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,无须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。
- 链表天然可以看作一个列表,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,因此只能看作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:
list.py |
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| # 初始化列表
# 无初始值
nums1: list[int] = []
# 有初始值
nums: list[int] = [1, 3, 2, 5, 4]
|
list.cpp |
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| /* 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 };
|
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));
|
list.cs |
---|
| /* 初始化列表 */
// 无初始值
List<int> nums1 = [];
// 有初始值
int[] numbers = [1, 3, 2, 5, 4];
List<int> nums = [.. numbers];
|
list_test.go |
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| /* 初始化列表 */
// 无初始值
nums1 := []int{}
// 有初始值
nums := []int{1, 3, 2, 5, 4}
|
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]
|
list.js |
---|
| /* 初始化列表 */
// 无初始值
const nums1 = [];
// 有初始值
const nums = [1, 3, 2, 5, 4];
|
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];
|
list.dart |
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| /* 初始化列表 */
// 无初始值
List<int> nums1 = [];
// 有初始值
List<int> nums = [1, 3, 2, 5, 4];
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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];
|
list.kt |
---|
| /* 初始化列表 */
// 无初始值
var nums1 = listOf<Int>()
// 有初始值
var numbers = arrayOf(1, 3, 2, 5, 4)
var nums = numbers.toMutableList()
|
list.rb |
---|
| # 初始化列表
# 无初始值
nums1 = []
# 有初始值
nums = [1, 3, 2, 5, 4]
|
list.zig |
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| // 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 });
|
可视化运行
https://pythontutor.com/render.html#code=%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%8C%96%E5%88%97%E8%A1%A8%0A%20%20%20%20%23%20%E6%97%A0%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%80%BC%0A%20%20%20%20nums1%20%3D%20%5B%5D%0A%20%20%20%20%23%20%E6%9C%89%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%80%BC%0A%20%20%20%20nums%20%3D%20%5B1,%203,%202,%205,%204%5D&cumulative=false&curInstr=4&heapPrimitives=nevernest&mode=display&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false
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。
可视化运行
https://pythontutor.com/render.html#code=%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%8C%96%E5%88%97%E8%A1%A8%0A%20%20%20%20nums%20%3D%20%5B1,%203,%202,%205,%204%5D%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E8%AE%BF%E9%97%AE%E5%85%83%E7%B4%A0%0A%20%20%20%20num%20%3D%20nums%5B1%5D%20%20%23%20%E8%AE%BF%E9%97%AE%E7%B4%A2%E5%BC%95%201%20%E5%A4%84%E7%9A%84%E5%85%83%E7%B4%A0%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E6%9B%B4%E6%96%B0%E5%85%83%E7%B4%A0%0A%20%20%20%20nums%5B1%5D%20%3D%200%20%20%20%20%23%20%E5%B0%86%E7%B4%A2%E5%BC%95%201%20%E5%A4%84%E7%9A%84%E5%85%83%E7%B4%A0%E6%9B%B4%E6%96%B0%E4%B8%BA%200&cumulative=false&curInstr=3&heapPrimitives=nevernest&mode=display&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false
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 |
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15 | # 清空列表
nums.clear()
# 在尾部添加元素
nums.append(1)
nums.append(3)
nums.append(2)
nums.append(5)
nums.append(4)
# 在中间插入元素
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
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list.cpp |
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15 | /* 清空列表 */
nums.clear();
/* 在尾部添加元素 */
nums.push_back(1);
nums.push_back(3);
nums.push_back(2);
nums.push_back(5);
nums.push_back(4);
/* 在中间插入元素 */
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
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list.java |
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15 | /* 清空列表 */
nums.clear();
/* 在尾部添加元素 */
nums.add(1);
nums.add(3);
nums.add(2);
nums.add(5);
nums.add(4);
/* 在中间插入元素 */
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
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list.cs |
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15 | /* 清空列表 */
