OrderedDict 是如何保证 Key 的插入顺序的？

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作者：oldPanda

来源：https://old-panda.com/2020/02/09/python-ordereddict

现象

根据哈希表的定义，以及之前简单实现过的一个字典数据结构，当 Key 被插入哈希表后，哈希表根据散列函数求出的值来安排这个 Key 所在的位置，所以当我们遍历哈希表的时候， Key 的顺序是不确定的，因此码农在使用哈希表这个数据结构的时候，是不应该依赖于 Key 的插入顺序来达到某些目的的。

但有的时候我们可能会对哈希表中 Key 的插入顺序感兴趣，这时有经验的 Python 工程师就会用 collections 中的 OrderedDict 来保持插入 Key 的顺序。

>>> d1 = {}
>>> d1['a'] = 1
>>> d1['b'] = 2
>>> d1['c'] = 3
>>> d1['d'] = 4
>>> d1['e'] = 5
>>> d1
{'b': 2, 'd': 4, 'c': 3, 'a': 1, 'e': 5}
>>> from collections import OrderedDict
>>> d2 = OrderedDict()
>>> d2['a'] = 1
>>> d2['b'] = 2
>>> d2['c'] = 3
>>> d2['d'] = 4
>>> d2['e'] = 5
>>> d2
OrderedDict([('a', 1), ('b', 2), ('c', 3), ('d', 4), ('e', 5)])
>>>

d1 是一个普通的字典实例，我们按照 abcde 的顺序插入 Key 之后，打印 d1 显示的是乱序的，这符合我们对哈希表的理解， d2 是一个 OrderedDict 实例，同样按 abcde 的顺序插入，从输出结果我们能看到它记忆了插入的顺序。那么问题来了，它是如何做到的？

原理

还是去源码中一探究竟，找到 Python 3 的 OrderedDict 实现。

不难发现，在继承 了自身的 dict 之后，类中还声明了一个循环双向链表 self.__root 作为自己的属性，用另一个 dict 结构 self.__map 来存储 Key 到链表节点的对应关系，这样在更新或删除一个已有 Key 的时候，能在常数时间内完成对双向链表的操作。

这几个数据结构的关系如下所示，注意 self.__root 总是指向双向链表的头部。

这样在遍历 OrderedDict 的时候，直接过一遍循环双向链表即可。

但类变得复杂了，相应的操作也会复杂起来，但上述的两种数据结构的结合，仍然能够做到对字典示例常数级操作。查询（ __getitem__ ）操作比较直观，可以通过调用父类的函数来完成。下面重点记录插入和删除操作是如何进行的。

插入

插入操作调用魔术方法 __setitem__ ，当 Key 存在时，直接调用父类函数，复杂的情况是当 Key 不存在的时候，不仅需要把键值对放到哈希表中，还要同步更新 self.__map 和 self.__root 。

1. 初始化新 Key 的链表节点

2. 找到双向链表的尾端，因为是循环链表，所以可以直接通过 self.__root.prev 得到

3. 将新的链表节点放到双向链表的尾端

4. 调用父类的插入函数处理新的键值对

删除

删除操作调用 __delitem__

1. 调用父类的删除函数删掉给定的 Key

2. 通过 self.__map 定位到将要删除的 Key 对应的链表节点

3. 从链表中将这个节点删除

显然，关于有顺序的哈希表，核心是对循环双向链表的操作，而链表的插入删除都是常数级操作，又用了一个 dict 来保证查询的常数级操作，所以既能记录 Key 插入的顺序，又能保证操作的时间复杂度。

但是。。。

在 Python 3.7 的发布中，官宣了 Python 原生的 dict 就能保证 Key 的插入顺序。

The insertion-order preservation nature of dict objects is now an official part of the Python language spec.

这是否就意味着 OrderedDict 变得多余了呢？StackOverflow 上有个讨论列出了 Python 3.7 中原生 dict 与 OrderedDict 的区别，主要有两条。

• OrderedDict 支持对 Key 的顺序有关的操作，比如说把某个 Key 挪到头部或者尾部，逆序给出 Key 的序列（这个特性在 Python 3.8 中加到了原生 dict 中）等

• OrderedDict 比较的时候会把 Key 的插入顺序考虑进去，而 dict 不会，比如说

>>> from collections import OrderedDict 
>>> OrderedDict([(1,1), (2,2)]) == OrderedDict([(2,2), (1,1)]) 
False 
>>> dict([(1,1), (2,2)]) == dict([(2,2), (1,1)]) 
True

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