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2023-10-17 23:45:31 +08:00

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列表

「列表 list」是一个抽象的数据结构概念，它表示元素的有序集合，支持元素访问、修改、添加、删除和遍历等操作，无需使用者考虑容量限制的问题。列表可以基于链表或数组实现。

  • 链表天然可以被看作是一个列表，其支持元素增删查改操作，并且可以灵活动态扩容。
  • 数组也支持元素增删查改，但由于其长度不可变，因此只能被看作是一个具有长度限制的列表。

当使用数组实现列表时，长度不可变的性质会导致列表的实用性降低。这是因为我们通常无法事先确定需要存储多少数据，从而难以选择合适的列表长度。若长度过小，则很可能无法满足使用需求；若长度过大，则会造成内存空间的浪费。

为解决此问题，我们可以使用「动态数组 dynamic array」来实现列表。它继承了数组的各项优点，并且可以在程序运行过程中进行动态扩容。

实际上，许多编程语言中的标准库提供的列表都是基于动态数组实现的，例如 Python 中的 list 、Java 中的 ArrayList 、C++ 中的 vector 和 C# 中的 List 等。在接下来的讨论中，我们将把“列表”和“动态数组”视为等同的概念。

列表常用操作

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。

=== "Python"

```python title="list.py"
# 初始化列表
# 无初始值
nums1: nums[int] = []
# 有初始值
nums: nums[int] = [1, 3, 2, 5, 4]
```

=== "C++"

```cpp title="list.cpp"
/* 初始化列表 */
// 需注意，C++ 中 vector 即是本文描述的 nums
// 无初始值
vector<int> nums1;
// 有初始值
vector<int> nums = { 1, 3, 2, 5, 4 };
```

=== "Java"

```java title="list.java"
/* 初始化列表 */
// 无初始值
List<Integer> nums1 = 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> nums = new ArrayList<>(Arrays.asList(numbers));
```

=== "C#"

```csharp title="list.cs"
/* 初始化列表 */
// 无初始值
List<int> nums1 = new();
// 有初始值
int[] numbers = new int[] { 1, 3, 2, 5, 4 };
List<int> nums = numbers.ToList();
```

=== "Go"

```go title="list_test.go"
/* 初始化列表 */
// 无初始值
nums1 := []int
// 有初始值
nums := []int{1, 3, 2, 5, 4}
```

=== "Swift"

```swift title="list.swift"
/* 初始化列表 */
// 无初始值
let nums1: [Int] = []
// 有初始值
var nums = [1, 3, 2, 5, 4]
```

=== "JS"

```javascript title="list.js"
/* 初始化列表 */
// 无初始值
const nums1 = [];
// 有初始值
const nums = [1, 3, 2, 5, 4];
```

=== "TS"

```typescript title="list.ts"
/* 初始化列表 */
// 无初始值
const nums1: number[] = [];
// 有初始值
const nums: number[] = [1, 3, 2, 5, 4];
```

=== "Dart"

```dart title="list.dart"
/* 初始化列表 */
// 无初始值
List<int> nums1 = [];
// 有初始值
List<int> nums = [1, 3, 2, 5, 4];
```

=== "Rust"

```rust title="list.rs"
/* 初始化列表 */
// 无初始值
let nums1: Vec<i32> = Vec::new();
// 有初始值
let nums: Vec<i32> = vec![1, 3, 2, 5, 4];
```

=== "C"

```c title="list.c"
// C 未提供内置动态数组
```

=== "Zig"

```zig title="list.zig"
// 初始化列表
var nums = std.ArrayList(i32).init(std.heap.page_allocator);
defer nums.deinit();
try nums.appendSlice(&[_]i32{ 1, 3, 2, 5, 4 });
```

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。

=== "Python"

```python title="list.py"
# 访问元素
num: int = nums[1]  # 访问索引 1 处的元素

# 更新元素
nums[1] = 0    # 将索引 1 处的元素更新为 0
```

=== "C++"

```cpp title="list.cpp"
/* 访问元素 */
int num = nums[1];  // 访问索引 1 处的元素

/* 更新元素 */
nums[1] = 0;  // 将索引 1 处的元素更新为 0
```

=== "Java"

```java title="list.java"
/* 访问元素 */
int num = nums.get(1);  // 访问索引 1 处的元素

/* 更新元素 */
nums.set(1, 0);  // 将索引 1 处的元素更新为 0
```

=== "C#"

```csharp title="list.cs"
/* 访问元素 */
int num = nums[1];  // 访问索引 1 处的元素

/* 更新元素 */
nums[1] = 0;  // 将索引 1 处的元素更新为 0
```