nums.Clear();
/* 在尾部添加元素 */
nums.Add(1);
nums.Add(3);
nums.Add(2);
nums.Add(5);
nums.Add(4);
/* 在中间插入元素 */
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
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list_test.go |
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15 | /* 清空列表 */
nums = nil
/* 在尾部添加元素 */
nums = append(nums, 1)
nums = append(nums, 3)
nums = append(nums, 2)
nums = append(nums, 5)
nums = append(nums, 4)
/* 在中间插入元素 */
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
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list.swift |
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15 | /* 清空列表 */
nums.removeAll()
/* 在尾部添加元素 */
nums.append(1)
nums.append(3)
nums.append(2)
nums.append(5)
nums.append(4)
/* 在中间插入元素 */
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
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list.js |
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15 | /* 清空列表 */
nums.length = 0;
/* 在尾部添加元素 */
nums.push(1);
nums.push(3);
nums.push(2);
nums.push(5);
nums.push(4);
/* 在中间插入元素 */
nums.splice(3, 0, 6); // 在索引 3 处插入数字 6
/* 删除元素 */
nums.splice(3, 1); // 删除索引 3 处的元素
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list.ts |
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15 | /* 清空列表 */
nums.length = 0;
/* 在尾部添加元素 */
nums.push(1);
nums.push(3);
nums.push(2);
nums.push(5);
nums.push(4);
/* 在中间插入元素 */
nums.splice(3, 0, 6); // 在索引 3 处插入数字 6
/* 删除元素 */
nums.splice(3, 1); // 删除索引 3 处的元素
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list.dart |
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15 | /* 清空列表 */
nums.clear();
/* 在尾部添加元素 */
nums.add(1);
nums.add(3);
nums.add(2);
nums.add(5);
nums.add(4);
/* 在中间插入元素 */
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
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list.rs |
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15 | /* 清空列表 */
nums.clear();
/* 在尾部添加元素 */
nums.push(1);
nums.push(3);
nums.push(2);
nums.push(5);
nums.push(4);
/* 在中间插入元素 */
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
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list.kt |
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15 | /* 清空列表 */
nums.clear();
/* 在尾部添加元素 */
nums.add(1);
nums.add(3);
nums.add(2);
nums.add(5);
nums.add(4);
/* 在中间插入元素 */
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
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list.rb |
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15 | # 清空列表
nums.clear
# 在尾部添加元素
nums << 1
nums << 3
nums << 2
nums << 5
nums << 4
# 在中间插入元素
nums.insert(3, 6) # 在索引 3 处插入数字 6
# 删除元素
nums.delete_at(3) # 删除索引 3 处的元素
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list.zig |
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15 | // 清空列表
nums.clearRetainingCapacity();
// 在尾部添加元素
try nums.append(1);
try nums.append(3);
try nums.append(2);
try nums.append(5);
try nums.append(4);
// 在中间插入元素
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
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可视化运行
https://pythontutor.com/render.html#code=%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E6%9C%89%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%80%BC%0A%20%20%20%20nums%20%3D%20%5B1,%203,%202,%205,%204%5D%0A%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%23%20%E6%B8%85%E7%A9%BA%E5%88%97%E8%A1%A8%0A%20%20%20%20nums.clear%28%29%0A%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%23%20%E5%9C%A8%E5%B0%BE%E9%83%A8%E6%B7%BB%E5%8A%A0%E5%85%83%E7%B4%A0%0A%20%20%20%20nums.append%281%29%0A%20%20%20%20nums.append%283%29%0A%20%20%20%20nums.append%282%29%0A%20%20%20%20nums.append%285%29%0A%20%20%20%20nums.append%284%29%0A%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%23%20%E5%9C%A8%E4%B8%AD%E9%97%B4%E6%8F%92%E5%85%A5%E5%85%83%E7%B4%A0%0A%20%20%20%20nums.insert%283,%206%29%20%20%23%20%E5%9C%A8%E7%B4%A2%E5%BC%95%203%20%E5%A4%84%E6%8F%92%E5%85%A5%E6%95%B0%E5%AD%97%206%0A%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%A0%E9%99%A4%E5%85%83%E7%B4%A0%0A%20%20%20%20nums.pop%283%29%20%20%20%20%20%20%20%20%23%20%E5%88%A0%E9%99%A4%E7%B4%A2%E5%BC%95%203%20%E5%A4%84%E7%9A%84%E5%85%83%E7%B4%A0&cumulative=false&curInstr=3&heapPrimitives=nevernest&mode=display&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false
