深入浅出C++ ——手撕AVL树

news2024/11/29 11:04:52

文章目录

  • 前言
  • 一、AVL 树介绍
  • 二、AVL树节点的定义
  • 三、AVL树的插入
  • 四、AVL树的旋转
  • 五、AVL树的验证
  • 六、AVL树的删除
  • 七、AVL树的性能
  • 八、AVL树的实现

前言

  在前面的文章中介绍了map / multimap / set / multiset 容器，这几个容器的底层都是按照二叉搜索树来实现的。但是二叉搜索树有其自身的缺陷，假如往树中插入的元素有序或者接近有序，二叉搜索树就会退化成单支树，时间复杂度会退化成O(N)。因此 map、set 等关联式容器的底层结构是对二叉树进行了平衡处理，即采用平衡树来实现。

一、AVL 树介绍

  二叉搜索树虽可以缩短查找的效率，但如果数据有序或接近有序二叉搜索树将退化为单支树，查找元素相当于在顺序表中搜索元素，效率低下。因此，两位俄罗斯的数学家G.M.Adelson-Velskii和E.M.Landis在1962年发明了一种解决上述问题的方法：当向二叉搜索树中插入新结点后，如果能保证每个结点的左右子树高度之差的绝对值不超过1(需要对树中的结点进行调整)，即可降低树的高度，从而减少平均搜索长度。

  AVL树是一棵二叉搜索树，且高度平衡，因此AVL树也叫高度平衡二叉搜索树。如果AVL树有n个结点，其 高度可保持在 O ( l o g 2 N ) O(log_2 N) O(log2​N)，搜索时间复杂度 O ( l o g 2 N ) O(log_2 N) O(log2​N)。

AVL树的性质

  • 任意一颗子树的左右子树都是AVL树
  • 任意一颗子树的左右子树高度之差(简称平衡因子)的绝对值不超过1

二、AVL树节点的定义

template<class K, class V>
struct AVLTreeNode
{
	AVLTreeNode(const pair<K, V>& kv)
		:_left(nullptr)
		, _right(nullptr)
		, _parent(nullptr)
		, _kv(kv)
		, _bf(0)
	{}

	AVLTreeNode<K, V>* _left;	// 该节点的左孩子
	AVLTreeNode<K, V>* _right;	// 该节点的右孩子
	AVLTreeNode<K, V>* _parent;	// 该节点的双亲

	pair<K, V> _kv;
	int _bf;					// 该节点的平衡因子
};

三、AVL树的插入

AVL树的插入过程可以分为两步：

  1. 先按照二叉搜索树的规则将节点插入到AVL树中
  2. 新节点插入后，AVL树的平衡性可能会遭到破坏，此时就需要更新平衡因子，并检测是否破坏了AVL树的平衡性。
bool Insert(const pair<K, V>& kv)
{
	if (_root == nullptr)
	{
		_root = new Node(kv);
		return true;
	}

	Node* parent = nullptr;
	Node* cur = _root;

	// 找插入节点的位置
	while (cur)
	{
		if (cur->_kv.first < kv.first)
		{
			parent = cur;
			cur = cur->_right;
		}
		else if (cur->_kv.first > kv.first)
		{
			parent = cur;
			cur = cur->_left;
		}
		else
		{
			return false;
		}
	}

	// 插入节点
	cur = new Node(kv);

	// 链接cur和parent
	if (parent->_kv.first < kv.first)
	{
		parent->_right = cur;
	}
	else
	{
		parent->_left = cur;
	}

	cur->_parent = parent;

