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大家好,我是阿秀。
这是《逆袭进大厂》系列的第四期,本期是 C++ 重头戏,也就是标准模板库 STL 的内容,本期是 24098 个字。
按照阿秀自己经历过的三十多场校招面试来看,校招 C++ 岗区分度比较高的两个知识点就是虚函数
和STL知识。
说人话就是虚函数
和STL部分
答得好一点,面试评级就好一点,最后拿到好offer
的希望就大一些。
你懂我意思叭?四字概括就是"钱多,速来"!
还有就是很多人催我发一个PDF版本,这个我还在整理,实在不是我不发。因为还有操作系统
、计算机网络
、MySQL
、Redis
等篇章还没整理出来,等这个《逆袭进大厂》系列完结后会放出来的。我会优先发给技术交流群
和2022校招群
里的朋友们,如果各位想先睹为快的话可以扫描下方二维码,我拉你进群。
如果还没看过前三期的小伙伴们可以去温习一下前面几篇文章,下一期是操作系统
的八股文。
《逆袭进大厂》全系列
老规矩,一起来看一下本期目录好了,看看你们会多少。
话不多说,开车了。
187、STL中hashtable的实现?
STL中的hashtable使用的是开链法解决hash冲突问题,如下图所示。
hashtable中的bucket所维护的list既不是list也不是slist,而是其自己定义的由hashtable_node数据结构组成的linked-list,而bucket聚合体本身使用vector进行存储。hashtable的迭代器只提供前进操作,不提供后退操作
在hashtable设计bucket的数量上,其内置了28个质数[53, 97, 193,…,429496729],在创建hashtable时,会根据存入的元素个数选择大于等于元素个数的质数作为hashtable的容量(vector的长度),其中每个bucket所维护的linked-list长度也等于hashtable的容量。
如果插入hashtable的元素个数超过了bucket的容量,就要进行重建table操作,即找出下一个质数,创建新的buckets vector,重新计算元素在新hashtable的位置。
《STL源码解析》侯捷
188、简单说一下STL中的traits技法
traits技法利用“内嵌型别“的编程技巧与编译器的template参数推导功能,增强C++未能提供的关于型别认证方面的能力。常用的有iterator_traits和type_traits。
iterator_traits
被称为特性萃取机,能够方面的让外界获取以下5中型别:
value_type:迭代器所指对象的型别
difference_type:两个迭代器之间的距离
pointer:迭代器所指向的型别
reference:迭代器所引用的型别
iterator_category:三两句说不清楚,建议看书
type_traits
关注的是型别的特性,例如这个型别是否具备non-trivial defalt ctor(默认构造函数)、non-trivial copy ctor(拷贝构造函数)、non-trivial assignment operator(赋值运算符) 和non-trivial dtor(析构函数),如果答案是否定的,可以采取直接操作内存的方式提高效率,一般来说,type_traits支持以下5中类型的判断:
-
__type_traits<T>::has_trivial_default_constructor
-
__type_traits<T>::has_trivial_copy_constructor
-
__type_traits<T>::has_trivial_assignment_operator
-
__type_traits<T>::has_trivial_destructor
-
__type_traits<T>::is_POD_type
由于编译器只针对class object形式的参数进行参数推到,因此上式的返回结果不应该是个bool值,实际上使用的是一种空的结构体:
-
struct __true_type{};
-
struct __false_type{};
这两个结构体没有任何成员,不会带来其他的负担,又能满足需求,可谓一举两得
当然,如果我们自行定义了一个Shape类型,也可以针对这个Shape设计type_traits的特化版本
-
template<>
struct __type_traits<Shape>{
-
typedef __true_type has_trivial_default_constructor;
-
typedef __false_type has_trivial_copy_constructor;
-
typedef __false_type has_trivial_assignment_operator;
-
typedef __false_type has_trivial_destructor;
-
typedef __false_type is_POD_type;
-
};
《STL源码解析》侯捷 P103-P110
189、STL的两级空间配置器
1、首先明白为什么需要二级空间配置器?
我们知道动态开辟内存时,要在堆上申请,但若是我们需要
频繁的在堆开辟释放内存,则就会在堆上造成很多外部碎片,浪费了内存空间;
每次都要进行调用malloc、free函数等操作,使空间就会增加一些附加信息,降低了空间利用率;
随着外部碎片增多,内存分配器在找不到合适内存情况下需要合并空闲块,浪费了时间,大大降低了效率。
于是就设置了二级空间配置器,当开辟内存<=128bytes时,即视为开辟小块内存,则调用二级空间配置器。
关于STL中一级空间配置器和二级空间配置器的选择上,一般默认选择的为二级空间配置器。如果大于128字节再转去一级配置器器。
一级配置器
一级空间配置器中重要的函数就是allocate、deallocate、reallocate 。一级空间配置器是以malloc(),free(),realloc()等C函数执行实际的内存配置 。大致过程是:
1、直接allocate分配内存,其实就是malloc来分配内存,成功则直接返回,失败就调用处理函数
