11 KiB
11 KiB
| comments |
|---|
| true |
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。
=== "Java"
```java title="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));
```
=== "C++"
```cpp title="list.cpp"
```
=== "Python"
```python title="list.py"
""" 初始化列表 """
list = [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"
```
=== "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
```
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"
```
=== "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
```
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"
```
=== "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
```
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"
```
=== "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
```
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"
```
=== "Python"
```python title="list.py"
""" 排序列表 """
list.sort() # 排序后，列表元素从小到大排列
```
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"
/* 列表类简易实现 */
class MyList {
int[] nums; // 数组（存储列表元素）
int initialCapacity = 10; // 列表初始容量
int size = 0; // 列表长度（即当前元素数量）
int extendRatio = 2; // 每次列表扩容的倍数
/* 构造函数 */
public MyList() {
nums = new int[initialCapacity];
}
/* 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 nums.length;
}
/* 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 == nums.length)
extendCapacity();
nums[size] = num;
// 更新元素数量
size++;
}
/* 中间插入元素 */
public void add(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 == nums.length)
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
size++;
}
/* 删除元素 */
public void remove(int index) {
if (index >= size)
throw new IndexOutOfBoundsException("索引越界");
// 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
size--;
}
/* 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, nums.length * extendRatio);
}
}
```
=== "C++"
```cpp title="my_list.cpp"
```
=== "Python"
```python title="my_list.py"
""" 列表类简易实现 """
class MyList:
""" 构造函数 """
def __init__(self):
self._initial_capacity = 10 # 列表初始容量
self._nums = [0] * self._initial_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 len(self._nums)
""" 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
""" 中间插入元素 """
def add(self, num, index=-1):
assert index < self._size, "索引越界"
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)
```