	// 控制平衡
	while (parent)	//最坏的情况是更新到根才会停止
	{
		// 更新平衡因子。新增在右，parent的平衡因子++ ；新增在左，parent的平衡因子--
		if (cur == parent->_right)
			parent->_bf++;
		else
			parent->_bf--;

		if (parent->_bf == 0)//更新后，parent的平衡因子为0，说明插入后两边一样高，插入填入了矮的部分，parent所在子树高度不变，不需要继续往上更新。
		{
			break;
		}
		else if (abs(parent->_bf) == 1)//更新后，abs(parent的平衡因子)为1，说明插入后有一边高，parent所在子树高度变了，需要继续往上更新。
		{
			parent = parent->_parent;
			cur = cur->_parent;
		}
		else if (abs(parent->_bf) == 2)//更新后，abs(parent的平衡因子)为2，说明已经打破平衡，parent所在子树需要旋转处理。
		{
			if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == 1)
			{
				RotateL(parent);
			}
			else if ((parent->_bf == -2 && cur->_bf == -1))
			{
				RotateR(parent);
			}
			else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == 1)
			{
				RotateLR(parent);
			}
			else if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == -1)
			{
				RotateRL(parent);
			}
			else
			{
				assert(false);
			}
			break;	//一次插入只会有一次旋转，旋转完成了直接break
		}
		else //更新后，abs(parent的平衡因子)大于2，说明插入前就不是AVL树，需要检查之前的操作
		{
			assert(false);
		}
	}
	return true;
}

四、AVL树的旋转

旋转原则：1. 旋转为平衡树 2. 保持搜索树规则

新节点插入较高右子树的右侧—右右：左单旋
在这里插入图片描述

// 新节点插入较高右子树的右侧---右右：左单旋
void RotateL(Node* parent)
{
	Node* subR = parent->_right;
	Node* subRL = subR->_left;

	parent->_right = subRL;
	if (subRL)						//subRL可能为空
		subRL->_parent = parent;

	Node* ppNode = parent->_parent; //注意：有可能parent不是根节点，保存上一层节点

	subR->_left = parent;
	parent->_parent = subR;

	if (_root == parent)			//parent是整棵树的根
	{
		_root = subR;
		subR->_parent = nullptr;
	}
	else                            //parent是子树的根
	{
		if (ppNode->_left == parent)//判断上一层节点和parent的关系
		{
			ppNode->_left = subR;
		}
		else
		{
			ppNode->_right = subR;
		}
		subR->_parent = ppNode;
	}

	subR->_bf = parent->_bf = 0;	//修改平衡因子
}

新节点插入较高左子树的左侧—左左：右单旋
在这里插入图片描述

// 新节点插入较高左子树的左侧---左左：右单旋
void RotateR(Node* parent)
{
	Node* subL = parent->_left;
	Node* subLR = subL->_right;

	parent->_left = subLR;
	if (subLR)
		subLR->_parent = parent;

	Node* ppNode = parent->_parent;

	subL->_right = parent;
	parent->_parent = subL;

	if (_root == parent)
	{
		_root = subL;
		subL->_parent = nullptr;
	}
	else
	{
		if (ppNode->_left == parent)
		{
			ppNode->_left = subL;
		}
		else
		{
			ppNode->_right = subL;
		}

		subL->_parent = ppNode;
	}

	subL->_bf = parent->_bf = 0;
}

新节点插入较高左子树的右侧—左右：先左单旋再右单旋
在这里插入图片描述
  在b或者c的位置插入，都会引起bf的变化，引发双旋。将双旋变成单旋后再旋转，即：先对30进行左单旋，然后再对90进行右单旋，旋转完成后再考虑平衡因子的更新。
在这里插入图片描述

// 新节点插入较高左子树的右侧---左右：先左单旋再右单旋
void RotateLR(Node* parent)
{
	Node* subL = parent->_left;
	Node* subLR = subL->_right;
	int bf = subLR->_bf;	//记录subLR的平衡因子，根据它的大小将其他平衡因子的更新分为三种情况

	RotateL(parent->_left); // 先cur左旋再parent右旋
	RotateR(parent);

	subLR->_bf = 0;
	if (bf == 1)			// c插入
	{
		parent->_bf = 0;
		subL->_bf = -1;
	}
	else if (bf == -1)		// b插入
	{
		parent->_bf = 1;
		subL->_bf = 0;
	}
	else if (bf == 0)		//a,b,c,d为空树，subLR为新增
	{
		parent->_bf = 0;
		subL->_bf = 0;
	}
	else					// 说明出问题了
	{
		assert(false);
	}
}