2、如果用户自定义了内存分配失败的处理函数就调用,没有的话就返回异常
3、如果自定义了处理函数就进行处理,完事再继续分配试试
二级配置器
1、维护16条链表,分别是0-15号链表,最小8字节,以8字节逐渐递增,最大128字节,你传入一个字节参数,表示你需要多大的内存,会自动帮你校对到第几号链表(如需要13bytes空间,我们会给它分配16bytes大小),在找到第你个链表后查看链表是否为空,如果不为空直接从对应的free_list中拔出,将已经拨出的指针向后移动一位。
2、对应的free_list为空,先看其内存池是不是空时,如果内存池不为空:
(1)先检验它剩余空间是否够20个节点大小(即所需内存大小(提升后) * 20),若足够则直接从内存池中拿出20个节点大小空间,将其中一个分配给用户使用,另外19个当作自由链表中的区块挂在相应的free_list下,这样下次再有相同大小的内存需求时,可直接拨出。
(2)如果不够20个节点大小,则看它是否能满足1个节点大小,如果够的话则直接拿出一个分配给用户,然后从剩余的空间中分配尽可能多的节点挂在相应的free_list中。
(3)如果连一个节点内存都不能满足的话,则将内存池中剩余的空间挂在相应的free_list中(找到相应的free_list),然后再给内存池申请内存,转到3。
3、内存池为空,申请内存
此时二级空间配置器会使用malloc()从heap上申请内存,(一次所申请的内存大小为2 * 所需节点内存大小(提升后)* 20 + 一段额外空间),申请40块,一半拿来用,一半放内存池中。
4、malloc没有成功
在第三种情况下,如果malloc()失败了,说明heap上没有足够空间分配给我们了,这时,二级空间配置器会从比所需节点空间大的free_list中一一搜索,从比它所需节点空间大的free_list中拔除一个节点来使用。如果这也没找到,说明比其大的free_list中都没有自由区块了,那就要调用一级适配器了。
释放时调用deallocate()函数,若释放的n>128,则调用一级空间配置器,否则就直接将内存块挂上自由链表的合适位置。
STL二级空间配置器虽然解决了外部碎片与提高了效率,但它同时增加了一些缺点:
1.因为自由链表的管理问题,它会把我们需求的内存块自动提升为8的倍数,这时若你需要1个字节,它会给你8个字节,即浪费了7个字节,所以它又引入了内部碎片的问题,若相似情况出现很多次,就会造成很多内部碎片;
2.二级空间配置器是在堆上申请大块的狭义内存池,然后用自由链表管理,供现在使用,在程序执行过程中,它将申请的内存一块一块都挂在自由链表上,即不会还给操作系统,并且它的实现中所有成员全是静态的,所以它申请的所有内存只有在进程结束才会释放内存,还给操作系统,由此带来的问题有:1.即我不断的开辟小块内存,最后整个堆上的空间都被挂在自由链表上,若我想开辟大块内存就会失败;2.若自由链表上挂很多内存块没有被使用,当前进程又占着内存不释放,这时别的进程在堆上申请不到空间,也不可以使用当前进程的空闲内存,由此就会引发多种问题。
一级分配器
GC4.9之后就没有第一级了,只有第二级
二级分配器:
——default_alloc_template 剖析
有个自动调整的函数:你传入一个字节参数,表示你需要多大的内存,会自动帮你校对到第几号链表(0-15号链表,最小8字节 最大128字节)
allocate函数:如果要分配的内存大于128字节,就转用第一级分配器,否则也就是小于128字节。那么首先判断落在第几号链表,定位到了,先判断链表是不是空,如果是空就需要充值,(调节到8的倍数,默认一次申请20个区块,当然了也要判断20个是不是能够申请到,如果只申请到一个那就直接返回好了,不止一个的话,把第2到第n个挨个挂到当前链表上,第一个返回回去给容器用,n是不大于20的,当然了如果不在1-20之间,那就是内存碎片了,那就先把碎片挂到某一条链表上,然后再重新malloc了,malloc 2*20个块)去内存池去拿或者重新分配。不为空的话
190、 vector与list的区别与应用?怎么找某vector或者list的倒数第二个元素
1) vector数据结构
vector和数组类似,拥有一段连续的内存空间,并且起始地址不变。因此能高效的进行随机存取,时间复杂度为o(1);但因为内存空间是连续的,所以在进行插入和删除操作时,会造成内存块的拷贝,时间复杂度为o(n)。另外,当数组中内存空间不够时,会重新申请一块内存空间并进行内存拷贝。连续存储结构:vector是可以实现动态增长的对象数组,支持对数组高效率的访问和在数组尾端的删除和插入操作,在中间和头部删除和插入相对不易,需要挪动大量的数据。它与数组最大的区别就是vector不需程序员自己去考虑容量问题,库里面本身已经实现了容量的动态增长,而数组需要程序员手动写入扩容函数进形扩容。
2) list数据结构
list是由双向链表实现的,因此内存空间是不连续的。只能通过指针访问数据,所以list的随机存取非常没有效率,时间复杂度为o(n);但由于链表的特点,能高效地进行插入和删除。非连续存储结构:list是一个双链表结构,支持对链表的双向遍历。每个节点包括三个信息:元素本身,指向前一个元素的节点(prev)和指向下一个元素的节点(next)。因此list可以高效率的对数据元素任意位置进行访问和插入删除等操作。由于涉及对额外指针的维护,所以开销比较大。
区别:
vector的随机访问效率高,但在插入和删除时(不包括尾部)需要挪动数据,不易操作。list的访问要遍历整个链表,它的随机访问效率低。但对数据的插入和删除操作等都比较方便,改变指针的指向即可。list是单向的,vector是双向的。vector中的迭代器在使用后就失效了,而list的迭代器在使用之后还可以继续使用。
3)
int mySize = vec.size();vec.at(mySize -2);
list不提供随机访问,所以不能用下标直接访问到某个位置的元素,要访问list里的元素只能遍历,不过你要是只需要访问list的最后N个元素的话,可以用反向迭代器来遍历:
191、STL 中vector删除其中的元素,迭代器如何变化?为什么是两倍扩容?释放空间?
