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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)
```

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列表常用操作

列表简易实现 *

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