Python及C++中的列表

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一、Python中的列表（List）

Python的列表是动态数组，内置于语言中，功能强大且易用，非常适合算法竞赛。

1. 基本概念

• 定义：列表是一个有序、可变的序列，可以存储任意类型的元素（整数、字符串、甚至其他列表等）。

• 声明方式 ：

  my_list = []  # 空列表
  my_list = [1, 2, 3]  # 包含元素的列表
  mixed_list = [1, "hello", 3.14]  # 混合类型

• 特点 ：

  • 动态大小：可以随时添加或删除元素，无需预先指定大小。
  • 可变性：可以修改列表中的元素。
  • 索引：支持正向索引（从0开始）和负向索引（从-1开始倒数）。
  • 内存：Python列表内部是动态数组，扩容时会分配更多空间（通常是当前大小的1.5到2倍）。

2. 常用操作

以下是Python列表的核心操作，时间复杂度标注在括号中：

• 访问元素 ：my_list[i] （O(1)）

  print(my_list[0])  # 访问第一个元素
  print(my_list[-1])  # 访问最后一个元素

• 修改元素 ：my_list[i] = value （O(1)）

  my_list[0] = 10  # 将第一个元素改为10

• 追加元素 ：append(value) （均摊O(1)）

  my_list.append(4)  # 在末尾添加4

• 插入元素 ：insert(index, value) （O(n)，因为需要移动元素）

  my_list.insert(1, 5)  # 在索引1处插入5

• 删除元素 ：

  • pop(index)：删除并返回指定索引的元素，默认删除末尾（O(1)末尾，O(n)其他位置）

    my_list.pop()  # 删除末尾元素
    my_list.pop(0)  # 删除第一个元素

  • remove(value)：删除第一个匹配的值（O(n)，因为需要查找）

    my_list.remove(2)  # 删除值为2的元素

• 切片 ：my_list[start:end:step] （O(k)，k是切片长度）

  print(my_list[1:3])  # 获取索引1到2的子列表
  print(my_list[::-1])  # 反转列表

• 长度 ：len(my_list) （O(1)）

• 排序 ：sort()（原地排序，O(n log n)）或sorted()（返回新列表）

  my_list.sort()  # 默认升序
  my_list.sort(reverse=True)  # 降序
  new_list = sorted(my_list)  # 返回排序后的新列表

• 查找 ：value in my_list （O(n)）

  if 3 in my_list:
      print("Found")

3. 高级用法

• 列表推导式 ：快速生成列表。

  squares = [x**2 for x in range(5)]  # [0, 1, 4, 9, 16]
  evens = [x for x in my_list if x % 2 == 0]  # 提取偶数

• 嵌套列表 ：实现二维数组（矩阵）。

  matrix = [[1, 2], [3, 4]]
  print(matrix[0][1])  # 访问第1行第2列

  注意 ：二维列表初始化时要小心浅拷贝问题：

  # 错误：所有行指向同一对象
  matrix = [[0] * 3] * 3
  # 正确：
  matrix = [[0 for _ in range(3)] for _ in range(3)]

4. 竞赛中的应用

• 动态数组：Python列表适合大多数需要动态调整大小的场景，如存储输入数据。
• 栈和队列 ：用append()和pop()实现栈，用append()和pop(0)实现队列（不过pop(0)是O(n)，建议用collections.deque优化队列操作）。
• 排序和搜索 ：内置的sort()和sorted()非常高效，适合排序相关问题。
• 多维数组：处理矩阵、图的邻接表等。

5. 注意事项

• 性能 ：pop(0)和insert(0, value)是O(n)，如果需要频繁操作列表头部，考虑用collections.deque。

• 内存：列表动态扩容可能导致内存开销，尽量预估大小。

• 浅拷贝 vs 深拷贝 ：

  a = [1, 2, 3]
  b = a  # 浅拷贝，指向同一对象
  c = a.copy()  # 深拷贝（一级）
  import copy
  d = copy.deepcopy(a)  # 完全深拷贝（多级嵌套）

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二、C++中的列表（std::vector）

C++没有直接的"列表"概念，但std::vector是最接近Python列表的动态数组结构，广泛用于算法竞赛。C++还有std::list（双向链表），但竞赛中极少使用，因为链表操作较慢。

1. 基本概念

• 定义 ：std::vector是C++标准模板库（STL）中的动态数组，支持随机访问和动态调整大小。

• 头文件 ：需要包含<vector>。

  #include <vector>
  using namespace std;

• 声明方式 ：

  vector<int> vec;  // 空向量
  vector<int> vec = {1, 2, 3};  // 初始化
  vector<int> vec(5, 0);  // 5个0