size()函数返回的是已用空间大小,capacity()返回的是总空间大小,capacity()-size()则是剩余的可用空间大小。当size()和capacity()相等,说明vector目前的空间已被用完,如果再添加新元素,则会引起vector空间的动态增长。
由于动态增长会引起重新分配内存空间、拷贝原空间、释放原空间,这些过程会降低程序效率。因此,可以使用reserve(n)预先分配一块较大的指定大小的内存空间,这样当指定大小的内存空间未使用完时,是不会重新分配内存空间的,这样便提升了效率。只有当n>capacity()时,调用reserve(n)才会改变vector容量。
resize()成员函数只改变元素的数目,不改变vector的容量。
1、空的vector对象,size()和capacity()都为0
2、当空间大小不足时,新分配的空间大小为原空间大小的2倍。
3、使用reserve()预先分配一块内存后,在空间未满的情况下,不会引起重新分配,从而提升了效率。
4、当reserve()分配的空间比原空间小时,是不会引起重新分配的。
5、resize()函数只改变容器的元素数目,未改变容器大小。
6、用reserve(size_type)只是扩大capacity值,这些内存空间可能还是“野”的,如果此时使用“[ ]”来访问,则可能会越界。而resize(size_type new_size)会真正使容器具有new_size个对象。
不同的编译器,vector有不同的扩容大小。在vs下是1.5倍,在GCC下是2倍;
空间和时间的权衡。简单来说, 空间分配的多,平摊时间复杂度低,但浪费空间也多。
使用k=2增长因子的问题在于,每次扩展的新尺寸必然刚好大于之前分配的总和,也就是说,之前分配的内存空间不可能被使用。这样对内存不友好。最好把增长因子设为(1,2)
对比可以发现采用采用成倍方式扩容,可以保证常数的时间复杂度,而增加指定大小的容量只能达到O(n)的时间复杂度,因此,使用成倍的方式扩容。
如何释放空间:
由于vector的内存占用空间只增不减,比如你首先分配了10,000个字节,然后erase掉后面9,999个,留下一个有效元素,但是内存占用仍为10,000个。所有内存空间是在vector析构时候才能被系统回收。empty()用来检测容器是否为空的,clear()可以清空所有元素。
但是即使clear(),vector所占用的内存空间依然如故,无法保证内存的回收。
如果需要空间动态缩小,可以考虑使用deque。如果vector,可以用swap()来帮助你释放内存。
-
vector(Vec).swap(Vec);
-
将Vec的内存空洞清除;
-
vector().swap(Vec);
-
清空Vec的内存;
192、容器内部删除一个元素
1) 顺序容器
erase迭代器不仅使所指向被删除的迭代器失效,而且使被删元素之后的所有迭代器失效(list除外),所以不能使用erase(it++)的方式,但是erase的返回值是下一个有效迭代器;
it = c.erase(it)
2) 关联容器
erase迭代器只是被删除元素的迭代器失效,但是返回值是void,所以要采用erase(it++)的方式删除迭代器;
c.erase(it++)
193、STL迭代器如何实现
1、 迭代器是一种抽象的设计理念,通过迭代器可以在不了解容器内部原理的情况下遍历容器,除此之外,STL中迭代器一个最重要的作用就是作为容器与STL算法的粘合剂。
2、 迭代器的作用就是提供一个遍历容器内部所有元素的接口,因此迭代器内部必须保存一个与容器相关联的指针,然后重载各种运算操作来遍历,其中最重要的是*运算符与->运算符,以及++、--等可能需要重载的运算符重载。这和C++中的智能指针很像,智能指针也是将一个指针封装,然后通过引用计数或是其他方法完成自动释放内存的功能。
3、最常用的迭代器的相应型别有五种:value type、difference type、pointer、reference、iterator catagoly;
194、map、set是怎么实现的,红黑树是怎么能够同时实现这两种容器?为什么使用红黑树?
1) 他们的底层都是以红黑树的结构实现,因此插入删除等操作都在O(logn时间内完成,因此可以完成高效的插入删除;
2) 在这里我们定义了一个模版参数,如果它是key那么它就是set,如果它是map,那么它就是map;底层是红黑树,实现map的红黑树的节点数据类型是key+value,而实现set的节点数据类型是value
3) 因为map和set要求是自动排序的,红黑树能够实现这一功能,而且时间复杂度比较低。
195、如何在共享内存上使用stl标准库?
1) 想像一下把STL容器,例如map, vector, list等等,放入共享内存中,IPC一旦有了这些强大的通用数据结构做辅助,无疑进程间通信的能力一下子强大了很多。
我们没必要再为共享内存设计其他额外的数据结构,另外,STL的高度可扩展性将为IPC所驱使。STL容器被良好的封装,默认情况下有它们自己的内存管理方案。
当一个元素被插入到一个STL列表(list)中时,列表容器自动为其分配内存,保存数据。考虑到要将STL容器放到共享内存中,而容器却自己在堆上分配内存。
一个最笨拙的办法是在堆上构造STL容器,然后把容器复制到共享内存,并且确保所有容器的内部分配的内存指向共享内存中的相应区域,这基本是个不可能完成的任务。
2) 假设进程A在共享内存中放入了数个容器,进程B如何找到这些容器呢?
一个方法就是进程A把容器放在共享内存中的确定地址上(fixed offsets),则进程B可以从该已知地址上获取容器。另外一个改进点的办法是,进程A先在共享内存某块确定地址上放置一个map容器,然后进程A再创建其他容器,然后给其取个名字和地址一并保存到这个map容器里。
进程B知道如何获取该保存了地址映射的map容器,然后同样再根据名字取得其他容器的地址。
196、map插入方式有几种?
-
1) 用insert函数插入pair数据,
-
-
mapStudent.insert(pair<
int,
string>(
1,
"student_one"));
-
-
2) 用insert函数插入value_type数据
-
-
mapStudent.insert(
map<
int,
string>::value_type (
1,
"student_one"));
-
-
3) 在insert函数中使用make_pair()函数
-
-
mapStudent.insert(make_pair(
1,
"student_one"));
-
-
4) 用数组方式插入数据
-
-
mapStudent[
1] =
"student_one";
197、STL中unordered_map(hash_map)和map的区别,hash_map如何解决冲突以及扩容
1) unordered_map和map类似,都是存储的key-value的值,可以通过key快速索引到value。不同的是unordered_map不会根据key的大小进行排序,
2) 存储时是根据key的hash值判断元素是否相同,即unordered_map内部元素是无序的,而map中的元素是按照二叉搜索树存储,进行中序遍历会得到有序遍历。
3) 所以使用时map的key需要定义operator<。而unordered_map需要定义hash_value函数并且重载operator==。但是很多系统内置的数据类型都自带这些,
4) 那么如果是自定义类型,那么就需要自己重载operator<或者hash_value()了。
5) 如果需要内部元素自动排序,使用map,不需要排序使用unordered_map
6) unordered_map的底层实现是hash_table;
7) hash_map底层使用的是hash_table,而hash_table使用的开链法进行冲突避免,所有hash_map采用开链法进行冲突解决。
8) 什么时候扩容:当向容器添加元素的时候,会判断当前容器的元素个数,如果大于等于阈值---即当前数组的长度乘以加载因子的值的时候,就要自动扩容啦。
9) 扩容(resize)就是重新计算容量,向HashMap对象里不停的添加元素,而HashMap对象内部的数组无法装载更多的元素时,对象就需要扩大数组的长度,以便能装入更多的元素。
198、vector越界访问下标,map越界访问下标?vector删除元素时会不会释放空间?
