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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。

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。

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.c
// C 未提供内置动态数组
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。

list.py
# 访问元素
num: int = 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
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
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
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
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
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
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
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
list.dart
/* 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
list.rs
/* 访问元素 */
let num: i32 = 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
list.c
// C 未提供内置动态数组
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

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.c
// C 未提供内置动态数组
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，列表可以根据索引遍历，也可以直接遍历各元素。

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

/* 直接遍历列表元素 */
count = 0;
for (int n in list) {
    count++;
}
list.rs
/* 通过索引遍历列表 */
let mut count = 0;
for (index, value) in list.iter().enumerate() {
    count += 1;
}

/* 直接遍历列表元素 */
let mut count = 0;
for value in list.iter() {
    count += 1;
}
list.c
// C 未提供内置动态数组
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.c
// C 未提供内置动态数组
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

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。

list.py
# 排序列表
list.sort()  # 排序后，列表元素从小到大排列
list.cpp
/* 排序列表 */
sort(list.begin(), list.end());  // 排序后，列表元素从小到大排列
list.java
/* 排序列表 */
Collections.sort(list);  // 排序后，列表元素从小到大排列
list.cs
/* 排序列表 */
list.Sort(); // 排序后，列表元素从小到大排列
list_test.go
/* 排序列表 */
sort.Ints(list)  // 排序后，列表元素从小到大排列
list.swift
/* 排序列表 */
list.sort() // 排序后，列表元素从小到大排列
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
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
list.dart
/* 排序列表 */
list.sort(); // 排序后，列表元素从小到大排列
list.rs
/* 排序列表 */
list.sort(); // 排序后，列表元素从小到大排列
list.c
// C 未提供内置动态数组
list.zig
// 排序列表
std.sort.sort(i32, list.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。
my_list.py
[class]{MyList}-[func]{}
my_list.cpp
[class]{MyList}-[func]{}
my_list.java
[class]{MyList}-[func]{}
my_list.cs
[class]{MyList}-[func]{}
my_list.go
[class]{myList}-[func]{}
my_list.swift
[class]{MyList}-[func]{}
my_list.js
[class]{MyList}-[func]{}
my_list.ts
[class]{MyList}-[func]{}
my_list.dart
[class]{MyList}-[func]{}
my_list.rs
[class]{MyList}-[func]{}
my_list.c
[class]{myList}-[func]{}
my_list.zig
[class]{MyList}-[func]{}