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。

列表常用操作

初始化列表。 我们通常使用 Integer[] 包装类和 Arrays.asList() 作为中转，来初始化一个带有初始值的列表。

JavaC++PythonGoJavaScriptTypeScriptCC#

list.java

/* 初始化列表 */
// 注意数组的元素类型是 int[] 的包装类 Integer[]
Integer[] numbers = new Integer[] { 1, 3, 2, 5, 4 };
List<Integer> list = new ArrayList<>(Arrays.asList(numbers));

list.cpp

/* 初始化列表 */
vector<int> list = { 1, 3, 2, 5, 4 };

list.py

""" 初始化列表 """
list = [1, 3, 2, 5, 4]

list.go

list.js

/* 初始化列表 */
const list = [1, 3, 2, 5, 4];

list.ts

/* 初始化列表 */
const list: number[] = [1, 3, 2, 5, 4];

list.c

list.cs

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。

JavaC++PythonGoJavaScriptTypeScriptCC#

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.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.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

list.go

list.js

/* 访问元素 */
const num = list[1];

/* 更新元素 */
list[1] = 0;

list.ts

/* 访问元素 */
const num: number = list[1];

/* 更新元素 */
list[1] = 0;

list.c

list.cs

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 \(O(N)\) 。

JavaC++PythonGoJavaScriptTypeScriptCC#

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.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.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.go

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.c

list.cs

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。

JavaC++PythonGoJavaScriptTypeScriptCC#

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.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.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.go

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.c

list.cs

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。

JavaC++PythonGoJavaScriptTypeScriptCC#

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.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.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

list.go

list.js

/* 拼接两个列表 */
const list1 = [6, 8, 7, 10, 9];
list.push(...list1);

list.ts

/* 拼接两个列表 */
const list1: number[] = [6, 8, 7, 10, 9];
list.push(...list1);

list.c

list.cs

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。

JavaC++PythonGoJavaScriptTypeScriptCC#

list.java

/* 排序列表 */
Collections.sort(list);  // 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.py

""" 排序列表 """
list.sort()  # 排序后，列表元素从小到大排列

list.go

list.js

/* 排序列表 */  
list.sort((a, b) => a - b);

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.c

list.cs

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。

JavaC++PythonGoJavaScriptTypeScriptCC#

my_list.java

/* 列表类简易实现 */
class MyList {
    private int[] nums;           // 数组（存储列表元素）
    private int capacity = 10;    // 列表容量
    private int size = 0;         // 列表长度（即当前元素数量）
    private int extendRatio = 2;  // 每次列表扩容的倍数

    /* 构造函数 */
    public MyList() {
        nums = new int[capacity];
    }

    /* 获取列表长度（即当前元素数量）*/
    public int size() {
        return size;
    }

    /* 获取列表容量 */
    public int capacity() {
        return capacity;
    }

    /* 访问元素 */
    public int get(int index) {
        // 索引如果越界则抛出异常，下同
        if (index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException("索引越界");
        return nums[index];
    }

    /* 更新元素 */
    public void set(int index, int num) {
        if (index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException("索引越界");
        nums[index] = num;
    }

    /* 尾部添加元素 */
    public void add(int num) {
        // 元素数量超出容量时，触发扩容机制
        if (size == capacity())
            extendCapacity();
        nums[size] = num;
        // 更新元素数量
        size++;
    }

    /* 中间插入元素 */
    public void insert(int index, int num) {
        if (index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException("索引越界");
        // 元素数量超出容量时，触发扩容机制
        if (size == capacity())
            extendCapacity();
        // 将索引 index 以及之后的元素都向后移动一位
        for (int j = size - 1; j >= index; j--) {
            nums[j + 1] = nums[j];
        }
        nums[index] = num;
        // 更新元素数量
        size++;
    }

    /* 删除元素 */
    public int remove(int index) {
        if (index >= size)
            throw new IndexOutOfBoundsException("索引越界");
        int num = nums[index];
        // 将索引 index 之后的元素都向前移动一位
        for (int j = index; j < size - 1; j++) {
            nums[j] = nums[j + 1];
        }
        // 更新元素数量
        size--;
        // 返回被删除元素
        return num;
    }

    /* 列表扩容 */
    public void extendCapacity() {
        // 新建一个长度为 size 的数组，并将原数组拷贝到新数组
        nums = Arrays.copyOf(nums, capacity() * extendRatio);
        // 更新列表容量
        capacity = nums.length;
    }
}

my_list.cpp

/* 列表类简易实现 */
class MyList {
private:
    int* nums;                // 数组（存储列表元素）
    int numsCapacity = 10;    // 列表容量
    int numsSize = 0;         // 列表长度（即当前元素数量）
    int extendRatio = 2;      // 每次列表扩容的倍数

public:
    /* 构造函数 */
    MyList() {
        nums = new int[numsCapacity];
    }

