4.3 列表
数组长度不可变导致实用性降低。在实际中，我们可能事先无法确定需要存储多少数据，这使数组长度的选择变得困难。若长度过小，需要在持续添加数据时频繁扩容数组；若长度过大，则会造成内存空间的浪费。
为解决此问题，出现了一种被称为「动态数组 dynamic array」的数据结构，即长度可变的数组，也常被称为「列表 list」。列表基于数组实现，继承了数组的优点，并且可以在程序运行过程中动态扩容。我们可以在列表中自由地添加元素，而无须担心超过容量限制。
4.3.1 列表常用操作
1. 初始化列表
我们通常使用“无初始值”和“有初始值”这两种初始化方法。
list.py# 初始化列表
# 无初始值
list1: list[int] = []
# 有初始值
list: list[int] = [1, 3, 2, 5, 4]
list.cpp/* 初始化列表 */
// 需注意，C++ 中 vector 即是本文描述的 list
// 无初始值
vector<int> list1;
// 有初始值
vector<int> list = { 1, 3, 2, 5, 4 };
list.java/* 初始化列表 */
// 无初始值
List<Integer> list1 = new ArrayList<>();
// 有初始值（注意数组的元素类型需为 int[] 的包装类 Integer[]）
Integer[] numbers = new Integer[] { 1, 3, 2, 5, 4 };
List<Integer> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(numbers));
list.cs/* 初始化列表 */
// 无初始值
List<int> list1 = new ();
// 有初始值
int[] numbers = new int[] { 1, 3, 2, 5, 4 };
List<int> list = numbers.ToList();
list_test.go/* 初始化列表 */
// 无初始值
list1 := []int
// 有初始值
list := []int{1, 3, 2, 5, 4}
list.swift/* 初始化列表 */
// 无初始值
let list1: [Int] = []
// 有初始值
var list = [1, 3, 2, 5, 4]
list.js/* 初始化列表 */
// 无初始值
const list1 = [];
// 有初始值
const list = [1, 3, 2, 5, 4];
list.ts/* 初始化列表 */
// 无初始值
const list1: number[] = [];
// 有初始值
const list: number[] = [1, 3, 2, 5, 4];
list.dart/* 初始化列表 */
// 无初始值
List<int> list1 = [];
// 有初始值
List<int> list = [1, 3, 2, 5, 4];
list.rs/* 初始化列表 */
// 无初始值
let list1: Vec<i32> = Vec::new();
// 有初始值
let list2: Vec<i32> = vec![1, 3, 2, 5, 4];
list.zig// 初始化列表
var list = std.ArrayList(i32).init(std.heap.page_allocator);
defer list.deinit();
try list.appendSlice(&[_]i32{ 1, 3, 2, 5, 4 });
2. 访问元素
列表本质上是数组，因此可以在 \(O(1)\) 时间内访问和更新元素，效率很高。
3. 插入与删除元素
相较于数组，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 \(O(1)\) ，但插入和删除元素的效率仍与数组相同，时间复杂度为 \(O(n)\) 。
list.py# 清空列表
list.clear()
# 尾部添加元素
list.append(1)
list.append(3)
list.append(2)
list.append(5)
list.append(4)
# 中间插入元素
list.insert(3, 6) # 在索引 3 处插入数字 6
# 删除元素
list.pop(3) # 删除索引 3 处的元素
list.cpp/* 清空列表 */
list.clear();
/* 尾部添加元素 */
list.push_back(1);
list.push_back(3);
list.push_back(2);
list.push_back(5);
list.push_back(4);
/* 中间插入元素 */
list.insert(list.begin() + 3, 6); // 在索引 3 处插入数字 6
/* 删除元素 */
list.erase(list.begin() + 3); // 删除索引 3 处的元素
list.java/* 清空列表 */
list.clear();
/* 尾部添加元素 */
list.add(1);
list.add(3);
list.add(2);
list.add(5);
list.add(4);
/* 中间插入元素 */
list.add(3, 6); // 在索引 3 处插入数字 6
/* 删除元素 */
list.remove(3); // 删除索引 3 处的元素
list.cs/* 清空列表 */
list.Clear();
/* 尾部添加元素 */
list.Add(1);
list.Add(3);
list.Add(2);
list.Add(5);
list.Add(4);
/* 中间插入元素 */
list.Insert(3, 6);
/* 删除元素 */
list.RemoveAt(3);
list_test.go/* 清空列表 */
list = nil
/* 尾部添加元素 */
list = append(list, 1)
list = append(list, 3)
list = append(list, 2)
list = append(list, 5)
list = append(list, 4)
/* 中间插入元素 */
list = append(list[:3], append([]int{6}, list[3:]...)...) // 在索引 3 处插入数字 6
/* 删除元素 */
list = append(list[:3], list[4:]...) // 删除索引 3 处的元素
list.swift/* 清空列表 */
list.removeAll()
/* 尾部添加元素 */
list.append(1)
list.append(3)
list.append(2)
list.append(5)