1) 通过下标访问vector中的元素时不会做边界检查,即便下标越界。
也就是说,下标与first迭代器相加的结果超过了finish迭代器的位置,程序也不会报错,而是返回这个地址中存储的值。
如果想在访问vector中的元素时首先进行边界检查,可以使用vector中的at函数。通过使用at函数不但可以通过下标访问vector中的元素,而且在at函数内部会对下标进行边界检查。
2) map的下标运算符[]的作用是:将key作为下标去执行查找,并返回相应的值;如果不存在这个key,就将一个具有该key和value的某人值插入这个map。
3) erase()函数,只能删除内容,不能改变容量大小;
erase成员函数,它删除了itVect迭代器指向的元素,并且返回要被删除的itVect之后的迭代器,迭代器相当于一个智能指针;clear()函数,只能清空内容,不能改变容量大小;如果要想在删除内容的同时释放内存,那么你可以选择deque容器。
199、map中[]与find的区别?
1) map的下标运算符[]的作用是:将关键码作为下标去执行查找,并返回对应的值;如果不存在这个关键码,就将一个具有该关键码和值类型的默认值的项插入这个map。
2) map的find函数:用关键码执行查找,找到了返回该位置的迭代器;如果不存在这个关键码,就返回尾迭代器。
200、 STL中list与queue之间的区别
1) list不再能够像vector一样以普通指针作为迭代器,因为其节点不保证在存储空间中连续存在;
2) list插入操作和结合才做都不会造成原有的list迭代器失效;
3) list不仅是一个双向链表,而且还是一个环状双向链表,所以它只需要一个指针;
4) list不像vector那样有可能在空间不足时做重新配置、数据移动的操作,所以插入前的所有迭代器在插入操作之后都仍然有效;
5) deque是一种双向开口的连续线性空间,所谓双向开口,意思是可以在头尾两端分别做元素的插入和删除操作;可以在头尾两端分别做元素的插入和删除操作;
6) deque和vector最大的差异,一在于deque允许常数时间内对起头端进行元素的插入或移除操作,二在于deque没有所谓容量概念,因为它是动态地以分段连续空间组合而成,随时可以增加一段新的空间并链接起来,deque没有所谓的空间保留功能。
201、STL中的allocator,deallocator
1) 第一级配置器直接使用malloc()、free()和relloc(),第二级配置器视情况采用不同的策略:当配置区块超过128bytes时,视之为足够大,便调用第一级配置器;当配置器区块小于128bytes时,为了降低额外负担,使用复杂的内存池整理方式,而不再用一级配置器;
2) 第二级配置器主动将任何小额区块的内存需求量上调至8的倍数,并维护16个free-list,各自管理大小为8~128bytes的小额区块;
3) 空间配置函数allocate(),首先判断区块大小,大于128就直接调用第一级配置器,小于128时就检查对应的free-list。如果free-list之内有可用区块,就直接拿来用,如果没有可用区块,就将区块大小调整至8的倍数,然后调用refill(),为free-list重新分配空间;
4) 空间释放函数deallocate(),该函数首先判断区块大小,大于128bytes时,直接调用一级配置器,小于128bytes就找到对应的free-list然后释放内存。
202、STL中hash_map扩容发生什么?
1) hash table表格内的元素称为桶(bucket),而由桶所链接的元素称为节点(node),其中存入桶元素的容器为stl本身很重要的一种序列式容器——vector容器。之所以选择vector为存放桶元素的基础容器,主要是因为vector容器本身具有动态扩容能力,无需人工干预。
2) 向前操作:首先尝试从目前所指的节点出发,前进一个位置(节点),由于节点被安置于list内,所以利用节点的next指针即可轻易完成前进操作,如果目前正巧是list的尾端,就跳至下一个bucket身上,那正是指向下一个list的头部节点。
203、常见容器性质总结?
1.vector 底层数据结构为数组 ,支持快速随机访问
2.list 底层数据结构为双向链表,支持快速增删
3.deque 底层数据结构为一个中央控制器和多个缓冲区,详细见STL源码剖析P146,支持首尾(中间不能)快速增删,也支持随机访问
deque是一个双端队列(double-ended queue),也是在堆中保存内容的.它的保存形式如下:
[堆1] --> [堆2] -->[堆3] --> …
每个堆保存好几个元素,然后堆和堆之间有指针指向,看起来像是list和vector的结合品.
4.stack 底层一般用list或deque实现,封闭头部即可,不用vector的原因应该是容量大小有限制,扩容耗时
5.queue 底层一般用list或deque实现,封闭头部即可,不用vector的原因应该是容量大小有限制,扩容耗时(stack和queue其实是适配器,而不叫容器,因为是对容器的再封装)
6.priority_queue 的底层数据结构一般为vector为底层容器,堆heap为处理规则来管理底层容器实现
7.set 底层数据结构为红黑树,有序,不重复
8.multiset 底层数据结构为红黑树,有序,可重复
9.map 底层数据结构为红黑树,有序,不重复
10.multimap 底层数据结构为红黑树,有序,可重复
11.unordered_set 底层数据结构为hash表,无序,不重复
12.unordered_multiset 底层数据结构为hash表,无序,可重复
13.unordered_map 底层数据结构为hash表,无序,不重复
14.unordered_multimap 底层数据结构为hash表,无序,可重复
204、vector的增加删除都是怎么做的?为什么是1.5或者是2倍?
1) 新增元素:vector通过一个连续的数组存放元素,如果集合已满,在新增数据的时候,就要分配一块更大的内存,将原来的数据复制过来,释放之前的内存,在插入新增的元素;
2) 对vector的任何操作,一旦引起空间重新配置,指向原vector的所有迭代器就都失效了 ;
3) 初始时刻vector的capacity为0,塞入第一个元素后capacity增加为1;
4) 不同的编译器实现的扩容方式不一样,VS2015中以1.5倍扩容,GCC以2倍扩容。
对比可以发现采用采用成倍方式扩容,可以保证常数的时间复杂度,而增加指定大小的容量只能达到O(n)的时间复杂度,因此,使用成倍的方式扩容。
1) 考虑可能产生的堆空间浪费,成倍增长倍数不能太大,使用较为广泛的扩容方式有两种,以2二倍的方式扩容,或者以1.5倍的方式扩容。
2) 以2倍的方式扩容,导致下一次申请的内存必然大于之前分配内存的总和,导致之前分配的内存不能再被使用,所以最好倍增长因子设置为(1,2)之间:
3) 向量容器vector的成员函数pop_back()可以删除最后一个元素.
4) 而函数erase()可以删除由一个iterator指出的元素,也可以删除一个指定范围的元素。
5) 还可以采用通用算法remove()来删除vector容器中的元素.
