# Список

<u>Список (list)</u> — это абстрактная концепция структуры данных, которая представляет упорядоченную коллекцию элементов, поддерживающую операции доступа, изменения, добавления, удаления и обхода элементов, без необходимости учитывать ограничения по емкости. Список может быть реализован на основе связного списка или массива.

- Связный список естественным образом можно рассматривать как список, он поддерживает операции добавления, удаления, поиска и изменения элементов, а также может гибко динамически расширяться.
- Массив также поддерживает операции добавления, удаления, поиска и изменения элементов, но из-за неизменности его длины его можно рассматривать только как список с ограничением по длине.

При реализации списка с помощью массива **свойство неизменности длины приводит к снижению практичности списка**. Это связано с тем, что мы обычно не можем заранее определить, сколько данных необходимо хранить, что затрудняет выбор подходящей длины списка. Если длина слишком мала, то, скорее всего, не удастся удовлетворить потребности использования; если длина слишком велика, это приведет к потере памяти.

Для решения этой проблемы мы можем использовать <u>динамический массив (dynamic array)</u> для реализации списка. Он наследует все преимущества массива и может динамически расширяться во время выполнения программы.

На самом деле, **многие стандартные библиотеки языков программирования предоставляют списки, реализованные на основе динамических массивов**, например `list` в Python, `ArrayList` в Java, `vector` в C++ и `List` в C#. В дальнейшем обсуждении мы будем рассматривать «список» и «динамический массив» как эквивалентные понятия.

## Основные операции со списком

### Инициализация списка

Обычно мы используем два метода инициализации: «без начальных значений» и «с начальными значениями»:

=== "Python"

    ```python title="list.py"
    # Инициализация списка
    # Без начальных значений
    nums1: list[int] = []
    # С начальными значениями
    nums: list[int] = [1, 3, 2, 5, 4]
    ```

=== "C++"

    ```cpp title="list.cpp"
    /* Инициализация списка */
    // Обратите внимание, что в C++ vector является описываемым здесь nums
    // Без начальных значений
    vector<int> nums1;
    // С начальными значениями
    vector<int> nums = { 1, 3, 2, 5, 4 };
    ```

=== "Java"

    ```java title="list.java"
    /* Инициализация списка */
    // Без начальных значений
    List<Integer> nums1 = new ArrayList<>();
    // С начальными значениями (обратите внимание, что тип элементов массива должен быть Integer[] — обёрткой int[])
    Integer[] numbers = new Integer[] { 1, 3, 2, 5, 4 };
    List<Integer> nums = new ArrayList<>(Arrays.asList(numbers));
    ```

=== "C#"

    ```csharp title="list.cs"
    /* Инициализация списка */
    // Без начальных значений
    List<int> nums1 = [];
    // С начальными значениями
    int[] numbers = [1, 3, 2, 5, 4];
    List<int> nums = [.. numbers];
    ```

=== "Go"

    ```go title="list_test.go"
    /* Инициализация списка */
    // Без начальных значений
    nums1 := []int{}
    // С начальными значениями
    nums := []int{1, 3, 2, 5, 4}
    ```

=== "Swift"

    ```swift title="list.swift"
    /* Инициализация списка */
    // Без начальных значений
    let nums1: [Int] = []
    // С начальными значениями
    var nums = [1, 3, 2, 5, 4]
    ```

=== "JS"

    ```javascript title="list.js"
    /* Инициализация списка */
    // Без начальных значений
    const nums1 = [];
    // С начальными значениями
    const nums = [1, 3, 2, 5, 4];
    ```

=== "TS"

    ```typescript title="list.ts"
    /* Инициализация списка */
    // Без начальных значений
    const nums1: number[] = [];
    // С начальными значениями
    const nums: number[] = [1, 3, 2, 5, 4];
    ```

=== "Dart"

    ```dart title="list.dart"
    /* Инициализация списка */
    // Без начальных значений
    List<int> nums1 = [];
    // С начальными значениями
    List<int> nums = [1, 3, 2, 5, 4];
    ```

=== "Rust"

    ```rust title="list.rs"
    /* Инициализация списка */
    // Без начальных значений
    let nums1: Vec<i32> = Vec::new();
    // С начальными значениями
    let nums: Vec<i32> = vec![1, 3, 2, 5, 4];
    ```

=== "C"

    ```c title="list.c"
    // C не предоставляет встроенный динамический массив
    ```

=== "Kotlin"

    ```kotlin title="list.kt"
    /* Инициализация списка */
    // Без начальных значений
    var nums1 = listOf<Int>()
    // С начальными значениями
    var numbers = arrayOf(1, 3, 2, 5, 4)
    var nums = numbers.toMutableList()
    ```

=== "Ruby"

    ```ruby title="list.rb"
    # Инициализация списка
    # Без начальных значений
    nums1 = []
    # С начальными значениями
    nums = [1, 3, 2, 5, 4]
    ```

??? pythontutor "Визуализация выполнения"

    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

### Доступ к элементам

Список по сути является массивом, поэтому можно получить доступ и обновить элементы за время $O(1)$, что очень эффективно.