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。
可视化运行
https://pythontutor.com/render.html#code=%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%8C%96%E5%88%97%E8%A1%A8%0A%20%20%20%20nums%20%3D%20%5B1,%203,%202,%205,%204%5D%0A%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%23%20%E9%80%9A%E8%BF%87%E7%B4%A2%E5%BC%95%E9%81%8D%E5%8E%86%E5%88%97%E8%A1%A8%0A%20%20%20%20count%20%3D%200%0A%20%20%20%20for%20i%20in%20range%28len%28nums%29%29%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20count%20%2B%3D%20nums%5Bi%5D%0A%0A%20%20%20%20%23%20%E7%9B%B4%E6%8E%A5%E9%81%8D%E5%8E%86%E5%88%97%E8%A1%A8%E5%85%83%E7%B4%A0%0A%20%20%20%20for%20num%20in%20nums%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20count%20%2B%3D%20num&cumulative=false&curInstr=3&heapPrimitives=nevernest&mode=display&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false
拼接列表
给定一个新列表 nums1
,我们可以将其拼接到原列表的尾部。
list.py |
---|
| # 拼接两个列表
nums1: list[int] = [6, 8, 7, 10, 9]
nums += nums1 # 将列表 nums1 拼接到 nums 之后
|
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());
|
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
|
list.cs |
---|
| /* 拼接两个列表 */
List<int> nums1 = [6, 8, 7, 10, 9];
nums.AddRange(nums1); // 将列表 nums1 拼接到 nums 之后
|
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
|
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
|
list.js |
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| /* 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
|
list.ts |
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| /* 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
|
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
|
list.rs |
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| /* 拼接两个列表 */
let nums1: Vec<i32> = vec![6, 8, 7, 10, 9];
nums.extend(nums1);
|
list.kt |
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| /* 拼接两个列表 */
val nums1 = intArrayOf(6, 8, 7, 10, 9).toMutableList()
nums.addAll(nums1) // 将列表 nums1 拼接到 nums 之后
|
list.rb |
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| # 拼接两个列表
nums1 = [6, 8, 7, 10, 9]
nums += nums1
|
list.zig |
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| // 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
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可视化运行
https://pythontutor.com/render.html#code=%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%8C%96%E5%88%97%E8%A1%A8%0A%20%20%20%20nums%20%3D%20%5B1,%203,%202,%205,%204%5D%0A%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%23%20%E6%8B%BC%E6%8E%A5%E4%B8%A4%E4%B8%AA%E5%88%97%E8%A1%A8%0A%20%20%20%20nums1%20%3D%20%5B6,%208,%207,%2010,%209%5D%0A%20%20%20%20nums%20%2B%3D%20nums1%20%20%23%20%E5%B0%86%E5%88%97%E8%A1%A8%20nums1%20%E6%8B%BC%E6%8E%A5%E5%88%B0%20nums%20%E4%B9%8B%E5%90%8E&cumulative=false&curInstr=3&heapPrimitives=nevernest&mode=display&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false
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查的“二分查找”和“双指针”算法。
可视化运行
https://pythontutor.com/render.html#code=%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20%23%20%E5%88%9D%E5%A7%8B%E5%8C%96%E5%88%97%E8%A1%A8%0A%20%20%20%20nums%20%3D%20%5B1,%203,%202,%205,%204%5D%0A%20%20%20%20%0A%20%20%20%20%23%20%E6%8E%92%E5%BA%8F%E5%88%97%E8%A1%A8%0A%20%20%20%20nums.sort%28%29%20%20%23%20%E6%8E%92%E5%BA%8F%E5%90%8E%EF%BC%8C%E5%88%97%E8%A1%A8%E5%85%83%E7%B4%A0%E4%BB%8E%E5%B0%8F%E5%88%B0%E5%A4%A7%E6%8E%92%E5%88%97&cumulative=false&curInstr=3&heapPrimitives=nevernest&mode=display&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false
列表实现
许多编程语言内置了列表,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。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。
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