• 特点 ：

  • 动态大小：可以自动扩容，类似Python列表。
  • 类型安全 ：必须指定元素类型（如int、double等）。
  • 连续内存：元素存储在连续内存中，支持随机访问（O(1)）。
  • 扩容机制：当容量不足时，分配更大内存（通常2倍），拷贝元素，释放旧内存。

2. 常用操作

以下是std::vector的核心操作，时间复杂度标注在括号中：

• 访问元素 ：vec[i]或vec.at(i) （O(1)）

  cout << vec[0] << endl;  // 第一个元素
  cout << vec.back() << endl;  // 最后一个元素

  注意 ：vec[i]不检查越界，vec.at(i)会抛异常。

• 修改元素 ：vec[i] = value （O(1)）

  vec[0] = 10;

• 追加元素 ：push_back(value) （均摊O(1)）

  vec.push_back(4);  // 在末尾添加4

• 删除元素 ：

  • pop_back()：删除末尾元素（O(1)）

    vec.pop_back();

  • erase(iterator)：删除指定位置元素（O(n)，因为需要移动元素）

    vec.erase(vec.begin());  // 删除第一个元素
    vec.erase(vec.begin() + 2);  // 删除第3个元素

• 插入元素 ：insert(iterator, value) （O(n)，因为需要移动元素）

  vec.insert(vec.begin() + 1, 5);  // 在索引1处插入5

• 大小和容量 ：

  • size()：返回元素个数（O(1)）

  • capacity()：返回当前分配的内存大小（O(1)）

  • resize(n)：调整大小，不足补默认值，多了截断

  • reserve(n)：预分配内存，避免频繁扩容

    vec.reserve(100);  // 预分配100个元素的空间

• 清空 ：clear() （O(1)，仅清空元素，不释放内存）

  vec.clear();

• 排序 ：需要<algorithm>库的sort函数（O(n log n)）

  #include <algorithm>
  sort(vec.begin(), vec.end());  // 升序
  sort(vec.begin(), vec.end(), greater<int>());  // 降序

• 查找 ：find或手动遍历（O(n)）

  auto it = find(vec.begin(), vec.end(), 3);
  if (it != vec.end()) cout << "Found" << endl;

3. 高级用法

• 迭代器 ：用于遍历或操作。

  for (auto it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {
      cout << *it << " ";
  }

  或用范围for循环（C++11）：

  for (int x : vec) {
      cout << x << " ";
  }

• 二维向量 ：实现矩阵。

  vector<vector<int>> matrix(3, vector<int>(3, 0));  // 3x3矩阵，初始化为0
  matrix[0][1] = 5;  // 修改第1行第2列

• 自定义比较 ：排序时可以传递比较函数。

  sort(vec.begin(), vec.end(), [](int a, int b) { return a > b; });  // 降序

4. 竞赛中的应用

• 动态数组 ：vector适合需要动态调整大小的场景，如存储图的邻接表。
• 栈 ：用push_back()和pop_back()实现栈。
• 排序和搜索 ：结合sort和binary_search处理有序数据。
• 矩阵和图 ：二维vector用于表示矩阵或邻接表。

5. 注意事项

• 性能 ：push_back均摊O(1)，但扩容可能导致拷贝开销，建议用reserve预分配空间。

• 越界访问 ：vec[i]不检查越界，可能导致未定义行为，建议用at(i)或检查size()。

• 内存管理 ：clear()不释放内存，需用shrink_to_fit()或swap技巧：

  vector<int>().swap(vec);  // 释放内存

• 迭代器失效：插入或删除元素可能导致迭代器失效，需小心。

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三、Python列表与C++ vector的对比

特性/操作	Python List	C++ std::vector
类型	动态数组，内置类型	动态数组，STL模板类
元素类型	任意类型（动态类型）	固定类型（静态类型）
内存分配	动态扩容（1.5-2倍）	动态扩容（通常2倍）
访问	O(1)，支持负索引	O(1)，无负索引
追加	append，均摊O(1)	push_back，均摊O(1)
插入/删除	O(n)，头部操作慢	O(n)，头部操作慢
切片	支持，O(k)	不支持，需手动实现
排序	sort()/sorted()，O(n log n)	std::sort，O(n log n)
内存管理	自动管理	需手动优化（如reserve）
竞赛适用性	简单易用，适合快速原型	性能更高，适合严格时间限制

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四、算法竞赛中的建议

1. 常见问题与优化 ：

   • 输入处理 ：

     • Python：input().split()或list(map(int, input().split()))。

     • C++：cin配合vector。

       int n; cin >> n;
       vector<int> vec(n);
       for (int i = 0; i < n; ++i) cin >> vec[i];

   • 性能优化 ：

     • Python：避免频繁的pop(0)，用deque替代。
     • C++：用reserve减少扩容，ios::sync_with_stdio(false)加速I/O。

   • 调试 ：

     • Python：用print快速调试。
     • C++：用cout或调试器，注意越界问题。

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