Python 中几种判断子串存在的性能比较及分析

起步

对于子串搜索，Python提供了多种实现方式: in
, find
, index
, __contains__
，对其进行性能比较:

import timeit

def in_(s, other):
    return other in s

def contains(s, other):
    return s.__contains__(other)

def find(s, other):
    return s.find(other) != -1

def index(s, other):
    try:
        s.index(other)
    except ValueError:
        return False
    return True

perf_dict = {
    'in:True': min(timeit.repeat(lambda: in_('superstring', 'str'))),
    'in:False': min(timeit.repeat(lambda: in_('superstring', 'not'))),
    '__contains__:True': min(timeit.repeat(lambda: contains('superstring', 'str'))),
    '__contains__:False': min(timeit.repeat(lambda: contains('superstring', 'not'))),
    'find:True': min(timeit.repeat(lambda: find('superstring', 'str'))),
    'find:False': min(timeit.repeat(lambda: find('superstring', 'not'))),
    'index:True': min(timeit.repeat(lambda: index('superstring', 'str'))),
    'index:False': min(timeit.repeat(lambda: index('superstring', 'not'))),
}

print(perf_dict)

得到结果:

{
    'in:True': 0.2763608000000001, 
    'in:False': 0.2794432, 
    '__contains__:True': 0.40546490000000013, 
    '__contains__:False': 0.4122471000000001, 
    'find:True': 0.497128, 
    'find:False': 0.4951530000000002, 
    'index:True': 0.5243821999999998, 
    'index:False': 0.8693923999999988
}

从结果上 in
的搜索方式性能上最好。
知其然也要之其所以然，下面就对于这个结果进行比较与分析。

in
与 __contains__
比较

了解 Python 中协议的应该知道， in
操作其实也是调用 __contains__
，但为什么 in
比 __contains__
明显快了很多，明明它们最终调用的C语言函数是一样的。

在 CPython 中， in
属于操作符，它直接指向了 sq_contains
中的C级函数指针，而在 str
中的 sq_contains
直接指向了最终调用的C层函数。而 __contains__
的调用方式，则需要先在 str
属性中进行 LOAD_ATTR
查找，然后再为 CALL_FUNCTION
创建函数调用所需的空间。

也就是说， in
直接指向了最终的C层函数，一步到位，也不走Python虚拟机的函数调用，而 __contains__
调用方式先属性查找和Python函数调用的开销；所以 str.__contains__(other)
的形式要慢得多。

一般来说， in
方式更快只使用 Python 内置的C实现的类。对于用户自定义类，因为最终调用都是Python级的，所以两种方式都要对函数调用所需的空间的。

find
与 index
的比较

find
与 index
的查找方式的区别仅仅只是 index
在子串不存在时会抛出异常。从源码来看:

static PyObject *
unicode_find(PyObject *self, PyObject *args)
{
    /* initialize variables to prevent gcc warning */
    PyObject *substring = NULL;
    Py_ssize_t start = 0;
    Py_ssize_t end = 0;
    Py_ssize_t result;

    if (!parse_args_finds_unicode("find", args, &substring, &start, &end))
        return NULL;

    if (PyUnicode_READY(self) == -1)
        return NULL;

    result = any_find_slice(self, substring, start, end, 1);

    if (result == -2)
        return NULL;

    return PyLong_FromSsize_t(result);
}

static PyObject *
unicode_index(PyObject *self, PyObject *args)
{
    /* initialize variables to prevent gcc warning */
    Py_ssize_t result;
    PyObject *substring = NULL;
    Py_ssize_t start = 0;
    Py_ssize_t end = 0;

    if (!parse_args_finds_unicode("index", args, &substring, &start, &end))
        return NULL;

    if (PyUnicode_READY(self) == -1)
        return NULL;

    result = any_find_slice(self, substring, start, end, 1);

    if (result == -2)
        return NULL;

    if (result < 0) {
        PyErr_SetString(PyExc_ValueError, "substring not found");
        return NULL;
    }

    return PyLong_FromSsize_t(result);
}

实现方式基本相同，所以在子串存在的时候，两者的性能一致；而当子串不存在时， index
会设置异常，因此涉及异常栈的空间等异常机制，速度上也就慢了一些。