=== "Python"

    ```python title="list.py"
    # Доступ к элементам
    num: int = nums[1]  # Доступ к элементу по индексу 1

    # Обновление элементов
    nums[1] = 0    # Обновление элемента по индексу 1 до 0
    ```

=== "C++"

    ```cpp title="list.cpp"
    /* Доступ к элементам */
    int num = nums[1];  // Доступ к элементу по индексу 1

    /* Обновление элементов */
    nums[1] = 0;  // Обновление элемента по индексу 1 до 0
    ```

=== "Java"

    ```java title="list.java"
    /* Доступ к элементам */
    int num = nums.get(1);  // Доступ к элементу по индексу 1

    /* Обновление элементов */
    nums.set(1, 0);  // Обновление элемента по индексу 1 до 0
    ```

=== "C#"

    ```csharp title="list.cs"
    /* Доступ к элементам */
    int num = nums[1];  // Доступ к элементу по индексу 1

    /* Обновление элементов */
    nums[1] = 0;  // Обновление элемента по индексу 1 до 0
    ```

=== "Go"

    ```go title="list_test.go"
    /* Доступ к элементам */
    num := nums[1]  // Доступ к элементу по индексу 1

    /* Обновление элементов */
    nums[1] = 0     // Обновление элемента по индексу 1 до 0
    ```

=== "Swift"

    ```swift title="list.swift"
    /* Доступ к элементам */
    let num = nums[1] // Доступ к элементу по индексу 1

    /* Обновление элементов */
    nums[1] = 0 // Обновление элемента по индексу 1 до 0
    ```

=== "JS"

    ```javascript title="list.js"
    /* Доступ к элементам */
    const num = nums[1];  // Доступ к элементу по индексу 1

    /* Обновление элементов */
    nums[1] = 0;  // Обновление элемента по индексу 1 до 0
    ```

=== "TS"

    ```typescript title="list.ts"
    /* Доступ к элементам */
    const num: number = nums[1];  // Доступ к элементу по индексу 1

    /* Обновление элементов */
    nums[1] = 0;  // Обновление элемента по индексу 1 до 0
    ```

=== "Dart"

    ```dart title="list.dart"
    /* Доступ к элементам */
    int num = nums[1];  // Доступ к элементу по индексу 1

    /* Обновление элементов */
    nums[1] = 0;  // Обновление элемента по индексу 1 до 0
    ```

=== "Rust"

    ```rust title="list.rs"
    /* Доступ к элементам */
    let num: i32 = nums[1];  // Доступ к элементу по индексу 1
    /* Обновление элементов */
    nums[1] = 0;             // Обновление элемента по индексу 1 до 0
    ```

=== "C"

    ```c title="list.c"
    // C не предоставляет встроенный динамический массив
    ```

=== "Kotlin"

    ```kotlin title="list.kt"
    /* Доступ к элементам */
    val num = nums[1]       // Доступ к элементу по индексу 1
    /* Обновление элементов */
    nums[1] = 0             // Обновление элемента по индексу 1 до 0
    ```

=== "Ruby"

    ```ruby title="list.rb"
    # Доступ к элементам
    num = nums[1] # Доступ к элементу по индексу 1
    # Обновление элементов
    nums[1] = 0 # Обновление элемента по индексу 1 до 0
    ```

??? pythontutor "Визуализация выполнения"

    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

### Вставка и удаление элементов

По сравнению с массивом, список может свободно добавлять и удалять элементы. Добавление элементов в конец списка имеет временную сложность $O(1)$, но эффективность вставки и удаления элементов остается такой же, как у массива, с временной сложностью $O(n)$.