=== "Go"

```go title="list_test.go"
/* 访问元素 */
num := nums[1]  // 访问索引 1 处的元素

/* 更新元素 */
nums[1] = 0     // 将索引 1 处的元素更新为 0
```

=== "Swift"

```swift title="list.swift"
/* 访问元素 */
let num = nums[1] // 访问索引 1 处的元素

/* 更新元素 */
nums[1] = 0 // 将索引 1 处的元素更新为 0
```

=== "JS"

```javascript title="list.js"
/* 访问元素 */
const num = nums[1];  // 访问索引 1 处的元素

/* 更新元素 */
nums[1] = 0;  // 将索引 1 处的元素更新为 0
```

=== "TS"

```typescript title="list.ts"
/* 访问元素 */
const num: number = nums[1];  // 访问索引 1 处的元素

/* 更新元素 */
nums[1] = 0;  // 将索引 1 处的元素更新为 0
```

=== "Dart"

```dart title="list.dart"
/* 访问元素 */
int num = nums[1];  // 访问索引 1 处的元素

/* 更新元素 */
nums[1] = 0;  // 将索引 1 处的元素更新为 0
```

=== "Rust"

```rust title="list.rs"
/* 访问元素 */
let num: i32 = nums[1];  // 访问索引 1 处的元素
/* 更新元素 */
nums[1] = 0;             // 将索引 1 处的元素更新为 0
```

=== "C"

```c title="list.c"
// C 未提供内置动态数组
```

=== "Zig"

```zig title="list.zig"
// 访问元素
var num = nums.items[1]; // 访问索引 1 处的元素

// 更新元素
nums.items[1] = 0; // 将索引 1 处的元素更新为 0  
```

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) 。

=== "Python"

```python title="list.py"
# 清空列表
nums.clear()

# 尾部添加元素
nums.append(1)
nums.append(3)
nums.append(2)
nums.append(5)
nums.append(4)

# 中间插入元素
nums.insert(3, 6)  # 在索引 3 处插入数字 6

# 删除元素
nums.pop(3)        # 删除索引 3 处的元素
```

=== "C++"

```cpp title="list.cpp"
/* 清空列表 */
nums.clear();

/* 尾部添加元素 */
nums.push_back(1);
nums.push_back(3);
nums.push_back(2);
nums.push_back(5);
nums.push_back(4);

/* 中间插入元素 */
nums.insert(nums.begin() + 3, 6);  // 在索引 3 处插入数字 6

/* 删除元素 */
nums.erase(nums.begin() + 3);      // 删除索引 3 处的元素
```

=== "Java"

```java title="list.java"
/* 清空列表 */
nums.clear();

/* 尾部添加元素 */
nums.add(1);
nums.add(3);
nums.add(2);
nums.add(5);
nums.add(4);

/* 中间插入元素 */
nums.add(3, 6);  // 在索引 3 处插入数字 6

/* 删除元素 */
nums.remove(3);  // 删除索引 3 处的元素
```

=== "C#"

```csharp title="list.cs"
/* 清空列表 */
nums.Clear();

/* 尾部添加元素 */
nums.Add(1);
nums.Add(3);
nums.Add(2);
nums.Add(5);
nums.Add(4);

/* 中间插入元素 */
nums.Insert(3, 6);

/* 删除元素 */
nums.RemoveAt(3);
```

=== "Go"

```go title="list_test.go"
/* 清空列表 */
nums = nil

/* 尾部添加元素 */
nums = append(nums, 1)
nums = append(nums, 3)
nums = append(nums, 2)
nums = append(nums, 5)
nums = append(nums, 4)

/* 中间插入元素 */
nums = append(nums[:3], append([]int{6}, nums[3:]...)...) // 在索引 3 处插入数字 6

/* 删除元素 */
nums = append(nums[:3], nums[4:]...) // 删除索引 3 处的元素
```

=== "Swift"

```swift title="list.swift"
/* 清空列表 */
nums.removeAll()

/* 尾部添加元素 */
nums.append(1)
nums.append(3)
nums.append(2)
nums.append(5)
nums.append(4)

/* 中间插入元素 */
nums.insert(6, at: 3) // 在索引 3 处插入数字 6

/* 删除元素 */
nums.remove(at: 3) // 删除索引 3 处的元素
```

=== "JS"

```javascript title="list.js"
/* 清空列表 */
nums.length = 0;

/* 尾部添加元素 */
nums.push(1);
nums.push(3);
nums.push(2);
nums.push(5);
nums.push(4);

/* 中间插入元素 */
nums.splice(3, 0, 6);

/* 删除元素 */
nums.splice(3, 1);
```

