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comments: true
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# 列表
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**由于长度不可变,数组的实用性大大降低。** 在很多情况下,我们事先并不知道会输入多少数据,这就为数组长度的选择带来了很大困难。长度选小了,需要在添加数据中频繁地扩容数组;长度选大了,又造成内存空间的浪费。
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为了解决此问题,诞生了一种被称为「列表 List」的数据结构。列表可以被理解为长度可变的数组,因此也常被称为「动态数组 Dynamic Array」。列表基于数组实现,继承了数组的优点,同时还可以在程序运行中实时扩容。在列表中,我们可以自由地添加元素,而不用担心超过容量限制。
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## 列表常用操作
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**初始化列表。** 我们通常使用 `Integer[]` 包装类和 `Arrays.asList()` 作为中转,来初始化一个带有初始值的列表。
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=== "Java"
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```java title="list.java"
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/* 初始化列表 */
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// 注意数组的元素类型是 int[] 的包装类 Integer[]
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Integer[] numbers = new Integer[] { 1, 3, 2, 5, 4 };
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List<Integer> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(numbers));
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```
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=== "C++"
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```cpp title="list.cpp"
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```
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=== "Python"
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```python title="list.py"
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```
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**访问与更新元素。** 列表的底层数据结构是数组,因此可以在 $O(1)$ 时间内访问与更新元素,效率很高。
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=== "Java"
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```java title="list.java"
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/* 访问元素 */
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int num = list.get(1); // 访问索引 1 处的元素
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/* 更新元素 */
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list.set(1, 0); // 将索引 1 处的元素更新为 0
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```
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=== "C++"
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```cpp title="list.cpp"
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```
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=== "Python"
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```python title="list.py"
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```
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**在列表中添加、插入、删除元素。** 相对于数组,列表可以自由地添加与删除元素。在列表尾部添加元素的时间复杂度为 $O(1)$ ,但是插入与删除元素的效率仍与数组一样低,时间复杂度为 $O(N)$ 。
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=== "Java"
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```java title="list.java"
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/* 清空列表 */
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list.clear();
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/* 尾部添加元素 */
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list.add(1);
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list.add(3);
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list.add(2);
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list.add(5);
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list.add(4);
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/* 中间插入元素 */
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list.add(3, 6); // 在索引 3 处插入数字 6
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/* 删除元素 */
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list.remove(3); // 删除索引 3 处的元素
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```
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=== "C++"
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```cpp title="list.cpp"
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```
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=== "Python"
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```python title="list.py"
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```
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**遍历列表。** 与数组一样,列表可以使用索引遍历,也可以使用 `for-each` 直接遍历。
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=== "Java"
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```java title="list.java"
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/* 通过索引遍历列表 */
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int count = 0;
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for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
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count++;
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}
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/* 直接遍历列表元素 */
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count = 0;
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for (int n : list) {
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count++;
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}
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```
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=== "C++"
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```cpp title="list.cpp"
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```
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=== "Python"
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```python title="list.py"
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```
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**拼接两个列表。** 再创建一个新列表 `list1` ,我们可以将其中一个列表拼接到另一个的尾部。
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=== "Java"
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```java title="list.java"
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/* 拼接两个列表 */
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List<Integer> list1 = new ArrayList<>(Arrays.asList(new Integer[] { 6, 8, 7, 10, 9 }));
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list.addAll(list1); // 将列表 list1 拼接到 list 之后
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```
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=== "C++"
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```cpp title="list.cpp"
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```
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=== "Python"
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```python title="list.py"
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```
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**排序列表。** 排序也是常用的方法之一,完成列表排序后,我们就可以使用在数组类算法题中经常考察的「二分查找」和「双指针」算法了。
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=== "Java"
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```java title="list.java"
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/* 排序列表 */
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Collections.sort(list); // 排序后,列表元素从小到大排列
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```
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=== "C++"
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```cpp title="list.cpp"
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```
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=== "Python"
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```python title="list.py"
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```
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## 列表简易实现 *
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为了帮助加深对列表的理解,我们在此提供一个列表的简易版本的实现。需要关注三个核心点:
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- **初始容量:** 选取一个合理的数组的初始容量 `initialCapacity` 。在本示例中,我们选择 10 作为初始容量。
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- **数量记录:** 需要声明一个变量 `size` ,用来记录列表当前有多少个元素,并随着元素插入与删除实时更新。根据此变量,可以定位列表的尾部,以及判断是否需要扩容。
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- **扩容机制:** 插入元素有可能导致超出列表容量,此时需要扩容列表,方法是建立一个更大的数组来替换当前数组。需要给定一个扩容倍数 `extendRatio` ,在本示例中,我们规定每次将数组扩容至之前的 2 倍。
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本示例是为了帮助读者对如何实现列表产生直观的认识。实际编程语言中,列表的实现远比以下代码复杂且标准,感兴趣的读者可以查阅源码学习。
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=== "Java"
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```java title="my_list.java"
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/* 列表类简易实现 */
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class MyList {
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int[] nums; // 数组(存储列表元素)
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int initialCapacity = 10; // 列表初始容量
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int size = 0; // 列表长度(即当前元素数量)
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int extendRatio = 2; // 每次列表扩容的倍数
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/* 构造函数 */
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public MyList() {
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nums = new int[initialCapacity];
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}
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/* 获取列表容量 */
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public int size() {
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return size;
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}
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/* 获取列表长度(即当前元素数量) */
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public int capacity() {
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return nums.length;
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}
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/* 访问元素 */
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public int get(int index) {
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// 索引如果越界则抛出异常,下同
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if (index >= size)
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throw new IndexOutOfBoundsException("索引越界");
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return nums[index];
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}
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/* 更新元素 */
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public void set(int index, int num) {
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if (index >= size)
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throw new IndexOutOfBoundsException("索引越界");
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nums[index] = num;
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}
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/* 尾部添加元素 */
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public void add(int num) {
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// 元素数量超出容量时,触发扩容机制
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if (size == nums.length)
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extendCapacity();
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nums[size] = num;
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// 更新元素数量
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size++;
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}
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/* 中间插入元素 */
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public void add(int index, int num) {
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if (index >= size)
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throw new IndexOutOfBoundsException("索引越界");
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// 元素数量超出容量时,触发扩容机制
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if (size == nums.length)
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extendCapacity();
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// 索引 i 以及之后的元素都向后移动一位
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for (int j = size - 1; j >= index; j--) {
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nums[j + 1] = nums[j];
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}
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nums[index] = num;
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// 更新元素数量
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size++;
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|
}
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/* 删除元素 */
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public void remove(int index) {
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|
if (index >= size)
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throw new IndexOutOfBoundsException("索引越界");
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// 索引 i 之后的元素都向前移动一位
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for (int j = index; j < size - 1; j++) {
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|
nums[j] = nums[j + 1];
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}
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// 更新元素数量
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size--;
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}
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/* 列表扩容 */
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public void extendCapacity() {
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// 新建一个长度为 size 的数组,并将原数组拷贝到新数组
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nums = Arrays.copyOf(nums, nums.length * extendRatio);
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}
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}
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=== "C++"
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```cpp title="my_list.cpp"
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=== "Python"
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```python title="my_list.py"
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