=== "Python"

    ```python title="list.py"
    # Очистка списка
    nums.clear()

    # Добавление элементов в конец
    nums.append(1)
    nums.append(3)
    nums.append(2)
    nums.append(5)
    nums.append(4)

    # Вставка элемента в середину
    nums.insert(3, 6)  # Вставка числа 6 по индексу 3

    # Удаление элемента
    nums.pop(3)        # Удаление элемента по индексу 3
    ```

=== "C++"

    ```cpp title="list.cpp"
    /* Очистка списка */
    nums.clear();

    /* Добавление элементов в конец */
    nums.push_back(1);
    nums.push_back(3);
    nums.push_back(2);
    nums.push_back(5);
    nums.push_back(4);

    /* Вставка элемента в середину */
    nums.insert(nums.begin() + 3, 6);  // Вставка числа 6 по индексу 3

    /* Удаление элемента */
    nums.erase(nums.begin() + 3);      // Удаление элемента по индексу 3
    ```

=== "Java"

    ```java title="list.java"
    /* Очистка списка */
    nums.clear();

    /* Добавление элементов в конец */
    nums.add(1);
    nums.add(3);
    nums.add(2);
    nums.add(5);
    nums.add(4);

    /* Вставка элемента в середину */
    nums.add(3, 6);  // Вставка числа 6 по индексу 3

    /* Удаление элемента */
    nums.remove(3);  // Удаление элемента по индексу 3
    ```

=== "C#"

    ```csharp title="list.cs"
    /* Очистка списка */
    nums.Clear();

    /* Добавление элементов в конец */
    nums.Add(1);
    nums.Add(3);
    nums.Add(2);
    nums.Add(5);
    nums.Add(4);

    /* Вставка элемента в середину */
    nums.Insert(3, 6);  // Вставка числа 6 по индексу 3

    /* Удаление элемента */
    nums.RemoveAt(3);  // Удаление элемента по индексу 3
    ```

=== "Go"

    ```go title="list_test.go"
    /* Очистка списка */
    nums = nil

    /* Добавление элементов в конец */
    nums = append(nums, 1)
    nums = append(nums, 3)
    nums = append(nums, 2)
    nums = append(nums, 5)
    nums = append(nums, 4)

    /* Вставка элемента в середину */
    nums = append(nums[:3], append([]int{6}, nums[3:]...)...) // Вставка числа 6 по индексу 3

    /* Удаление элемента */
    nums = append(nums[:3], nums[4:]...) // Удаление элемента по индексу 3
    ```

=== "Swift"

    ```swift title="list.swift"
    /* Очистка списка */
    nums.removeAll()

    /* Добавление элементов в конец */
    nums.append(1)
    nums.append(3)
    nums.append(2)
    nums.append(5)
    nums.append(4)

    /* Вставка элемента в середину */
    nums.insert(6, at: 3) // Вставка числа 6 по индексу 3

    /* Удаление элемента */
    nums.remove(at: 3) // Удаление элемента по индексу 3
    ```

=== "JS"

    ```javascript title="list.js"
    /* Очистка списка */
    nums.length = 0;

    /* Добавление элементов в конец */
    nums.push(1);
    nums.push(3);
    nums.push(2);
    nums.push(5);
    nums.push(4);

    /* Вставка элемента в середину */
    nums.splice(3, 0, 6); // Вставка числа 6 по индексу 3

    /* Удаление элемента */
    nums.splice(3, 1);  // Удаление элемента по индексу 3
    ```

=== "TS"

    ```typescript title="list.ts"
    /* Очистка списка */
    nums.length = 0;

    /* Добавление элементов в конец */
    nums.push(1);
    nums.push(3);
    nums.push(2);
    nums.push(5);
    nums.push(4);

    /* Вставка элемента в середину */
    nums.splice(3, 0, 6); // Вставка числа 6 по индексу 3

    /* Удаление элемента */
    nums.splice(3, 1);  // Удаление элемента по индексу 3
    ```

=== "Dart"

    ```dart title="list.dart"
    /* Очистка списка */
    nums.clear();

    /* Добавление элементов в конец */
    nums.add(1);
    nums.add(3);
    nums.add(2);
    nums.add(5);
    nums.add(4);

    /* Вставка элемента в середину */
    nums.insert(3, 6); // Вставка числа 6 по индексу 3

    /* Удаление элемента */
    nums.removeAt(3); // Удаление элемента по индексу 3
    ```

=== "Rust"

    ```rust title="list.rs"
    /* Очистка списка */
    nums.clear();

    /* Добавление элементов в конец */
    nums.push(1);
    nums.push(3);
    nums.push(2);
    nums.push(5);
    nums.push(4);

    /* Вставка элемента в середину */
    nums.insert(3, 6);  // Вставка числа 6 по индексу 3

    /* Удаление элемента */
    nums.remove(3);    // Удаление элемента по индексу 3
    ```

=== "C"

