C#中List是連結串列嗎？為什麼可以通過下標訪問

使用C#的同學對List應該並不陌生，我們不需要初始化它的大小，並且可以方便的使用Add和Remove方法執行新增和刪除操作，但卻可以使用下標來訪問它的資料，它是我們常說的連結串列嗎？

     List<int> ls = new List<int>();
     ls.Add(1);
     Console.WriteLine(ls[0]);      //輸出 1

先簡單回顧一下連結串列的概念。

什麼是連結串列

連結串列是一種線性表資料結構，在記憶體中它可以是非連續的，通過在每個結點中使用指標儲存下一個結點的地址來實現邏輯順序。一個結點由兩部分組成：一個是儲存資料元素的資料域，另一個是儲存下一個結點地址的指標域。

連結串列由很多種類，常見的有：單鏈表、雙鏈表和迴圈連結串列，它們實現的原理差別不大，相對於單鏈表只是多添加了一些特定的功能，所以今天主要講解最簡單、最常用的單鏈表。

單鏈表新增、刪除結點

由於連結串列是通過指標來指向下一個結點，所以新增和刪除操作需要改變指標的指向即可。並且它們的時間複雜度都是O(1).

單鏈表查詢指定結點

陣列可以通過下標和定址公式使用O(1)的時間複雜度來訪問指定結點，但是由於連結串列結點在記憶體中可以是非連續的，無法通過定址公式計算對應的記憶體地址，所以要查詢一個結點就只能依次遍歷，時間複雜度為O(n).

C#中的List

既然連結串列不能通過下標訪問，那上面例子中ls[0]為什麼會輸出1呢？

檢視原始碼，首先從它的Add方法開始，在vs中點選f12進入，發現跳轉到List類內部的SynchronizedList類中，Add函式定義如下

    public void Add(T item)
    {
        lock (_root)
        {
            _list.Add(item);
        }
    }

目前還沒有看出什麼問題，繼續檢視 _list.Add方法

    public void Add(T item)
    {
        if (_size == _items.Length)
        {
            //確保不超出容量，否則會執行擴容操作
            EnsureCapacity(_size + 1);
        }

        _items[_size++] = item;
        _version++;
    }

_items[_size++] = item這句看起來是不是很眼熟，不就是向陣列中新增一個元素嘛。為了嚴謹，我們再檢視_items是什麼

    private const int _defaultCapacity = 4;
    private T[] _items;
    private int _size;
    private int _version;

果不其然，_items就是一個泛型陣列，並且還有_size、_version等其他欄位

原來List其實並不是連結串列，在記憶體中它也是使用陣列來進行儲存的，只是對新增、刪除等操作進行了封裝，並且使其能夠“自動擴容”。

LinkedList連結串列

這才是C#中真正的連結串列，不過它不是最簡單的單鏈表，而是一個雙鏈表。單鏈表只有一個指標結點指向它的下一個元素，而雙鏈表中每個結點有兩個指標結點，一個指向它的下一個元素，另一個指向它的上一個元素。

下面是LinkedListNode的部分原始碼，可以看到它包含一個next指標和一個prev指標。

    internal LinkedList<T> list;
    internal LinkedListNode<T> next;
    internal LinkedListNode<T> prev;

具體怎麼使用，這裡就不具體講解了，看官方文件也比較容易理解。

連結串列和陣列的區別

ok，現在我們對陣列和連結串列都有了一定程度上的瞭解，那能不能歸納出它們之間有哪些區別呢？對陣列有不清楚的地方，可以檢視文章為什麼陣列從0開始編號。

從邏輯結構上看，它們都是屬於線性表這個資料結構
從記憶體上來看，陣列是順序儲存，佔用一塊連續的記憶體，大小固定，擴容成本大；連結串列是鏈式儲存，也就是非連續的，並且因為它多了一個指標，所以不存在大小限制，天然支援動態擴容，但佔用的記憶體也更大。
訪問操作：陣列可以支援“隨機訪問”，O(1)的時間複雜度；連結串列需要按順序逐個訪問，O(n)的時間複雜度.
新增和刪除操作：陣列的時間複雜度為O(n); 連結串列的時間複雜度為O(1)
作業系統記憶體管理方面，藉助CPU的快取機制，可以預讀陣列的內容，所以訪問效率更高，而連結串列則不行。

C#中List是連結串列嗎？為什麼可以通過下標訪問