08 | container包中的那些容器
我們在上次討論了陣列和切片，當我們提到陣列的時候，往往會想起連結串列。那麼 Go 語言的連結串列是什麼樣的呢？
Go 語言的連結串列實現在標準庫的container/list程式碼包中。這個程式碼包中有兩個公開的程式實體——List和Element，List 實現了一個雙向連結串列（以下簡稱連結串列），而 Element 則代表了連結串列中元素的結構。
那麼，我今天的問題是：可以把自己生成的Element型別值傳給連結串列嗎？
我們在這裡用到了List的四種方法。
MoveBefore方法和MoveAfter方法，它們分別用於把給定的元素移動到另一個元素的前面和後面。
MoveToFront方法和MoveToBack方法，分別用於把給定的元素移動到連結串列的最前端和最後端。
在這些方法中，“給定的元素”都是Element型別的，Element型別是Element型別的指標型別，*Element的值就是元素的指標。
func (l *List) MoveBefore(e, mark *Element)
func (l *List) MoveAfter(e, mark *Element)
func (l *List) MoveToFront(e *Element)
func (l *List) MoveToBack(e *Element)
具體問題是，如果我們自己生成這樣的值，然後把它作為“給定的元素”傳給連結串列的方法，那麼會發生什麼？連結串列會接受它嗎？
這裡，給出一個典型回答：不會接受，這些方法將不會對連結串列做出任何改動。因為我們自己生成的Element值並不在連結串列中，所以也就談不上“在連結串列中移動元素”。更何況連結串列不允許我們把自己生成的Element值插入其中。
問題解析
在List包含的方法中，用於插入新元素的那些方法都只接受interface{}型別的值。這些方法在內部會使用Element值，包裝接收到的新元素。
這樣做正是為了避免直接使用我們自己生成的元素，主要原因是避免連結串列的內部關聯，遭到外界破壞，這對於連結串列本身以及我們這些使用者來說都是有益的。
List的方法還有下面這幾種：
Front和Back方法分別用於獲取連結串列中最前端和最後端的元素，
InsertBefore和InsertAfter方法分別用於在指定的元素之前和之後插入新元素，PushFront和PushBack方法則分別用於在連結串列的最前端和最後端插入新元素。
func (l *List) Front() *Element
func (l *List) Back() *Element
func (l *List) InsertBefore(v interface{}, mark *Element) *Element
func (l *List) InsertAfter(v interface{}, mark *Element) *Element
func (l *List) PushFront(v interface{}) *Element
func (l *List) PushBack(v interface{}) *Element
這些方法都會把一個Element值的指標作為結果返回，它們就是連結串列留給我們的安全“介面”。拿到這些內部元素的指標，我們就可以去呼叫前面提到的用於移動元素的方法了。
知識擴充套件
1. 問題：為什麼連結串列可以做到開箱即用？
List和Element都是結構體型別。結構體型別有一個特點，那就是它們的零值都會是擁有特定結構，但是沒有任何定製化內容的值，相當於一個空殼。值中的欄位也都會被分別賦予各自型別的零值。
廣義來講，所謂的零值就是隻做了宣告，但還未做初始化的變數被給予的預設值。每個型別的零值都會依據該型別的特性而被設定。比如，經過語句var a [2]int宣告的變數a的值，將會是一個包含了兩個0的整數陣列。又比如，經過語句var s []int宣告的變數s的值將會是一個[]int型別的、值為nil的切片。
那麼經過語句var l list.List宣告的變數l的值將會是什麼呢？
List這個結構體型別有兩個欄位，一個是Element型別的欄位root，另一個是int型別的欄位len。顧名思義，前者代表的就是那個根元素，而後者用於儲存連結串列的長度。注意，它們都是包級私有的，也就是說使用者無法檢視和修改它們。
像前面那樣宣告的l，其欄位root和len都會被賦予相應的零值。len的零值是0，正好可以表明該連結串列還未包含任何元素。由於root是Element型別的，所以它的零值就是該型別的空殼，用字面量表示的話就是Element{}。
Element型別包含了幾個包級私有的欄位，分別用於儲存前一個元素、後一個元素以及所屬連結串列的指標值。另外還有一個名叫Value的公開的欄位，該欄位的作用就是持有元素的實際值，它是interface{}型別的。在Element型別的零值中，這些欄位的值都會是nil。
這個零值將會是一個長度為0的連結串列。這個連結串列持有的根元素也將會是一個空殼，其中只會包含預設的內容。那這樣的連結串列我們可以直接拿來使用嗎？
答案是，可以的。這被稱為“開箱即用”。Go 語言標準庫中很多結構體型別的程式實體都做到了開箱即用。這也是在編寫可供別人使用的程式碼包（或者說程式庫）時，我們推薦遵循的最佳實踐之一。那麼，語句var l list.List宣告的連結串列l可以直接使用，這是怎麼做到的呢？
關鍵在於它的“延遲初始化”機制。
所謂的延遲初始化，你可以理解為把初始化操作延後，僅在實際需要的時候才進行。延遲初始化的優點在於“延後”，它可以分散初始化操作帶來的計算量和儲存空間消耗。
例如，如果我們需要集中宣告非常多的大容量切片的話，那麼那時的 CPU 和記憶體空間的使用量肯定都會一個激增，並且只有設法讓其中的切片及其底層陣列被回收，記憶體使用量才會有所降低。