6) 不同的是:采用remove一般情况下不会改变容器的大小,而pop_back()与erase()等成员函数会改变容器的大小。
205、说一下STL每种容器对应的迭代器
206、STL中vector的实现
vector是一种序列式容器,其数据安排以及操作方式与array非常类似,两者的唯一差别就是对于空间运用的灵活性,众所周知,array占用的是静态空间,一旦配置了就不可以改变大小,如果遇到空间不足的情况还要自行创建更大的空间,并手动将数据拷贝到新的空间中,再把原来的空间释放。vector则使用灵活的动态空间配置,维护一块连续的线性空间,在空间不足时,可以自动扩展空间容纳新元素,做到按需供给。其在扩充空间的过程中仍然需要经历:重新配置空间,移动数据,释放原空间等操作。这里需要说明一下动态扩容的规则:以原大小的两倍配置另外一块较大的空间(或者旧长度+新增元素的个数),源码:
const size_type len = old_size + max(old_size, n);
Vector扩容倍数与平台有关,在Win + VS 下是 1.5倍,在 Linux + GCC 下是 2 倍
测试代码:
-
#include <iostream>
-
#include <vector>
-
using namespace std;
-
-
int main()
-
{
-
//在Linux + GCC下
-
vector<
int> res(
2,
0);
-
cout << res.capacity() <<endl;
//2
-
res.push_back(
1);
-
cout << res.capacity() <<endl;
//4
-
res.push_back(
2);
-
res.push_back(
3);
-
cout << res.capacity() <<endl;
//8
-
return
0;
-
-
-
//在 win 10 + VS2019下
-
vector<
int> res(
2,
0);
-
cout << res.capacity() <<endl;
//2
-
res.push_back(
1);
-
cout << res.capacity() <<endl;
//3
-
res.push_back(
2);
-
res.push_back(
3);
-
cout << res.capacity() <<endl;
//6
-
-
-
}
运行上述代码,一开始配置了一块长度为2的空间,接下来插入一个数据,长度变为原来的两倍,为4,此时已占用的长度为3,再继续两个数据,此时长度变为8,可以清晰的看到空间的变化过程
需要注意的是,频繁对vector调用push_back()对性能是有影响的,这是因为每插入一个元素,如果空间够用的话还能直接插入,若空间不够用,则需要重新配置空间,移动数据,释放原空间等操作,对程序性能会造成一定的影响
《STL源码剖析》 侯捷 P115-128
207、STL中slist的实现
list是双向链表,而slist(single linked list)是单向链表,它们的主要区别在于:前者的迭代器是双向的Bidirectional iterator,后者的迭代器属于单向的Forward iterator。虽然slist的很多功能不如list灵活,但是其所耗用的空间更小,操作更快。
根据STL的习惯,插入操作会将新元素插入到指定位置之前,而非之后,然而slist是不能回头的,只能往后走,因此在slist的其他位置插入或者移除元素是十分不明智的,但是在slist开头却是可取的,slist特别提供了insert_after()和erase_after供灵活应用。考虑到效率问题,slist只提供push_front()操作,元素插入到slist后,存储的次序和输入的次序是相反的
slist的单向迭代器如下图所示:
slist默认采用alloc空间配置器配置节点的空间,其数据结构主要代码如下
-
template <class T, class Allco = alloc>
-
class slist
-
{
-
...
-
private:
-
...
-
static list_node* create_node(
const value_type& x){}
//配置空间、构造元素
-
static void destroy_node(list_node* node){}
//析构函数、释放空间
-
private:
-
list_node_base head;
//头部
-
public:
-
iterator begin(){}
-
iterator end(){}
-
size_type size(){}
-
bool empty(){}
-
void swap(slist& L){}
//交换两个slist,只需要换head即可
-
reference front(){}
//取头部元素
-
void push_front(
const value& x){}
//头部插入元素
-
void pop_front(){}
//从头部取走元素
-
...
-
}
举个例子:
-
#include <forward_list>
-
#include <algorithm>
-
#include <iostream>
-
using namespace std;
-
-
int main()
-
{
-
forward_list<
int> fl;
-
fl.push_front(
1);
-
fl.push_front(
3);
-
fl.push_front(
2);
-
fl.push_front(
6);
-
fl.push_front(
5);
-
-
forward_list<
int>::iterator ite1 = fl.begin();
-
forward_list<
int>::iterator ite2 = fl.end();
-
for(;ite1 != ite2; ++ite1)
-
{
-
cout << *ite1 <<
" ";
// 5 6 2 3 1
-
}
-
cout << endl;
-
-
ite1 = find(fl.begin(), fl.end(),
2);
//寻找2的位置
-
-
if (ite1 != ite2)
-
fl.insert_after(ite1,
99);
-
for (auto it : fl)
-
{
-
cout << it <<
" ";
//5 6 2 99 3 1
-
}
-
cout << endl;
-
-
ite1 = find(fl.begin(), fl.end(),
6);
//寻找6的位置
-
if (ite1 != ite2)
-
fl.erase_after(ite1);
-
for (auto it : fl)
-
{
-
cout << it <<
" ";
//5 6 99 3 1
-
}
-
cout << endl;
-
return
0;
-
}
需要注意的是C++标准委员会没有采用slist的名称,forward_list在C++ 11中出现,它与slist的区别是没有size()方法。
《STL源码剖析》 侯捷
208、STL中list的实现
相比于vector的连续线型空间,list显得复杂许多,但是它的好处在于插入或删除都只作用于一个元素空间,因此list对空间的运用是十分精准的,对任何位置元素的插入和删除都是常数时间。list不能保证节点在存储空间中连续存储,也拥有迭代器,迭代器的“++”、“--”操作对于的是指针的操作,list提供的迭代器类型是双向迭代器:Bidirectional iterators。
list节点的结构见如下源码:
-
template <class T>
-
struct __list_node{
-
typedef void* void_pointer;
-
void_pointer prev;
-
void_pointer next;
-
T data;
-
}
从源码可看出list显然是一个双向链表。list与vector的另一个区别是,在插入和接合操作之后,都不会造成原迭代器失效,而vector可能因为空间重新配置导致迭代器失效。
此外list也是一个环形链表,因此只要一个指针便能完整表现整个链表。list中node节点指针始终指向尾端的一个空白节点,因此是一种“前闭后开”的区间结构
list的空间管理默认采用alloc作为空间配置器,为了方便的以节点大小为配置单位,还定义一个list_node_allocator函数可一次性配置多个节点空间
由于list的双向特性,其支持在头部(front)和尾部(back)两个方向进行push和pop操作,当然还支持erase,splice,sort,merge,reverse,sort等操作,这里不再详细阐述。
《STL源码剖析》 侯捷 P128-142
209、STL中的deque的实现
vector是单向开口(尾部)的连续线性空间,deque则是一种双向开口的连续线性空间,虽然vector也可以在头尾进行元素操作,但是其头部操作的效率十分低下(主要是涉及到整体的移动)
deque和vector的最大差异一个是deque运行在常数时间内对头端进行元素操作,二是deque没有容量的概念,它是动态地以分段连续空间组合而成,可以随时增加一段新的空间并链接起来
deque虽然也提供随机访问的迭代器,但是其迭代器并不是普通的指针,其复杂程度比vector高很多,因此除非必要,否则一般使用vector而非deque。如果需要对deque排序,可以先将deque中的元素复制到vector中,利用sort对vector排序,再将结果复制回deque
deque由一段一段的定量连续空间组成,一旦需要增加新的空间,只要配置一段定量连续空间拼接在头部或尾部即可,因此deque的最大任务是如何维护这个整体的连续性
deque的数据结构如下:
-
class deque
-
{
-
...