新节点插入较高右子树的左侧—右左：先右单旋再左单旋

整体思路同上：

//新节点插入较高右子树的左侧——右左：先右单旋再左单旋
void RotateRL(Node* parent)
{
	Node* subR = parent->_right;
	Node* subRL = subR->_left;

	int bf = subRL->_bf;

	RotateR(parent->_right);
	RotateL(parent);

	subRL->_bf = 0;
	if (bf == 1)
	{
		subR->_bf = 0;
		parent->_bf = -1;
	}
	else if (bf == -1)
	{
		subR->_bf = 1;
		parent->_bf = 0;
	}
	else if (bf == 0)
	{
		parent->_bf = 0;
		subR->_bf = 0;
	}
	else
	{
		assert(false);
	}
}

总结

  假如以Parent为根的子树不平衡，即Parent的平衡因子为2或者-2，分以下情况考虑：

  1. Parent的平衡因子为2，说明Parent的右子树高，设Parent的右子树的根为SubR。当SubR的平衡因子为1时，执行左单旋。当SubR的平衡因子为-1时，执行右左双旋。
  2. Parent的平衡因子为-2，说明Parent的左子树高，设Parent的左子树的根为SubL。当SubL的平衡因子为-1是，执行右单旋。当SubL的平衡因子为1时，执行左右双旋。

  旋转完成后，原Parent为根的子树个高度降低，已经平衡，不需要再向上更新。

旋转的意义

  1. 平衡
  2. 降高度

五、AVL树的验证

验证其为二叉搜索树

  如果中序遍历可得到一个有序的序列，就说明为二叉搜索树

public:
	void InOrder()
	{
		_InOrder(_root);
		cout << endl;
	}

private:
	void _InOrder(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			return;
		}
	
		_InOrder(root->_left);
		cout << root->_kv.first << ":" << root->_kv.second << endl;
		_InOrder(root->_right);
	}

验证其为平衡树

  每个节点子树高度差的绝对值不超过1，节点的平衡因子是否计算正确

public：
	bool IsBalance()
	{
		return _IsBalance(_root);
	}
	
private:
	int Height(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
			return 0;
		return max(Height(root->_left), Height(root->_right)) + 1;
	} 
	bool _IsBalance(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			return true;
		}
	
		int leftHT = Height(root->_left);
		int rightHT = Height(root->_right);
		int diff = rightHT - leftHT;
	
		if (diff != root->_bf)
		{
			cout << root->_kv.first << "平衡因子异常" << endl;
			return false;
		}
	
		return abs(diff) < 2
			&& _IsBalance(root->_left)
			&& _IsBalance(root->_right);
	}

六、AVL树的删除

  因为AVL树也是二叉搜索树，可按照二叉搜索树的方式将节点删除，然后再更新平衡因子，只不错与删除不同的时，删除节点后的平衡因子更新，最差情况下一直要调整到根节点的位置。

七、AVL树的性能

  AVL树是一棵绝对平衡的二叉搜索树，其要求每个节点的左右子树高度差的绝对值都不超过1，这样可以保证查询时高效的时间复杂度为 O ( l o g 2 N ) O(log_2 N) O(log2​N)。

  但是如果要对AVL树做一些结构修改的操作，性能非常低下，比如：插入时要维护其绝对平衡，旋转的次数比较多，更差的是在删除时，有可能一直要让旋转持续到根的位置。

  因此：如果需要一种查询高效且有序的数据结构，而且数据的个数为静态的，可以考虑AVL树，但一个结构经常修改，就不太适合。

八、AVL树的实现

#include<iostream>
#include<assert.h>
#include <map>
#include <string>
#include <algorithm>
#include<time.h>
#include <assert.h>
using namespace std;


template<class K, class V>
struct AVLTreeNode
{
	AVLTreeNode(const pair<K, V>& kv)
		:_left(nullptr)
		, _right(nullptr)
		, _parent(nullptr)
		, _kv(kv)
		, _bf(0)
	{}

