【Python】リスト初期化の最速手法を徹底比較！for・while・内包表記・*演算子の速度差とは

Pythonは非常に柔軟な言語であり、同じタスクでも複数の方法で実装できます。その代表例がリストの初期化です。しかし、一見似ているように見えるこれらの方法には、パフォーマンス面で微妙な違いがあります。

シンプルさと可読性で人気を集めるPythonですが、C++やJavaと比較すると処理速度が遅いことでも知られています。特に「for」ループは低速なことで有名で、一方でmap()やfilter()などの組み込みメソッドはC言語で実装されているため、高速に動作することで知られています。

検証コードの例

以下のコードでは、「forループ」「whileループ」「リスト内包表記」「*演算子」の4つの方法を使って10,000要素のリストを初期化し、それぞれの所要時間を500回測定して平均値を算出しています。

# 時間計測用にtimeモジュールをインポート
import time
# 計測結果を保存するためのリストを初期化
forLoopTime = []
whileLoopTime = []
listComprehensionTime = []
starOperatorTime = []
# 処理を500回繰り返し、所要時間の平均を算出する
for k in range(500):
   # 開始時刻
   start = time.time()
   # 空のリストを宣言
   a = []
   # forループを10000回実行
   for i in range(10000):
      a.append(0)
   # 終了時刻
   stop = time.time()
   forLoopTime.append(stop-start)
   # 開始時刻
   start = time.time()
   # 空のリストを宣言
   a = []
   i = 0
   # whileループを10000回実行
   while(i<10000):
      a.append(0)
      i+= 1
   stop = time.time()
   whileLoopTime.append(stop-start)
   start = time.time()
   # リスト内包表記でリストを初期化
   a = [0 for i in range(10000)]
   stop = time.time()
   listComprehensionTime.append(stop-start)
   start = time.time()
   # *演算子を使用
   a = [0]*10000
   stop = time.time()
   starOperatorTime.append(stop-start)
print("Average time taken by for loop: " + str(sum(forLoopTime)/100))
print("Average time taken by while loop: " + str(sum(whileLoopTime)/100))
print("Average time taken by list comprehensions: " + str(sum(listComprehensionTime)/100))
print("Average time taken by * operator: " + str(sum(starOperatorTime)/100))   

実行結果

Average time taken by for loop: 0.00623725175858
Average time taken by while loop: 0.00887670278549
Average time taken by list comprehensions: 0.00318484544754
Average time taken by * operator: 0.000371544361115

結果の考察

測定結果から、各手法の性能差について以下のことが分かります。

• *演算子が圧倒的に最速： [0]*10000 のような書き方は、Cレベルでまとめてメモリを確保し要素をコピーするため、他の手法より約10倍以上高速です。
• リスト内包表記が2番目に速い： forループよりも内部で最適化されており、append()メソッドを都度呼び出すオーバーヘッドが発生しないためです。
• whileループが最も遅い： ループごとの条件判定とカウンタ変数の更新コストが上乗せされるためです。

このように、大量の同一要素でリストを初期化する場合は*演算子を、計算や条件を伴う初期化を行う場合はリスト内包表記を使うのが、Pythonにおける効率的な書き方と言えます。