=== "TS"

```typescript title="list.ts"
/* 清空列表 */
nums.length = 0;

/* 尾部添加元素 */
nums.push(1);
nums.push(3);
nums.push(2);
nums.push(5);
nums.push(4);

/* 中间插入元素 */
nums.splice(3, 0, 6);

/* 删除元素 */
nums.splice(3, 1);
```

=== "Dart"

```dart title="list.dart"
/* 清空列表 */
nums.clear();

/* 尾部添加元素 */
nums.add(1);
nums.add(3);
nums.add(2);
nums.add(5);
nums.add(4);

/* 中间插入元素 */
nums.insert(3, 6); // 在索引 3 处插入数字 6

/* 删除元素 */
nums.removeAt(3); // 删除索引 3 处的元素
```

=== "Rust"

```rust title="list.rs"
/* 清空列表 */
nums.clear();

/* 尾部添加元素 */
nums.push(1);
nums.push(3);
nums.push(2);
nums.push(5);
nums.push(4);

/* 中间插入元素 */
nums.insert(3, 6);  // 在索引 3 处插入数字 6

/* 删除元素 */
nums.remove(3);    // 删除索引 3 处的元素
```

=== "C"

```c title="list.c"
// C 未提供内置动态数组
```

=== "Zig"

```zig title="list.zig"
// 清空列表
nums.clearRetainingCapacity();

// 尾部添加元素
try nums.append(1);
try nums.append(3);
try nums.append(2);
try nums.append(5);
try nums.append(4);

// 中间插入元素
try nums.insert(3, 6); // 在索引 3 处插入数字 6

// 删除元素
_ = nums.orderedRemove(3); // 删除索引 3 处的元素
```

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。

=== "Python"

```python title="list.py"
# 通过索引遍历列表
count = 0
for i in range(len(nums)):
    count += 1

# 直接遍历列表元素
count = 0
for num in nums:
    count += 1
```

=== "C++"

```cpp title="list.cpp"
/* 通过索引遍历列表 */
int count = 0;
for (int i = 0; i < nums.size(); i++) {
    count++;
}

/* 直接遍历列表元素 */
count = 0;
for (int num : nums) {
    count++;
}
```

=== "Java"

```java title="list.java"
/* 通过索引遍历列表 */
int count = 0;
for (int i = 0; i < nums.size(); i++) {
    count++;
}

/* 直接遍历列表元素 */
count = 0;
for (int num : nums) {
    count++;
}
```

=== "C#"

```csharp title="list.cs"
/* 通过索引遍历列表 */
int count = 0;
for (int i = 0; i < nums.Count; i++) {
    count++;
}

/* 直接遍历列表元素 */
count = 0;
foreach (int num in nums) {
    count++;
}
```

=== "Go"

```go title="list_test.go"
/* 通过索引遍历列表 */
count := 0
for i := 0; i < len(nums); i++ {
    count++
}

/* 直接遍历列表元素 */
count = 0
for range nums {
    count++
}
```

=== "Swift"

```swift title="list.swift"
/* 通过索引遍历列表 */
var count = 0
for _ in nums.indices {
    count += 1
}

/* 直接遍历列表元素 */
count = 0
for _ in nums {
    count += 1
}
```

=== "JS"

```javascript title="list.js"
/* 通过索引遍历列表 */
let count = 0;
for (let i = 0; i < nums.length; i++) {
    count++;
}

/* 直接遍历列表元素 */
count = 0;
for (const num of nums) {
    count++;
}
```

=== "TS"

```typescript title="list.ts"
/* 通过索引遍历列表 */
let count = 0;
for (let i = 0; i < nums.length; i++) {
    count++;
}

/* 直接遍历列表元素 */
count = 0;
for (const num of nums) {
    count++;
}
```

=== "Dart"

```dart title="list.dart"
/* 通过索引遍历列表 */
int count = 0;
for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
    count++;
}

/* 直接遍历列表元素 */
count = 0;
for (int num in nums) {
    count++;
}
```

=== "Rust"

```rust title="list.rs"
/* 通过索引遍历列表 */
let mut count = 0;
for (index, value) in nums.iter().enumerate() {
    count += 1;
}

/* 直接遍历列表元素 */
let mut count = 0;
for value in nums.iter() {
    count += 1;
}
```

=== "C"

```c title="list.c"
// C 未提供内置动态数组
```

=== "Zig"

```zig title="list.zig"
// 通过索引遍历列表
var count: i32 = 0;
var i: i32 = 0;
while (i < nums.items.len) : (i += 1) {
    count += 1;
}

// 直接遍历列表元素
count = 0;
for (nums.items) |_| {
    count += 1;
}
```