    ```c title="list.c"
    // C не предоставляет встроенный динамический массив
    ```

=== "Kotlin"

    ```kotlin title="list.kt"
    /* Очистка списка */
    nums.clear();

    /* Добавление элементов в конец */
    nums.add(1);
    nums.add(3);
    nums.add(2);
    nums.add(5);
    nums.add(4);

    /* Вставка элемента в середину */
    nums.add(3, 6);  // Вставка числа 6 по индексу 3

    /* Удаление элемента */
    nums.remove(3);  // Удаление элемента по индексу 3
    ```

=== "Ruby"

    ```ruby title="list.rb"
    # Очистка списка
    nums.clear

    # Добавление элементов в конец
    nums << 1
    nums << 3
    nums << 2
    nums << 5
    nums << 4

    # Вставка элемента в середину
    nums.insert(3, 6) # Вставка числа 6 по индексу 3

    # Удаление элемента
    nums.delete_at(3) # Удаление элемента по индексу 3
    ```

??? pythontutor "Визуализация выполнения"

    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

### Обход списка

Как и массив, список можно обходить по индексу, а также можно напрямую обходить элементы.

=== "Python"

    ```python title="list.py"
    # Обход списка по индексу
    count = 0
    for i in range(len(nums)):
        count += nums[i]

    # Прямой обход элементов списка
    for num in nums:
        count += num
    ```

=== "C++"

    ```cpp title="list.cpp"
    /* Обход списка по индексу */
    int count = 0;
    for (int i = 0; i < nums.size(); i++) {
        count += nums[i];
    }

    /* Прямой обход элементов списка */
    count = 0;
    for (int num : nums) {
        count += num;
    }
    ```

=== "Java"

    ```java title="list.java"
    /* Обход списка по индексу */
    int count = 0;
    for (int i = 0; i < nums.size(); i++) {
        count += nums.get(i);
    }

    /* Прямой обход элементов списка */
    for (int num : nums) {
        count += num;
    }
    ```

=== "C#"

    ```csharp title="list.cs"
    /* Обход списка по индексу */
    int count = 0;
    for (int i = 0; i < nums.Count; i++) {
        count += nums[i];
    }

    /* Прямой обход элементов списка */
    count = 0;
    foreach (int num in nums) {
        count += num;
    }
    ```

=== "Go"

    ```go title="list_test.go"
    /* Обход списка по индексу */
    count := 0
    for i := 0; i < len(nums); i++ {
        count += nums[i]
    }

    /* Прямой обход элементов списка */
    count = 0
    for _, num := range nums {
        count += num
    }
    ```

=== "Swift"

    ```swift title="list.swift"
    /* Обход списка по индексу */
    var count = 0
    for i in nums.indices {
        count += nums[i]
    }

    /* Прямой обход элементов списка */
    count = 0
    for num in nums {
        count += num
    }
    ```

=== "JS"

    ```javascript title="list.js"
    /* Обход списка по индексу */
    let count = 0;
    for (let i = 0; i < nums.length; i++) {
        count += nums[i];
    }

    /* Прямой обход элементов списка */
    count = 0;
    for (const num of nums) {
        count += num;
    }
    ```

=== "TS"

    ```typescript title="list.ts"
    /* Обход списка по индексу */
    let count = 0;
    for (let i = 0; i < nums.length; i++) {
        count += nums[i];
    }

    /* Прямой обход элементов списка */
    count = 0;
    for (const num of nums) {
        count += num;
    }
    ```

=== "Dart"

    ```dart title="list.dart"
    /* Обход списка по индексу */
    int count = 0;
    for (var i = 0; i < nums.length; i++) {
        count += nums[i];
    }

    /* Прямой обход элементов списка */
    count = 0;
    for (var num in nums) {
        count += num;
    }
    ```

=== "Rust"

    ```rust title="list.rs"
    // Обход списка по индексу
    let mut _count = 0;
    for i in 0..nums.len() {
        _count += nums[i];
    }

    // Прямой обход элементов списка
    _count = 0;
    for num in &nums {
        _count += num;
    }
    ```

=== "C"

    ```c title="list.c"
    // C не предоставляет встроенный динамический массив
    ```

=== "Kotlin"

    ```kotlin title="list.kt"
    /* Обход списка по индексу */
    var count = 0
    for (i in nums.indices) {
        count += nums[i]
    }

    /* Прямой обход элементов списка */
    for (num in nums) {
        count += num
    }
    ```

=== "Ruby"

    ```ruby title="list.rb"
    # Обход списка по индексу
    count =