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4.3. 列表

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。

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。

4.3.1. 列表常用操作

初始化列表。我们通常会使用到“无初始值”和“有初始值”的两种初始化方法。

=== "Java"

```java title="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));
```

=== "C++"

```cpp title="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 };
```

=== "Python"

```python title="list.py"
""" 初始化列表 """
# 无初始值
list1 = []
# 有初始值
list = [1, 3, 2, 5, 4]
```

=== "Go"

```go title="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}
```

=== "JavaScript"

```javascript title="list.js"
/* 初始化列表 */
// 无初始值
const list1 = [];
// 有初始值
const list = [1, 3, 2, 5, 4];
```

=== "TypeScript"

```typescript title="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];
```

=== "C"

```c title="list.c"

```

=== "C#"

```csharp title="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();
```

=== "Swift"

```swift title="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]
```

=== "Zig"

```zig title="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 });
```

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。

=== "Java"

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

/* 更新元素 */
list.set(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 = list[1];  // 访问索引 1 处的元素

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

=== "Python"

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

""" 更新元素 """
list[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 := list[1]  // 访问索引 1 处的元素

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

=== "JavaScript"

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

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

=== "TypeScript"

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

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

=== "C"

```c title="list.c"

```

=== "C#"

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

/* 更新元素 */
list[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 = list[1] // 访问索引 1 处的元素

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

=== "Zig"

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

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

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) 。

=== "Java"

```java title="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
```

=== "C++"

```cpp title="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
```

=== "Python"

```python title="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
```

=== "Go"

```go title="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
```

=== "JavaScript"

```javascript title="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);
```

=== "TypeScript"

```typescript title="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);
```

=== "C"

```c title="list.c"

```

=== "C#"

```csharp title="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);
```

=== "Swift"

```swift title="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
```

=== "Zig"

```zig title="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
```

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。

=== "Java"

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

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

=== "C++"

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

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

=== "Python"

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

""" 直接遍历列表元素 """
count = 0
for n in list:
    count += 1
```

=== "Go"

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

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

=== "JavaScript"

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

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

=== "TypeScript"

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

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

=== "C"

```c title="list.c"

```

=== "C#"

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

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

=== "Swift"

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

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

=== "Zig"

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

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

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。

=== "Java"

```java title="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
```

=== "C++"

```cpp title="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());
```

=== "Python"

```python title="list.py"
""" 拼接两个列表 """
list1 = [6, 8, 7, 10, 9]
list += list1  # 将列表 list1 拼接到 list 之后
```

=== "Go"

```go title="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
```

=== "JavaScript"

```javascript title="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
```

=== "TypeScript"

```typescript title="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
```

=== "C"

```c title="list.c"

```

=== "C#"

```csharp title="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
```

=== "Swift"

```swift title="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
```

=== "Zig"

```zig title="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
```

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。

=== "Java"

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

=== "C++"

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

=== "Python"

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

=== "JavaScript"

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

=== "TypeScript"

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

=== "C"

```c title="list.c"

```

=== "C#"

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

=== "Swift"

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

=== "Zig"

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

4.3.2. 列表简易实现 *

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：

  • 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。
  • 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。
  • 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。

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。

=== "Java"

```java title="my_list.java"
[class]{MyList}-[func]{}
```

=== "C++"

```cpp title="my_list.cpp"
[class]{MyList}-[func]{}
```

=== "Python"

```python title="my_list.py"
[class]{MyList}-[func]{}
```

=== "Go"

```go title="my_list.go"
[class]{myList}-[func]{}
```

=== "JavaScript"

```javascript title="my_list.js"
[class]{MyList}-[func]{}
```

=== "TypeScript"

```typescript title="my_list.ts"
[class]{MyList}-[func]{}
```

=== "C"

```c title="my_list.c"

```

=== "C#"

```csharp title="my_list.cs"
[class]{MyList}-[func]{}
```

=== "Swift"

```swift title="my_list.swift"
[class]{MyList}-[func]{}
```

=== "Zig"