    /* 获取列表长度（即当前元素数量）*/
    int size() {
        return numsSize;
    }

    /* 获取列表容量 */
    int capacity() {
        return numsCapacity;
    }

    /* 访问元素 */
    int get(int index) {
        // 索引如果越界则抛出异常，下同
        if (index >= size())
            throw out_of_range("索引越界");
        return nums[index];
    }

    /* 更新元素 */
    void set(int index, int num) {
        if (index >= size())
            throw out_of_range("索引越界");
        nums[index] = num;
    }

    /* 尾部添加元素 */
    void add(int num) {
        // 元素数量超出容量时，触发扩容机制
        if (size() == capacity())
            extendCapacity();
        nums[size()] = num;
        // 更新元素数量
        numsSize++;
    }

    /* 中间插入元素 */
    void insert(int index, int num) {
        if (index >= size())
            throw out_of_range("索引越界");
        // 元素数量超出容量时，触发扩容机制
        if (size() == capacity())
            extendCapacity();
        // 索引 i 以及之后的元素都向后移动一位
        for (int j = size() - 1; j >= index; j--) {
            nums[j + 1] = nums[j];
        }
        nums[index] = num;
        // 更新元素数量
        numsSize++;
    }

    /* 删除元素 */
    int remove(int index) {
        if (index >= size())
            throw out_of_range("索引越界");
        int num = nums[index];
        // 索引 i 之后的元素都向前移动一位
        for (int j = index; j < size() - 1; j++) {
            nums[j] = nums[j + 1];
        }
        // 更新元素数量
        numsSize--;
        // 返回被删除元素
        return num;
    }

    /* 列表扩容 */
    void extendCapacity() {
        // 新建一个长度为 size * extendRatio 的数组，并将原数组拷贝到新数组
        int newCapacity = capacity() * extendRatio;
        int* extend = new int[newCapacity];
        // 将原数组中的所有元素复制到新数组
        for (int i = 0; i < size(); i++) {
            extend[i] = nums[i];
        }
        int* temp = nums;
        nums = extend;
        delete[] temp;
        numsCapacity = newCapacity;
    }
};

my_list.py

""" 列表类简易实现 """
class MyList:
    """ 构造函数 """
    def __init__(self):
        self.__capacity = 10                 # 列表容量
        self.__nums = [0] * self.__capacity  # 数组（存储列表元素）
        self.__size = 0                      # 列表长度（即当前元素数量）
        self.__extend_ratio = 2              # 每次列表扩容的倍数

    """ 获取列表长度（即当前元素数量） """
    def size(self):
        return self.__size

    """ 获取列表容量 """
    def capacity(self):
        return self.__capacity

    """ 访问元素 """
    def get(self, index):
        # 索引如果越界则抛出异常，下同
        assert index < self.__size, "索引越界"
        return self.__nums[index]

    """ 更新元素 """
    def set(self, num, index):
        assert index < self.__size, "索引越界"
        self.__nums[index] = num

    """ 中间插入（尾部添加）元素 """
    def add(self, num, index=-1):
        assert index < self.__size, "索引越界"
        # 若不指定索引 index ，则向数组尾部添加元素
        if index == -1:
            index = self.__size
        # 元素数量超出容量时，触发扩容机制
        if self.__size == self.capacity():
            self.extend_capacity()
        # 索引 i 以及之后的元素都向后移动一位
        for j in range(self.__size - 1, index - 1, -1):
            self.__nums[j + 1] = self.__nums[j]
        self.__nums[index] = num
        # 更新元素数量
        self.__size += 1

    """ 删除元素 """
    def remove(self, index):
        assert index < self.__size, "索引越界"
        # 索引 i 之后的元素都向前移动一位
        for j in range(index, self.__size - 1):
            self.__nums[j] = self.__nums[j + 1]
        # 更新元素数量
        self.__size -= 1

    """ 列表扩容 """
    def extend_capacity(self):
        # 新建一个长度为 self.__size 的数组，并将原数组拷贝到新数组
        self.__nums = self.__nums + [0] * self.capacity() * (self.__extend_ratio - 1)
        # 更新列表容量
        self.__capacity = len(self.__nums)

my_list.go

my_list.js

/* 列表类简易实现 */
class MyList {
    #nums = new Array(); // 数组（存储列表元素）
    #capacity = 10; // 列表容量
    #size = 0; // 列表长度（即当前元素数量）
    #extendRatio = 2; // 每次列表扩容的倍数