-
protected:
-
typedef pointer* map_pointer;
//指向map指针的指针
-
map_pointer
map;
//指向map
-
size_type map_size;
//map的大小
-
public:
-
...
-
iterator begin();
-
itertator end();
-
...
-
}
deque内部有一个指针指向map,map是一小块连续空间,其中的每个元素称为一个节点,node,每个node都是一个指针,指向另一段较大的连续空间,称为缓冲区,这里就是deque中实际存放数据的区域,默认大小512bytes。整体结构如上图所示。
deque的迭代器数据结构如下:
-
struct __deque_iterator
-
{
-
...
-
T* cur;
//迭代器所指缓冲区当前的元素
-
T* first;
//迭代器所指缓冲区第一个元素
-
T* last;
//迭代器所指缓冲区最后一个元素
-
map_pointer node;
//指向map中的node
-
...
-
}
从deque的迭代器数据结构可以看出,为了保持与容器联结,迭代器主要包含上述4个元素
deque迭代器的“++”、“--”操作是远比vector迭代器繁琐,其主要工作在于缓冲区边界,如何从当前缓冲区跳到另一个缓冲区,当然deque内部在插入元素时,如果map中node数量全部使用完,且node指向的缓冲区也没有多余的空间,这时会配置新的map(2倍于当前+2的数量)来容纳更多的node,也就是可以指向更多的缓冲区。在deque删除元素时,也提供了元素的析构和空闲缓冲区空间的释放等机制。
《STL源码剖析》 侯捷 P143-164
210、STL中stack和queue的实现
stack
stack(栈)是一种先进后出(First In Last Out)的数据结构,只有一个入口和出口,那就是栈顶,除了获取栈顶元素外,没有其他方法可以获取到内部的其他元素,其结构图如下:
stack这种单向开口的数据结构很容易由双向开口的deque和list形成,只需要根据stack的性质对应移除某些接口即可实现,stack的源码如下:
-
template <class T, class Sequence = deque<T> >
-
class stack
-
{
-
...
-
protected:
-
Sequence c;
-
public:
-
bool empty(){
return c.empty();}
-
size_type size()
const{
return c.size();}
-
reference top()
const {
return c.back();}
-
const_reference top()
const{
return c.back();}
-
void push(
const value_type& x){c.push_back(x);}
-
void pop(){c.pop_back();}
-
};
从stack的数据结构可以看出,其所有操作都是围绕Sequence完成,而Sequence默认是deque数据结构。stack这种“修改某种接口,形成另一种风貌”的行为,成为adapter(配接器)。常将其归类为container adapter而非container
stack除了默认使用deque作为其底层容器之外,也可以使用双向开口的list,只需要在初始化stack时,将list作为第二个参数即可。由于stack只能操作顶端的元素,因此其内部元素无法被访问,也不提供迭代器。
queue
queue(队列)是一种先进先出(First In First Out)的数据结构,只有一个入口和一个出口,分别位于最底端和最顶端,出口元素外,没有其他方法可以获取到内部的其他元素,其结构图如下:
类似的,queue这种“先进先出”的数据结构很容易由双向开口的deque和list形成,只需要根据queue的性质对应移除某些接口即可实现,queue的源码如下:
-
template <class T, class Sequence = deque<T> >
-
class queue
-
{
-
...
-
protected:
-
Sequence c;
-
public:
-
bool empty(){
return c.empty();}
-
size_type size()
const{
return c.size();}
-
reference front()
const {
return c.front();}
-
const_reference front()
const{
return c.front();}
-
void push(
const value_type& x){c.push_back(x);}
-
void pop(){c.pop_front();}
-
};
从queue的数据结构可以看出,其所有操作都也都是是围绕Sequence完成,Sequence默认也是deque数据结构。queue也是一类container adapter。
同样,queue也可以使用list作为底层容器,不具有遍历功能,没有迭代器。
《STL源码剖析》 侯捷
211、STL中的heap的实现
heap(堆)并不是STL的容器组件,是priority queue(优先队列)的底层实现机制,因为binary max heap(大根堆)总是最大值位于堆的根部,优先级最高。
binary heap本质是一种complete binary tree(完全二叉树),整棵binary tree除了最底层的叶节点之外,都是填满的,但是叶节点从左到右不会出现空隙,如下图所示就是一颗完全二叉树
完全二叉树内没有任何节点漏洞,是非常紧凑的,这样的一个好处是可以使用array来存储所有的节点,因为当其中某个节点位于处,其左节点必定位于处,右节点位于处,父节点位于(向下取整)处。这种以array表示tree的方式称为隐式表述法。
因此我们可以使用一个array和一组heap算法来实现max heap(每个节点的值大于等于其子节点的值)和min heap(每个节点的值小于等于其子节点的值)。由于array不能动态的改变空间大小,用vector代替array是一个不错的选择。
那heap算法有哪些?常见有的插入、弹出、排序和构造算法,下面一一进行描述。
