C++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

1.   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.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 };

2.   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.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

3.   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 $O\left(1\right)$ ，但插入和删除元素的效率仍与数组相同，时间复杂度为 O$\left(n\right)$ 。

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

4.   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.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++;
}

5.   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.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());

6.   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.cpp

/* 排序列表 */
sort(list.begin(), list.end());  // 排序后，列表元素从小到大排列

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。

/* 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:
    /* 构造方法 */
    MyList() {
        nums = new int[numsCapacity];
    }

    /* 析构方法 */
    ~MyList() {
        delete[] nums;
    }

    /* 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 < 0 || 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 < 0 || 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 < 0 || 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();
        // 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
        numsSize++;
    }

    /* 删除元素 */
    int remove(int index) {
        if (index < 0 || 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() {
        // 新建一个长度为原数组 extendRatio 倍的新数组
        int newCapacity = capacity() * extendRatio;
        int *tmp = nums;
        nums = 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++) {
            nums[i] = tmp[i];
        }
        // 释放内存
        delete[] tmp;
        numsCapacity = newCapacity;
    }

    /* 将列表转换为 Vector 用于打印 */
    vector<int> toVector() {
        // 仅转换有效长度范围内的列表元素
        vector<int> vec(size());
        for (int i = 0; i < size(); i++) {
            vec[i] = nums[i];
        }
        return vec;
    }
};