  • 如果 index 是一个正数，元素将插入到该索引位置的前面。
  • 如果 index 超过了列表的长度，元素将被添加到列表的末尾（等同于 append()）。
  • 如果 index 是一个负数，它会从列表的末尾开始计数。例如，-1 表示倒数第一个位置（即在最后一个元素之前），-len(list) 表示列表的开头。
  • 如果负数索引的绝对值超过了列表的长度，元素也将被添加到列表的开头。
• object: 必需参数，表示要插入到列表中的元素。可以是任何数据类型（整数、浮点数、字符串、布尔值、甚至是另一个列表等）。

返回值:

insert() 方法没有返回值（它返回 None）。它会直接修改原始列表，是一个“in-place”操作。

2. insert() 方法的工作原理

当使用 insert(index, object) 时，Python 会执行以下操作：

1. 将 index 指定位置及其之后的所有元素向右移动一位。
2. 将 object 插入到 index 指定的新空位上。

这会增加列表的长度。

3. 使用示例

示例 1: 在列表开头插入元素

“`python
my_list = [2, 3, 4]
print(f”原始列表: {my_list}”)

my_list.insert(0, 1)
print(f”在索引 0 处插入 1: {my_list}”) # 输出: [1, 2, 3, 4]
“`

示例 2: 在列表中间插入元素

“`python
my_list = [‘apple’, ‘banana’, ‘grape’]
print(f”原始列表: {my_list}”)

my_list.insert(1, ‘orange’)
print(f”在索引 1 处插入 ‘orange’: {my_list}”) # 输出: [‘apple’, ‘orange’, ‘banana’, ‘grape’]
“`

示例 3: 在列表末尾插入元素 (索引超出范围)

如果指定的 index 值大于或等于列表的当前长度，insert() 会将元素添加到列表的末尾。

“`python
my_list = [10, 20, 30]
print(f”原始列表: {my_list}”)

my_list.insert(3, 40) # 索引 3 等于当前长度
print(f”在索引 3 处插入 40: {my_list}”) # 输出: [10, 20, 30, 40]

my_list.insert(100, 50) # 索引 100 远大于当前长度
print(f”在索引 100 处插入 50: {my_list}”) # 输出: [10, 20, 30, 40, 50]
“`

示例 4: 使用负数索引插入元素

负数索引从列表末尾开始计数。-1 表示最后一个元素之前的位置，-2 表示倒数第二个元素之前的位置，以此类推。

“`python
my_list = [‘a’, ‘b’, ‘c’, ‘d’]
print(f”原始列表: {my_list}”)

my_list.insert(-1, ‘x’) # 在倒数第一个元素 ‘d’ 之前插入 ‘x’
print(f”在索引 -1 处插入 ‘x’: {my_list}”) # 输出: [‘a’, ‘b’, ‘c’, ‘x’, ‘d’]

my_list.insert(-len(my_list), ‘z’) # 在列表开头插入 ‘z’，等同于 insert(0, ‘z’)
print(f”在索引 -len(my_list) 处插入 ‘z’: {my_list}”) # 输出: [‘z’, ‘a’, ‘b’, ‘c’, ‘x’, ‘d’]

如果负数索引的绝对值超过了列表的长度，元素将被添加到列表的开头

my_list = [1, 2]
my_list.insert(-100, 0)
print(f”在索引 -100 处插入 0: {my_list}”) # 输出: [0, 1, 2]
“`

4. 性能考量

insert() 方法的时间复杂度是 O(n)，其中 n 是列表的长度。这是因为在指定位置插入元素时，Python 可能需要将该位置之后的所有元素都向后移动一位。对于大型列表，在列表开头或中间频繁使用 insert() 方法可能会导致性能下降。

相比之下，append() 方法（在列表末尾添加元素）的平均时间复杂度是 O(1)。

5. 与其他添加元素方法的比较

• append(object):
  • 总是在列表的末尾添加单个元素。
  • 时间复杂度通常为 O(1)（平均情况）。
  • 适用于快速向列表尾部添加元素。
• extend(iterable):
  • 在列表的末尾添加一个可迭代对象（如另一个列表、元组、字符串）中的所有元素。
  • 时间复杂度取决于可迭代对象的长度。
  • 适用于将一个集合的所有元素合并到现有列表的末尾。
• 列表切片赋值 list[index:index] = iterable:
  • 可以在列表的任意位置插入一个可迭代对象中的所有元素。
  • 语法: my_list[index:index] = [element1, element2]
  • 与 insert() 类似，也涉及元素的移动，因此时间复杂度也是 O(n)。
  • 例如：
    python
my_list = [1, 2, 5]
my_list[2:2] = [3, 4]
print(my_list) # 输出: [1, 2, 3, 4, 5]

6. 总结

insert() 方法是 Python 列表中一个非常有用的功能，它提供了在任意指定位置添加元素的精确控制。然而，考虑到其 O(n) 的时间复杂度，在对性能要求较高的场景下，尤其是在列表开头或中间频繁插入大量元素时，应谨慎使用。对于只需要在列表末尾添加元素的情况，append() 方法通常是更高效的选择。理解 insert() 的工作原理和性能特性，有助于我们更有效地编写 Python 代码。

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