list.append(4)
/* 中间插入元素 */
list.insert(6, at: 3) // 在索引 3 处插入数字 6
/* 删除元素 */
list.remove(at: 3) // 删除索引 3 处的元素
list.js/* 清空列表 */
list.length = 0;
/* 尾部添加元素 */
list.push(1);
list.push(3);
list.push(2);
list.push(5);
list.push(4);
/* 中间插入元素 */
list.splice(3, 0, 6);
/* 删除元素 */
list.splice(3, 1);
list.ts/* 清空列表 */
list.length = 0;
/* 尾部添加元素 */
list.push(1);
list.push(3);
list.push(2);
list.push(5);
list.push(4);
/* 中间插入元素 */
list.splice(3, 0, 6);
/* 删除元素 */
list.splice(3, 1);
list.dart/* 清空列表 */
list.clear();
/* 尾部添加元素 */
list.add(1);
list.add(3);
list.add(2);
list.add(5);
list.add(4);
/* 中间插入元素 */
list.insert(3, 6); // 在索引 3 处插入数字 6
/* 删除元素 */
list.removeAt(3); // 删除索引 3 处的元素
list.rs/* 清空列表 */
list.clear();
/* 尾部添加元素 */
list.push(1);
list.push(3);
list.push(2);
list.push(5);
list.push(4);
/* 中间插入元素 */
list.insert(3, 6); // 在索引 3 处插入数字 6
/* 删除元素 */
list.remove(3); // 删除索引 3 处的元素
list.zig// 清空列表
list.clearRetainingCapacity();
// 尾部添加元素
try list.append(1);
try list.append(3);
try list.append(2);
try list.append(5);
try list.append(4);
// 中间插入元素
try list.insert(3, 6); // 在索引 3 处插入数字 6
// 删除元素
_ = list.orderedRemove(3); // 删除索引 3 处的元素
4. 遍历列表
与数组一样，列表可以根据索引遍历，也可以直接遍历各元素。
5. 拼接列表
给定一个新列表 list1 ，我们可以将该列表拼接到原列表的尾部。
list.py# 拼接两个列表
list1: list[int] = [6, 8, 7, 10, 9]
list += list1 # 将列表 list1 拼接到 list 之后
list.cpp/* 拼接两个列表 */
vector<int> list1 = { 6, 8, 7, 10, 9 };
// 将列表 list1 拼接到 list 之后
list.insert(list.end(), list1.begin(), list1.end());
list.java/* 拼接两个列表 */
List<Integer> list1 = new ArrayList<>(Arrays.asList(new Integer[] { 6, 8, 7, 10, 9 }));
list.addAll(list1); // 将列表 list1 拼接到 list 之后
list.cs/* 拼接两个列表 */
List<int> list1 = new() { 6, 8, 7, 10, 9 };
list.AddRange(list1); // 将列表 list1 拼接到 list 之后
list_test.go/* 拼接两个列表 */
list1 := []int{6, 8, 7, 10, 9}
list = append(list, list1...) // 将列表 list1 拼接到 list 之后
list.swift/* 拼接两个列表 */
let list1 = [6, 8, 7, 10, 9]
list.append(contentsOf: list1) // 将列表 list1 拼接到 list 之后
list.js/* 拼接两个列表 */
const list1 = [6, 8, 7, 10, 9];
list.push(...list1); // 将列表 list1 拼接到 list 之后
list.ts/* 拼接两个列表 */
const list1: number[] = [6, 8, 7, 10, 9];
list.push(...list1); // 将列表 list1 拼接到 list 之后
list.dart/* 拼接两个列表 */
List<int> list1 = [6, 8, 7, 10, 9];
list.addAll(list1); // 将列表 list1 拼接到 list 之后
list.rs/* 拼接两个列表 */
let list1: Vec<i32> = vec![6, 8, 7, 10, 9];
list.extend(list1);
list.zig// 拼接两个列表
var list1 = std.ArrayList(i32).init(std.heap.page_allocator);
defer list1.deinit();
try list1.appendSlice(&[_]i32{ 6, 8, 7, 10, 9 });
try list.insertSlice(list.items.len, list1.items); // 将列表 list1 拼接到 list 之后
6. 排序列表
完成列表排序后，我们便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。
4.3.2 列表实现
许多编程语言都提供内置的列表，例如 Java、C++、Python 等。它们的实现比较复杂，各个参数的设定也非常有考究，例如初始容量、扩容倍数等。感兴趣的读者可以查阅源码进行学习。
为了加深对列表工作原理的理解，我们尝试实现一个简易版列表，包括以下三个重点设计。
- 初始容量：选取一个合理的数组初始容量。在本示例中，我们选择 10 作为初始容量。
- 数量记录：声明一个变量
size ，用于记录列表当前元素数量，并随着元素插入和删除实时更新。根据此变量，我们可以定位列表尾部，以及判断是否需要扩容。
- 扩容机制：若插入元素时列表容量已满，则需要进行扩容。首先根据扩容倍数创建一个更大的数组，再将当前数组的所有元素依次移动至新数组。在本示例中，我们规定每次将数组扩容至之前的 2 倍。