push_heap插入算法
由于完全二叉树的性质,新插入的元素一定是位于树的最底层作为叶子节点,并填补由左至右的第一个空格。事实上,在刚执行插入操作时,新元素位于底层vector的end()处,之后是一个称为percolate up(上溯)的过程,举个例子如下图:
新元素50在插入堆中后,先放在vector的end()存着,之后执行上溯过程,调整其根结点的位置,以便满足max heap的性质,如果了解大根堆的话,这个原理跟大根堆的调整过程是一样的。
pop_heap算法
heap的pop操作实际弹出的是根节点吗,但在heap内部执行pop_heap时,只是将其移动到vector的最后位置,然后再为这个被挤走的元素找到一个合适的安放位置,使整颗树满足完全二叉树的条件。这个被挤掉的元素首先会与根结点的两个子节点比较,并与较大的子节点更换位置,如此一直往下,直到这个被挤掉的元素大于左右两个子节点,或者下放到叶节点为止,这个过程称为percolate down(下溯)。举个例子:
根节点68被pop之后,移到了vector的最底部,将24挤出,24被迫从根节点开始与其子节点进行比较,直到找到合适的位置安身,需要注意的是pop之后元素并没有被移走,如果要将其移走,可以使用pop_back()。
sort算法
一言以蔽之,因为pop_heap可以将当前heap中的最大值置于底层容器vector的末尾,heap范围减1,那么不断的执行pop_heap直到树为空,即可得到一个递增序列。
make_heap算法
将一段数据转化为heap,一个一个数据插入,调用上面说的两种percolate算法即可。
代码实测:
-
#include <iostream>
-
#include <algorithm>
-
#include <vector>
-
using namespace std;
-
-
int main()
-
{
-
vector<
int> v = {
0,
1,
2,
3,
4,
5,
6 };
-
make_heap(v.begin(), v.end());
//以vector为底层容器
-
for (auto i : v)
-
{
-
cout << i <<
" ";
// 6 4 5 3 1 0 2
-
}
-
cout << endl;
-
v.push_back(
7);
-
push_heap(v.begin(), v.end());
-
for (auto i : v)
-
{
-
cout << i <<
" ";
// 7 6 5 4 1 0 2 3
-
}
-
cout << endl;
-
pop_heap(v.begin(), v.end());
-
cout << v.back() << endl;
// 7
-
v.pop_back();
-
for (auto i : v)
-
{
-
cout << i <<
" ";
// 6 4 5 3 1 0 2
-
}
-
cout << endl;
-
sort_heap(v.begin(), v.end());
-
for (auto i : v)
-
{
-
cout << i <<
" ";
// 0 1 2 3 4 5 6
-
}
-
return
0;
-
}
《STL源码剖析》 侯捷
212、STL中的priority_queue的实现
priority_queue,优先队列,是一个拥有权值观念的queue,它跟queue一样是顶部入口,底部出口,在插入元素时,元素并非按照插入次序排列,它会自动根据权值(通常是元素的实值)排列,权值最高,排在最前面,如下图所示。
默认情况下,priority_queue使用一个max-heap完成,底层容器使用的是一般为vector为底层容器,堆heap为处理规则来管理底层容器实现 。priority_queue的这种实现机制导致其不被归为容器,而是一种容器配接器。关键的源码如下:
-
template <class T, class Squence = vector<T>,
-
class Compare = less<typename Sequence::value_tyoe> >
-
class priority_queue{
-
...
-
protected:
-
Sequence c;
// 底层容器
-
Compare comp;
// 元素大小比较标准
-
public:
-
bool empty()
const {
return c.empty();}
-
size_type size()
const {
return c.size();}
-
const_reference top()
const {
return c.front()}
-
void push(
const value_type& x)
-
{
-
c.push_heap(x);
-
push_heap(c.begin(), c.end(),comp);
-
}
-
void pop()
-
{
-
pop_heap(c.begin(), c.end(),comp);
-
c.pop_back();
-
}
-
};
priority_queue的所有元素,进出都有一定的规则,只有queue顶端的元素(权值最高者),才有机会被外界取用,它没有遍历功能,也不提供迭代器
举个例子:
-
#include <queue>
-
#include <iostream>
-
using namespace std;
-
-
int main()
-
{
-
int ia[
9] = {
0,
4,
1,
2,
3,
6,
5,
8,
7 };
-
priority_queue<
int> pq(ia, ia +
9);
-
cout << pq.size() <<endl;
// 9
-
for(
int i =
0; i < pq.size(); i++)
-
{
-
cout << pq.top() <<
" ";
// 8 8 8 8 8 8 8 8 8
-
}
-
cout << endl;
-
while (!pq.empty())
-
{
-
cout << pq.top() <<
' ';
// 8 7 6 5 4 3 2 1 0
-
pq.pop();
-
}
-
return
0;
-
}
《STL源码剖析》 侯捷
213、STL中set的实现?