	AVLTreeNode<K, V>* _left;	// 该节点的左孩子
	AVLTreeNode<K, V>* _right;	// 该节点的右孩子
	AVLTreeNode<K, V>* _parent;	// 该节点的双亲

	pair<K, V> _kv;
	int _bf;					// 该节点的平衡因子
};

template<class K, class V>
struct AVLTree
{
	typedef AVLTreeNode<K, V> Node;
public:
	bool Insert(const pair<K, V>& kv)
	{
		if (_root == nullptr)
		{
			_root = new Node(kv);
			return true;
		}

		Node* parent = nullptr;
		Node* cur = _root;

		// 找插入节点的位置
		while (cur)
		{
			if (cur->_kv.first < kv.first)
			{
				parent = cur;
				cur = cur->_right;
			}
			else if (cur->_kv.first > kv.first)
			{
				parent = cur;
				cur = cur->_left;
			}
			else
			{
				return false;
			}
		}

		// 插入节点
		cur = new Node(kv);

		// 链接cur和parent
		if (parent->_kv.first < kv.first)
		{
			parent->_right = cur;
		}
		else
		{
			parent->_left = cur;
		}

		cur->_parent = parent;

		// 控制平衡
		while (parent)	//最坏的情况是更新到根才会停止
		{
			// 更新平衡因子。新增在右，parent的平衡因子++ ；新增在左，parent的平衡因子--
			if (cur == parent->_right)
				parent->_bf++;
			else
				parent->_bf--;


			if (parent->_bf == 0)//更新后，parent的平衡因子为0，说明插入后两边一样高，插入填入了矮的部分，parent所在子树高度不变，不需要继续往上更新。
			{
				break;
			}
			else if (abs(parent->_bf) == 1)//更新后，abs(parent的平衡因子)为1，说明插入后有一边高，parent所在子树高度变了，需要继续往上更新。
			{
				parent = parent->_parent;
				cur = cur->_parent;
			}
			else if (abs(parent->_bf) == 2)//更新后，abs(parent的平衡因子)为2，说明已经打破平衡，parent所在子树需要旋转处理。
			{
				if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == 1)
				{
					RotateL(parent);
				}
				else if ((parent->_bf == -2 && cur->_bf == -1))
				{
					RotateR(parent);
				}
				else if (parent->_bf == -2 && cur->_bf == 1)
				{
					RotateLR(parent);
				}
				else if (parent->_bf == 2 && cur->_bf == -1)
				{
					RotateRL(parent);
				}
				else
				{
					assert(false);
				}
				break;	//一次插入只会有一次旋转，旋转完成了直接break
			}
			else //更新后，abs(parent的平衡因子)大于2，说明插入前就不是AVL树，需要检查之前的操作
			{
				assert(false);
			}
		}
		return true;
	}
	void InOrder()
	{
		_InOrder(_root);
		cout << endl;
	}

	bool IsBalance()
	{
		return _IsBalance(_root);
	}
private:
	bool _IsBalance(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			return true;
		}

		int leftHT = Height(root->_left);
		int rightHT = Height(root->_right);
		int diff = rightHT - leftHT;

		if (diff != root->_bf)
		{
			cout << root->_kv.first << "平衡因子异常" << endl;
			return false;
		}

		return abs(diff) < 2
			&& _IsBalance(root->_left)
			&& _IsBalance(root->_right);
	}

	int Height(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
			return 0;

		return max(Height(root->_left), Height(root->_right)) + 1;
	}

	// 新节点插入较高右子树的右侧---右右：左单旋
	void RotateL(Node* parent)
	{
		Node* subR = parent->_right;
		Node* subRL = subR->_left;

		parent->_right = subRL;
		if (subRL)						//subRL可能为空
			subRL->_parent = parent;

