C#中List是链表吗？为什么可以通过下标访问

使用C#的同学对List应该并不陌生，我们不需要初始化它的大小，并且可以方便的使用Add和Remove方法执行添加和删除操作，但却可以使用下标来访问它的数据，它是我们常说的链表吗？

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

先简单回顾一下链表的概念。

什么是链表

链表是一种线性表数据结构，在内存中它可以是非连续的，通过在每个结点中使用指针存储下一个结点的地址来实现逻辑顺序。一个结点由两部分组成：一个是存储数据元素的数据域，另一个是存储下一个结点地址的指针域。

链表由很多种类，常见的有：单链表、双链表和循环链表，它们实现的原理差别不大，相对于单链表只是多添加了一些特定的功能，所以今天主要讲解最简单、最常用的单链表。

单链表添加、删除结点

由于链表是通过指针来指向下一个结点，所以添加和删除操作需要改变指针的指向即可。并且它们的时间复杂度都是O(1).

单链表查找指定结点

数组可以通过下标和寻址公式使用O(1)的时间复杂度来访问指定结点，但是由于链表结点在内存中可以是非连续的，无法通过寻址公式计算对应的内存地址，所以要查找一个结点就只能依次遍历，时间复杂度为O(n).

C#中的List

既然链表不能通过下标访问，那上面例子中ls[0]为什么会输出1呢？

查看源码，首先从它的Add方法开始，在vs中点击f12进入，发现跳转到List类内部的SynchronizedList类中，Add函数定义如下

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

目前还没有看出什么问题，继续查看 _list.Add方法

    public void Add(T item)
    {
        if (_size == _items.Length)
        {
            //确保不超出容量，否则会执行扩容操作
            EnsureCapacity(_size + 1);
        }

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

_items[_size++] = item这句看起来是不是很眼熟，不就是向数组中添加一个元素嘛。为了严谨，我们再查看_items是什么

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

果不其然，_items就是一个泛型数组，并且还有_size、_version等其他字段

原来List其实并不是链表，在内存中它也是使用数组来进行存储的，只是对添加、删除等操作进行了封装，并且使其能够“自动扩容”。

LinkedList链表

这才是C#中真正的链表，不过它不是最简单的单链表，而是一个双链表。单链表只有一个指针结点指向它的下一个元素，而双链表中每个结点有两个指针结点，一个指向它的下一个元素，另一个指向它的上一个元素。

下面是LinkedListNode的部分源码，可以看到它包含一个next指针和一个prev指针。

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

具体怎么使用，这里就不具体讲解了，看官方文档也比较容易理解。

链表和数组的区别

ok，现在我们对数组和链表都有了一定程度上的了解，那能不能归纳出它们之间有哪些区别呢？对数组有不清楚的地方，可以查看文章为什么数组从0开始编号。

从逻辑结构上看，它们都是属于线性表这个数据结构
从内存上来看，数组是顺序存储，占用一块连续的内存，大小固定，扩容成本大；链表是链式存储，也就是非连续的，并且因为它多了一个指针，所以不存在大小限制，天然支持动态扩容，但占用的内存也更大。
访问操作：数组可以支持“随机访问”，O(1)的时间复杂度；链表需要按顺序逐个访问，O(n)的时间复杂度.
添加和删除操作：数组的时间复杂度为O(n); 链表的时间复杂度为O(1)
操作系统内存管理方面，借助CPU的缓存机制，可以预读数组的内容，所以访问效率更高，而链表则不行。

总结