拼接列表

给定一个新列表 nums1 ，我们可以将该列表拼接到原列表的尾部。

=== "Python"

```python title="list.py"
# 拼接两个列表
nums1: nums[int] = [6, 8, 7, 10, 9]
nums += nums1  # 将列表 nums1 拼接到 nums 之后
```

=== "C++"

```cpp title="list.cpp"
/* 拼接两个列表 */
vector<int> nums1 = { 6, 8, 7, 10, 9 };
// 将列表 nums1 拼接到 nums 之后
nums.insert(nums.end(), nums1.begin(), nums1.end());
```

=== "Java"

```java title="list.java"
/* 拼接两个列表 */
List<Integer> nums1 = new ArrayList<>(Arrays.asList(new Integer[] { 6, 8, 7, 10, 9 }));
nums.addAll(nums1);  // 将列表 nums1 拼接到 nums 之后
```

=== "C#"

```csharp title="list.cs"
/* 拼接两个列表 */
List<int> nums1 = new() { 6, 8, 7, 10, 9 };
nums.AddRange(nums1);  // 将列表 nums1 拼接到 nums 之后
```

=== "Go"

```go title="list_test.go"
/* 拼接两个列表 */
nums1 := []int{6, 8, 7, 10, 9}
nums = append(nums, nums1...)  // 将列表 nums1 拼接到 nums 之后
```

=== "Swift"

```swift title="list.swift"
/* 拼接两个列表 */
let nums1 = [6, 8, 7, 10, 9]
nums.append(contentsOf: nums1) // 将列表 nums1 拼接到 nums 之后
```

=== "JS"

```javascript title="list.js"
/* 拼接两个列表 */
const nums1 = [6, 8, 7, 10, 9];
nums.push(...nums1);  // 将列表 nums1 拼接到 nums 之后
```

=== "TS"

```typescript title="list.ts"
/* 拼接两个列表 */
const nums1: number[] = [6, 8, 7, 10, 9];
nums.push(...nums1);  // 将列表 nums1 拼接到 nums 之后
```

=== "Dart"

```dart title="list.dart"
/* 拼接两个列表 */
List<int> nums1 = [6, 8, 7, 10, 9];
nums.addAll(nums1);  // 将列表 nums1 拼接到 nums 之后
```

=== "Rust"

```rust title="list.rs"
/* 拼接两个列表 */
let nums1: Vec<i32> = vec![6, 8, 7, 10, 9];
nums.extend(nums1);
```

=== "C"

```c title="list.c"
// C 未提供内置动态数组
```

=== "Zig"

```zig title="list.zig"
// 拼接两个列表
var nums1 = std.ArrayList(i32).init(std.heap.page_allocator);
defer nums1.deinit();
try nums1.appendSlice(&[_]i32{ 6, 8, 7, 10, 9 });
try nums.insertSlice(nums.items.len, nums1.items); // 将列表 nums1 拼接到 nums 之后
```

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。

=== "Python"

```python title="list.py"
# 排序列表
nums.sort()  # 排序后，列表元素从小到大排列
```

=== "C++"

```cpp title="list.cpp"
/* 排序列表 */
sort(nums.begin(), nums.end());  // 排序后，列表元素从小到大排列
```

=== "Java"

```java title="list.java"
/* 排序列表 */
Collections.sort(nums);  // 排序后，列表元素从小到大排列
```

=== "C#"

```csharp title="list.cs"
/* 排序列表 */
nums.Sort(); // 排序后，列表元素从小到大排列
```

=== "Go"

```go title="list_test.go"
/* 排序列表 */
sort.Ints(nums)  // 排序后，列表元素从小到大排列
```

=== "Swift"

```swift title="list.swift"
/* 排序列表 */
nums.sort() // 排序后，列表元素从小到大排列
```

=== "JS"

```javascript title="list.js"
/* 排序列表 */  
nums.sort((a, b) => a - b);  // 排序后，列表元素从小到大排列
```

=== "TS"

```typescript title="list.ts"
/* 排序列表 */
nums.sort((a, b) => a - b);  // 排序后，列表元素从小到大排列
```

=== "Dart"

```dart title="list.dart"
/* 排序列表 */
nums.sort(); // 排序后，列表元素从小到大排列
```

=== "Rust"

```rust title="list.rs"
/* 排序列表 */
nums.sort(); // 排序后，列表元素从小到大排列
```

=== "C"

```c title="list.c"
// C 未提供内置动态数组
```

=== "Zig"

```zig title="list.zig"
// 排序列表
std.sort.sort(i32, nums.items, {}, comptime std.sort.asc(i32));
```

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。
[file]{my_list}-[class]{my_list}-[func]{}