		Node* ppNode = parent->_parent; //注意：有可能parent不是根节点，保存上一层节点

		subR->_left = parent;
		parent->_parent = subR;

		if (_root == parent)			//parent是整棵树的根
		{
			_root = subR;
			subR->_parent = nullptr;
		}
		else                            //parent是子树的根
		{
			if (ppNode->_left == parent)//判断上一层节点和parent的关系
			{
				ppNode->_left = subR;
			}
			else
			{
				ppNode->_right = subR;
			}
			subR->_parent = ppNode;
		}

		subR->_bf = parent->_bf = 0;	//修改平衡因子
	}

	// 新节点插入较高左子树的左侧---左左：右单旋
	void RotateR(Node* parent)
	{
		Node* subL = parent->_left;
		Node* subLR = subL->_right;

		parent->_left = subLR;
		if (subLR)
			subLR->_parent = parent;

		Node* ppNode = parent->_parent;

		subL->_right = parent;
		parent->_parent = subL;

		if (_root == parent)
		{
			_root = subL;
			subL->_parent = nullptr;
		}
		else
		{
			if (ppNode->_left == parent)
			{
				ppNode->_left = subL;
			}
			else
			{
				ppNode->_right = subL;
			}

			subL->_parent = ppNode;
		}

		subL->_bf = parent->_bf = 0;
	}

	// 新节点插入较高左子树的右侧---左右：先左单旋再右单旋
	void RotateLR(Node* parent)
	{
		Node* subL = parent->_left;
		Node* subLR = subL->_right;
		int bf = subLR->_bf;	//记录subLR的平衡因子，根据它的大小将其他平衡因子的更新分为三种情况

		RotateL(parent->_left); // 先cur左旋再parent右旋
		RotateR(parent);

		subLR->_bf = 0;
		if (bf == 1)			// c插入
		{
			parent->_bf = 0;
			subL->_bf = -1;
		}
		else if (bf == -1)		// b插入
		{
			parent->_bf = 1;
			subL->_bf = 0;
		}
		else if (bf == 0)		//a,b,c,d为空树，subLR为新增
		{
			parent->_bf = 0;
			subL->_bf = 0;
		}
		else					// 说明出问题了
		{
			assert(false);
		}
	}

	//新节点插入较高右子树的左侧——右左：先右单旋再左单旋
	void RotateRL(Node* parent)
	{
		Node* subR = parent->_right;
		Node* subRL = subR->_left;

		int bf = subRL->_bf;

		RotateR(parent->_right);
		RotateL(parent);

		subRL->_bf = 0;
		if (bf == 1)
		{
			subR->_bf = 0;
			parent->_bf = -1;
		}
		else if (bf == -1)
		{
			subR->_bf = 1;
			parent->_bf = 0;
		}
		else if (bf == 0)
		{
			parent->_bf = 0;
			subR->_bf = 0;
		}
		else
		{
			assert(false);
		}
	}

	void _InOrder(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			return;
		}

		_InOrder(root->_left);
		cout << root->_kv.first << ":" << root->_kv.second << endl;
		_InOrder(root->_right);
	}
private:
	Node* _root = nullptr;
};

void TestAVLTree1()
{
	int a[] = { 4, 2, 6, 1, 3, 5, 15, 7, 16, 14 };  // 测试双旋平衡因子调节
	//int a[] = { 16, 3, 7, 11, 9, 26, 18, 14, 15 };
	AVLTree<int, int> t1;
	for (auto e : a)
	{
		t1.Insert(make_pair(e, e));
	}
	t1.InOrder();
	cout << "IsBalance:" << t1.IsBalance() << endl;
}

void TestAVLTree2()
{
	size_t N = 10000;
	srand(time(0));
	AVLTree<int, int> t1;
	for (size_t i = 0; i < N; ++i)
	{
		int x = rand();
		t1.Insert(make_pair(x, i));
	}
	cout << "IsBalance:" << t1.IsBalance() << endl;
}