如果陣列是可以被延遲初始化的，那麼計算量和儲存空間的壓力就可以被分散到實際使用它們的時候。這些陣列被實際使用的時間越分散，延遲初始化帶來的優勢就會越明顯。
實際上，Go 語言的切片就起到了延遲初始化其底層陣列的作用，你可以想一想為什麼會這麼說的理由。延遲初始化的缺點恰恰也在於“延後”。你可以想象一下，如果我在呼叫連結串列的每個方法的時候，它們都需要先去判斷連結串列是否已經被初始化，那這也會是一個計算量上的浪費。在這些方法被非常頻繁地呼叫的情況下，這種浪費的影響就開始顯現了，程式的效能將會降低。
在這裡的連結串列實現中，一些方法是無需對是否初始化做判斷的。比如Front方法和Back方法，一旦發現連結串列的長度為0, 直接返回nil就好了。
又比如，在用於刪除元素、移動元素，以及一些用於插入元素的方法中，只要判斷一下傳入的元素中指向所屬連結串列的指標，是否與當前連結串列的指標相等就可以了。
如果不相等，就一定說明傳入的元素不是這個連結串列中的，後續的操作就不用做了。反之，就一定說明這個連結串列已經被初始化了。
原因在於，連結串列的PushFront方法、PushBack方法、PushBackList方法以及PushFrontList方法總會先判斷連結串列的狀態，並在必要時進行初始化，這就是延遲初始化。
而且，我們在向一個空的連結串列中新增新元素的時候，肯定會呼叫這四個方法中的一個，這時新元素中指向所屬連結串列的指標，一定會被設定為當前連結串列的指標。所以，指標相等是連結串列已經初始化的充分必要條件。
明白了嗎？List利用了自身以及Element在結構上的特點，巧妙地平衡了延遲初始化的優缺點，使得連結串列可以開箱即用，並且在效能上可以達到最優。
問題 2：Ring與List的區別在哪兒？
container/ring包中的Ring型別實現的是一個迴圈連結串列，也就是我們俗稱的環。其實List在內部就是一個迴圈連結串列。它的根元素永遠不會持有任何實際的元素值，而該元素的存在就是為了連線這個迴圈連結串列的首尾兩端。
所以也可以說，List的零值是一個只包含了根元素，但不包含任何實際元素值的空連結串列。那麼，既然Ring和List在本質上都是迴圈連結串列，那它們到底有什麼不同呢？
最主要的不同有下面幾種。
- Ring型別的資料結構僅由它自身即可代表，而List型別則需要由它以及Element型別聯合表示。這是表示方式上的不同，也是結構複雜度上的不同。
- 一個Ring型別的值嚴格來講，只代表了其所屬的迴圈連結串列中的一個元素，而一個List型別的值則代表了一個完整的連結串列。這是表示維度上的不同。
- 在建立並初始化一個Ring值的時候，我們可以指定它包含的元素的數量，但是對於一個List值來說卻不能這樣做（也沒有必要這樣做）。迴圈連結串列一旦被建立，其長度是不可變的。這是兩個程式碼包中的New函式在功能上的不同，也是兩個型別在初始化值方面的第一個不同。
- 僅通過var r ring.Ring語句宣告的r將會是一個長度為1的迴圈連結串列，而List型別的零值則是一個長度為0的連結串列。別忘了List中的根元素不會持有實際元素值，因此計算長度時不會包含它。這是兩個型別在初始化值方面的第二個不同。
- Ring值的Len方法的演算法複雜度是 O(N) 的，而List值的Len方法的演算法複雜度則是 O(1) 的。這是兩者在效能方面最顯而易見的差別。
其他的不同基本上都是方法方面的了。比如，迴圈連結串列也有用於插入、移動或刪除元素的方法，不過用起來都顯得更抽象一些，等等。
總結
我們今天主要討論了container/list包中的連結串列實現。我們詳細講解了連結串列的一些主要的使用技巧和實現特點。由於此連結串列實現在內部就是一個迴圈連結串列，所以我們還把它與container/ring包中的迴圈連結串列實現做了一番比較，包括結構、初始化以及效能方面。
思考題
- container/ring包中的迴圈連結串列的適用場景都有哪些？
- 你使用過container/heap包中的堆嗎？它的適用場景又有哪些呢？
參考閱讀
切片與陣列的比較
切片本身有著佔用記憶體少和建立便捷等特點，但它的本質上還是陣列。切片的一大好處是可以讓我們通過視窗快速地定位並獲取，或者修改底層陣列中的元素。
不過，當我們想刪除切片中的元素的時候就沒那麼簡單了。元素複製一般是免不了的，就算只刪除一個元素，有時也會造成大量元素的移動。這時還要注意空出的元素槽位的“清空”，否則很可能會造成記憶體洩漏。
另一方面，在切片被頻繁“擴容”的情況下，新的底層陣列會不斷產生，這時記憶體分配的量以及元素複製的次數可能就很可觀了，這肯定會對程式的效能產生負面的影響。
尤其是當我們沒有一個合理、有效的”縮容“策略的時候，舊的底層陣列無法被回收，新的底層陣列中也會有大量無用的元素槽位。過度的記憶體浪費不但會降低程式的效能，還可能會使記憶體溢位並導致程式崩潰。
由此可見，正確地使用切片是多麼的重要。不過，一個更重要的事實是，任何資料結構都不是銀彈。不是嗎？陣列的自身特點和適用場景都非常鮮明，切片也是一樣。它們都是 Go 語言原生的資料結構，使用起來也都很方便. 不過，你的集合類工具箱中不應該只有它們。這就是我們使用連結串列的原因。
不過，對比來看，一個連結串列所佔用的記憶體空間，往往要比包含相同元素的陣列所佔記憶體大得多。這是由於連結串列的元素並不是連續儲存的，所以相鄰的元素之間需要互相儲存對方的指標。不但如此，每個元素還要存有它所屬連結串列的指標。
有了這些關聯，連結串列的結構反倒更簡單了。它只持有頭部元素（或稱為根元素）基本上就可以了。當然了，為了防止不必要的遍歷和計算，連結串列的長度記錄在內也是必須的。
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