STL中的容器可分为序列式容器(sequence)和关联式容器(associative),set属于关联式容器。
set的特性是,所有元素都会根据元素的值自动被排序(默认升序),set元素的键值就是实值,实值就是键值,set不允许有两个相同的键值
set不允许迭代器修改元素的值,其迭代器是一种constance iterators
标准的STL set以RB-tree(红黑树)作为底层机制,几乎所有的set操作行为都是转调用RB-tree的操作行为,这里补充一下红黑树的特性:
每个节点不是红色就是黑色
根结点为黑色
如果节点为红色,其子节点必为黑
任一节点至(NULL)树尾端的任何路径,所含的黑节点数量必相同
关于红黑树的具体操作过程,比较复杂读者可以翻阅《算法导论》详细了解。
举个例子:
-
#include <set>
-
#include <iostream>
-
using namespace std;
-
-
-
int main()
-
{
-
int i;
-
int ia[
5] = {
1,
2,
3,
4,
5 };
-
set<
int> s(ia, ia +
5);
-
cout << s.size() << endl;
// 5
-
cout << s.count(
3) << endl;
// 1
-
cout << s.count(
10) << endl;
// 0
-
-
s.insert(
3);
//再插入一个3
-
cout << s.size() << endl;
// 5
-
cout << s.count(
3) << endl;
// 1
-
-
s.erase(
1);
-
cout << s.size() << endl;
// 4
-
-
set<
int>::iterator b = s.begin();
-
set<
int>::iterator e = s.end();
-
for (; b != e; ++b)
-
cout << *b <<
" ";
// 2 3 4 5
-
cout << endl;
-
-
b = find(s.begin(), s.end(),
5);
-
if (b != s.end())
-
cout <<
"5 found" << endl;
// 5 found
-
-
b = s.find(
2);
-
if (b != s.end())
-
cout <<
"2 found" << endl;
// 2 found
-
-
b = s.find(
1);
-
if (b == s.end())
-
cout <<
"1 not found" << endl;
// 1 not found
-
return
0;
-
}
关联式容器尽量使用其自身提供的find()函数查找指定的元素,效率更高,因为STL提供的find()函数是一种顺序搜索算法。
《STL源码剖析》 侯捷
214、STL中map的实现
map的特性是所有元素会根据键值进行自动排序。map中所有的元素都是pair,拥有键值(key)和实值(value)两个部分,并且不允许元素有相同的key
一旦map的key确定了,那么是无法修改的,但是可以修改这个key对应的value,因此map的迭代器既不是constant iterator,也不是mutable iterator
标准STL map的底层机制是RB-tree(红黑树),另一种以hash table为底层机制实现的称为hash_map。map的架构如下图所示
map的在构造时缺省采用递增排序key,也使用alloc配置器配置空间大小,需要注意的是在插入元素时,调用的是红黑树中的insert_unique()方法,而非insert_euqal()(multimap使用)
举个例子:
-
#include <
map>
-
#include <iostream>
-
#include <
string>
-
using namespace std;
-
-
int main()
-
{
-
map<
string,
int> maps;
-
//插入若干元素
-
maps[
"jack"] =
1;
-
maps[
"jane"] =
2;
-
maps[
"july"] =
3;
-
//以pair形式插入
-
pair<
string,
int> p(
"david",
4);
-
maps.insert(p);
-
//迭代输出元素
-
map<
string,
int>::iterator iter = maps.begin();
-
for (; iter != maps.end(); ++iter)
-
{
-
cout << iter->first <<
" ";
-
cout << iter->second <<
"--";
//david 4--jack 1--jane 2--july 3--
-
}
-
cout << endl;
-
//使用subscipt操作取实值
-
int num = maps[
"july"];
-
cout << num << endl;
// 3
-
//查找某key
-
iter = maps.find(
"jane");
-
if(iter != maps.end())
-
cout << iter->second << endl;
// 2
-
//修改实值
-
iter->second =
100;
-
int num2 = maps[
"jane"];
// 100
-
cout << num2 << endl;
-
-
return
0;
-
}
需要注意的是subscript(下标)操作既可以作为左值运用(修改内容)也可以作为右值运用(获取实值)。例如:
-
maps[
"abc"] =
1;
//左值运用
-
int num = masp[
"abd"];
//右值运用
无论如何,subscript操作符都会先根据键值找出实值,源码如下:
-
...
-
T& operator[](
const key_type& k)
-
{
-
return (*((insert(value_type(k, T()))).first)).second;
-
}
-
...
代码运行过程是:首先根据键值和实值做出一个元素,这个元素的实值未知,因此产生一个与实值型别相同的临时对象替代:
value_type(k, T());
再将这个对象插入到map中,并返回一个pair:
pair<iterator,bool> insert(value_type(k, T()));
pair第一个元素是迭代器,指向当前插入的新元素,如果插入成功返回true,此时对应左值运用,根据键值插入实值。插入失败(重复插入)返回false,此时返回的是已经存在的元素,则可以取到它的实值
-
(insert(value_type(k, T()))).first;
//迭代器
-
*((insert(value_type(k, T()))).first);
//解引用
-
(*((insert(value_type(k, T()))).first)).second;
//取出实值
由于这个实值是以引用方式传递,因此作为左值或者右值都可以
《STL源码剖析》 侯捷
215、set和map的区别,multimap和multiset的区别
set只提供一种数据类型的接口,但是会将这一个元素分配到key和value上,而且它的compare_function用的是 identity()函数,这个函数是输入什么输出什么,这样就实现了set机制,set的key和value其实是一样的了。其实他保存的是两份元素,而不是只保存一份元素
map则提供两种数据类型的接口,分别放在key和value的位置上,他的比较function采用的是红黑树的comparefunction(),保存的确实是两份元素。
他们两个的insert都是采用红黑树的insert_unique() 独一无二的插入 。
multimap和map的唯一区别就是:multimap调用的是红黑树的insert_equal(),可以重复插入而map调用的则是独一无二的插入insert_unique(),multiset和set也一样,底层实现都是一样的,只是在插入的时候调用的方法不一样。
红黑树概念
面试时候现场写红黑树代码的概率几乎为0,但是红黑树一些基本概念还是需要掌握的。
1、它是二叉排序树(继承二叉排序树特显):
若左子树不空,则左子树上所有结点的值均小于或等于它的根结点的值。
若右子树不空,则右子树上所有结点的值均大于或等于它的根结点的值。
左、右子树也分别为二叉排序树。
2、它满足如下几点要求:
树中所有节点非红即黑。
根节点必为黑节点。
红节点的子节点必为黑(黑节点子节点可为黑)。
从根到NULL的任何路径上黑结点数相同。
3、查找时间一定可以控制在O(logn)。
216、STL中unordered_map和map的区别和应用场景
map支持键值的自动排序,底层机制是红黑树,红黑树的查询和维护时间复杂度均为,但是空间占用比较大,因为每个节点要保持父节点、孩子节点及颜色的信息
unordered_map是C++ 11新添加的容器,底层机制是哈希表,通过hash函数计算元素位置,其查询时间复杂度为O(1),维护时间与bucket桶所维护的list长度有关,但是建立hash表耗时较大
从两者的底层机制和特点可以看出:map适用于有序数据的应用场景,unordered_map适用于高效查询的应用场景
217、hashtable中解决冲突有哪些方法?
记住前三个:
线性探测
使用hash函数计算出的位置如果已经有元素占用了,则向后依次寻找,找到表尾则回到表头,直到找到一个空位
开链
每个表格维护一个list,如果hash函数计算出的格子相同,则按顺序存在这个list中
再散列
发生冲突时使用另一种hash函数再计算一个地址,直到不冲突
二次探测
使用hash函数计算出的位置如果已经有元素占用了,按照、、…的步长依次寻找,如果步长是随机数序列,则称之为伪随机探测
公共溢出区
一旦hash函数计算的结果相同,就放入公共溢出区
结语
如果你能看到这里,是个狼人人。
说句实话,不管你是学生党还是工作党,这篇文章实用性都挺高的,收藏走起!
完了,白了个白!
—END—
Hi,小伙伴你好,我是阿秀,一个菜逼程序员。
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