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MYSQL 密码修改 （四种方式）

MYSQL 密码修改 （四种方式）

注 &#xff1a; 我们所谓的密码修改肯定是先指的是 你已经清楚用户的原密码&#xff0c;是对原密码进行了修改并不是你忘记了密码&#xff0c;然后设置新密码~&#xff01;&#xff01;方式一 &#xff1a; 使用 mysqladmin示例 &#xff1a; [rootbogon ~]# mysqladmin -uroo…
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python文件编译为pyc后运行

python文件编译为pyc后运行

一、pyc文件我们开发一个python脚本&#xff0c;文件的后缀为.py。如果运行这个py文件&#xff0c;Python内部会先将源码文件&#xff08;.py文件&#xff09;编译成字节码&#xff08;byte code&#xff09;文件&#xff08;.pyc文件&#xff09;。接着运行编译后的字节码&…
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【Spark分布式内存计算框架——离线综合实战】5. 业务报表分析

【Spark分布式内存计算框架——离线综合实战】5. 业务报表分析

第三章 业务报表分析 一般的系统需要使用报表来展示公司的运营情况、 数据情况等&#xff0c;本章节对数据进行一些常见报表的开发&#xff0c;广告数据业务报表数据流向图如下所示&#xff1a; 具体报表的需求如下&#xff1a; 相关报表开发说明如下&#xff1a; 第一、数据…
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【总结】python3启动web服务引发的一系列问题

【总结】python3启动web服务引发的一系列问题

背景 在某行的实施项目&#xff0c;需要使用python3环境运行某些py脚本。 由于行内交付的机器已自带python3 &#xff0c;没有采取自行安装python3&#xff0c;但是运行python脚本时报没有tornado module。 错误信息 ModuleNotFoundError&#xff1a;No module named ‘torn…
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Unity截屏时将背景的透明度设为0

Unity截屏时将背景的透明度设为0

常用的截屏函数是&#xff1a; UnityEngine.ScreenCapture.CaptureScreenshot(fileName, 5); //5代表dpi大小&#xff0c;数字越大越清晰但是这样保存图片是不能将黑色背景的透明度设为0&#xff0c;最终还是24bit图。 如果将背景透明度设为0而渲染物体透明度设为255&#xff…
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学插画的线上机构排名

学插画的线上机构排名

学插画哪个线上机构好&#xff0c;5个靠谱的插画网课推荐&#xff01;给大家梳理了国内5家专业的插画师培训班&#xff0c;最新5大插画班排行榜&#xff0c;各有优势和特色&#xff01; 一&#xff1a;插画线上培训机构排名 1、轻微课&#xff08;五颗星&#xff09; 主打课程有…
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【C语言】函数栈帧的创建与销毁

【C语言】函数栈帧的创建与销毁

Yan-英杰的主页 悟已往之不谏 知来者之可追 目录 ​0.ebp和esp是如何来维护栈帧的呢&#xff1f; 1.为什么局部变量的值不初始化是随机的&#xff1f; ​2.局部变量是怎么创建的&#xff1f; ​3 .函数是如何传参的&#xff1f;传参的顺序是怎样的 4.函数是如何调用的 ​…
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scrapy-redis分布式爬虫学习记录

scrapy-redis分布式爬虫学习记录

目录 1. scrapy-redis是什么&#xff1f; 2. scrapy-redis工作原理 3.分布式架构 4. scrapy-redis的源码分析 5. 部署scrapy-redis 6. scrapy-redis的基本使用 6.1 redis数据库基本表项 6.2 在scrapy项目的基础进行更改 7. redis数据转存入mysql数据库 课程推荐&#…
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大学生成人插画培训机构盘点

大学生成人插画培训机构盘点

成人插画培训机构哪个好&#xff0c;成人学插画如何选培训班&#xff1f;给大家梳理了国内较好的插画培训机构排名&#xff0c;各有优势和特色&#xff0c;供大家参考&#xff01; 一&#xff1a;国内成人插画培训机构排名 1、轻微课&#xff08;五颗星&#xff09; 主打课程有…
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Head First设计模式---3.装饰者模式

Head First设计模式---3.装饰者模式

3.1装饰者模式 亦称&#xff1a; 装饰者模式、装饰器模式、Wrapper、Decorator 装饰模式是一种结构型设计模式&#xff0c; 允许你通过将对象放入包含行为的特殊封装对象中来为原对象绑定新的行为。 举个例子&#xff1a;天气很冷&#xff0c;我们一件一件穿衣服&#xff0c…
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