```zig title="my_list.zig"
// 列表类简易实现
pub fn MyList(comptime T: type) type {
    return struct {
        const Self = @This();
        
        nums: []T = undefined,                        // 数组（存储列表元素）
        numsCapacity: usize = 10,                     // 列表容量
        numSize: usize = 0,                           // 列表长度（即当前元素数量）
        extendRatio: usize = 2,                       // 每次列表扩容的倍数
        mem_arena: ?std.heap.ArenaAllocator = null,
        mem_allocator: std.mem.Allocator = undefined, // 内存分配器

        // 构造函数（分配内存+初始化列表）
        pub fn init(self: *Self, allocator: std.mem.Allocator) !void {
            if (self.mem_arena == null) {
                self.mem_arena = std.heap.ArenaAllocator.init(allocator);
                self.mem_allocator = self.mem_arena.?.allocator();
            }
            self.nums = try self.mem_allocator.alloc(T, self.numsCapacity);
            std.mem.set(T, self.nums, @as(T, 0));
        }

        // 析构函数（释放内存）
        pub fn deinit(self: *Self) void {
            if (self.mem_arena == null) return;
            self.mem_arena.?.deinit();
        }

        // 获取列表长度（即当前元素数量）
        pub fn size(self: *Self) usize {
            return self.numSize;
        }

        // 获取列表容量
        pub fn capacity(self: *Self) usize {
            return self.numsCapacity;
        }

        // 访问元素
        pub fn get(self: *Self, index: usize) T {
            // 索引如果越界则抛出异常，下同
            if (index < 0 or index >= self.size()) @panic("索引越界");
            return self.nums[index];
        }  

        // 更新元素
        pub fn set(self: *Self, index: usize, num: T) void {
            // 索引如果越界则抛出异常，下同
            if (index < 0 or index >= self.size()) @panic("索引越界");
            self.nums[index] = num;
        }  

        // 尾部添加元素
        pub fn add(self: *Self, num: T) !void {
            // 元素数量超出容量时，触发扩容机制
            if (self.size() == self.capacity()) try self.extendCapacity();
            self.nums[self.size()] = num;
            // 更新元素数量
            self.numSize += 1;
        }  

        // 中间插入元素
        pub fn insert(self: *Self, index: usize, num: T) !void {
            if (index < 0 or index >= self.size()) @panic("索引越界");
            // 元素数量超出容量时，触发扩容机制
            if (self.size() == self.capacity()) try self.extendCapacity();
            // 索引 i 以及之后的元素都向后移动一位
            var j = self.size() - 1;
            while (j >= index) : (j -= 1) {
                self.nums[j + 1] = self.nums[j];
            }
            self.nums[index] = num;
            // 更新元素数量
            self.numSize += 1;
        }

        // 删除元素
        pub fn remove(self: *Self, index: usize) T {
            if (index < 0 or index >= self.size()) @panic("索引越界");
            var num = self.nums[index];
            // 索引 i 之后的元素都向前移动一位
            var j = index;
            while (j < self.size() - 1) : (j += 1) {
                self.nums[j] = self.nums[j + 1];
            }
            // 更新元素数量
            self.numSize -= 1;
            // 返回被删除元素
            return num;
        }

        // 列表扩容
        pub fn extendCapacity(self: *Self) !void {
            // 新建一个长度为 size * extendRatio 的数组，并将原数组拷贝到新数组
            var newCapacity = self.capacity() * self.extendRatio;
            var extend = try self.mem_allocator.alloc(T, newCapacity);
            std.mem.set(T, extend, @as(T, 0));
            // 将原数组中的所有元素复制到新数组
            std.mem.copy(T, extend, self.nums);
            self.nums = extend;
            // 更新列表容量
            self.numsCapacity = newCapacity;
        }

        // 将列表转换为数组
        pub fn toArray(self: *Self) ![]T {
            // 仅转换有效长度范围内的列表元素
            var nums = try self.mem_allocator.alloc(T, self.size());
            std.mem.set(T, nums, @as(T, 0));
            for (nums) |*num, i| {
                num.* = self.get(i);
            }
            return nums;
        }
    };
}
```