    /* 构造函数 */
    constructor() {
        this.#nums = new Array(this.#capacity);
    }

    /* 获取列表长度（即当前元素数量）*/
    size() {
        return this.#size;
    }

    /* 获取列表容量 */
    capacity() {
        return this.#capacity;
    }

    /* 访问元素 */
    get(index) {
        // 索引如果越界则抛出异常，下同
        if (index >= this.#size) {
            throw new Error('索引越界');
        }
        return this.#nums[index];
    }

    /* 更新元素 */
    set(index, num) {
        if (index >= this._size) throw new Error('索引越界');
        this.#nums[index] = num;
    }

    /* 尾部添加元素 */
    add(num) {
        // 如果长度等于容量，则需要扩容
        if (this.#size === this.#capacity) {
            this.extendCapacity();
        }
        // 将新元素添加到列表尾部
        this.#nums[this.#size] = num;
        this.#size++;
    }

    /* 中间插入元素 */
    insert(index, num) {
        if (index >= this.#size) {
            throw new Error('索引越界');
        }
        // 元素数量超出容量时，触发扩容机制
        if (this.#size === this.#capacity) {
            this.extendCapacity();
        }
        // 将索引 index 以及之后的元素都向后移动一位
        for (let j = this.#size - 1; j >= index; j--) {
            this.#nums[j + 1] = this.#nums[j];
        }
        // 更新元素数量
        this.#nums[index] = num;
        this.#size++;
    }

    /* 删除元素 */
    remove(index) {
        if (index >= this.#size) throw new Error('索引越界');
        let num = this.#nums[index];
        // 将索引 index 之后的元素都向前移动一位
        for (let j = index; j < this.#size - 1; j++) {
            this.#nums[j] = this.#nums[j + 1];
        }
        // 更新元素数量
        this.#size--;
        // 返回被删除元素
        return num;
    }

    /* 列表扩容 */
    extendCapacity() {
        // 新建一个长度为 size 的数组，并将原数组拷贝到新数组
        this.#nums = this.#nums.concat(
            new Array(this.capacity() * (this.#extendRatio - 1))
        );
        // 更新列表容量
        this.#capacity = this.#nums.length;
    }
}

my_list.ts

/* 列表类简易实现 */
class MyList {
    private nums: Array<number>; // 数组（存储列表元素）
    private _capacity: number = 10; // 列表容量
    private _size: number = 0; // 列表长度（即当前元素数量）
    private extendRatio: number = 2; // 每次列表扩容的倍数

    /* 构造函数 */
    constructor() {
        this.nums = new Array(this._capacity);
    }

    /* 获取列表长度（即当前元素数量）*/
    public size(): number {
        return this._size;
    }

    /* 获取列表容量 */
    public capacity(): number {
        return this._capacity;
    }

    /* 访问元素 */
    public get(index: number): number {
        // 索引如果越界则抛出异常，下同
        if (index >= this._size) {
            throw new Error('索引越界');
        }
        return this.nums[index];
    }

    /* 更新元素 */
    public set(index: number, num: number): void {
        if (index >= this._size) throw new Error('索引越界');
        this.nums[index] = num;
    }

    /* 尾部添加元素 */
    public add(num: number): void {
        // 如果长度等于容量，则需要扩容
        if (this._size === this._capacity) {
            this.extendCapacity();
        }
        // 将新元素添加到列表尾部
        this.nums[this._size] = num;
        this._size++;
    }

    /* 中间插入元素 */
    public insert(index: number, num: number): void {
        if (index >= this._size) {
            throw new Error('索引越界');
        }
        // 元素数量超出容量时，触发扩容机制
        if (this._size === this._capacity) {
            this.extendCapacity();
        }
        // 将索引 index 以及之后的元素都向后移动一位
        for (let j = this._size - 1; j >= index; j--) {
            this.nums[j + 1] = this.nums[j];
        }
        // 更新元素数量
        this.nums[index] = num;
        this._size++;
    }

    /* 删除元素 */
    public remove(index: number): number {
        if (index >= this._size) throw new Error('索引越界');
        let num = this.nums[index];
        // 将索引 index 之后的元素都向前移动一位
        for (let j = index; j < this._size - 1; j++) {
            this.nums[j] = this.nums[j + 1];
        }
        // 更新元素数量
        this._size--;
        // 返回被删除元素
        return num;
    }

    /* 列表扩容 */
    public extendCapacity(): void {
        // 新建一个长度为 size 的数组，并将原数组拷贝到新数组
        this.nums = this.nums.concat(
            new Array(this.capacity() * (this.extendRatio - 1))
        );
        // 更新列表容量
        this._capacity = this.nums.length;
    }
}

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