数据结构

Posted 2020-11-27 lovejune

数据结构

数据结构其实就是一种存储数据的格式。可以有效的改善代码中数据的存储。

 

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稀疏矩阵

对于一个二维数组，如果数组中大部分元素为0，那么会造成内存空间极大的浪费。因此，设计一种针对稀疏数组的数据结构就很有必要，例如：

 

 

 

 可以看出，稀疏矩阵是将一种矩阵转换，将N行M列的矩阵转换为X行3列的矩阵，当矩阵为稀疏矩阵时，这种存储数据的结构更能符合压缩的功能。

二维数组转换为稀疏矩阵

步骤1：保存稀疏矩阵的第一行，N、M、count（遍历二维数组得到非0元素个数）

步骤2：遍历数组，保存非0数组的行数、列数、以及元素的值。

 

稀疏矩阵转换为二维数组

步骤1：从第一行获得二维数组的行、列。

步骤2：遍历稀疏矩阵，将二维数组中对应位置填值。

 

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队列

队列是一种先进先出的数据结构，队列在计算机系统中有很重要的作用，比如在缓存机制中，就是将磁盘的值按照队列形式排列，先存进来的优先被cpu使用。

 

 

 

（一种顺序队列） 

队列的元素：长度、队头、队尾。

 

顺序队列

顺序队列在物理中的存储方式是连续的，可以保存在数组中。

初始化：队列需要使用一个队头和队尾的指示标志（指针/索引）,队头和队尾一开始一定是相等的（队头队尾相等是空队的判断条件）。

判空：队头=队尾

判满：在非循环队列中，队满的标志仅是：队尾==MaxSize-1（指向最后一个元素）；在循环队列中，队满的标志是：（队尾+1） mod MaxSize==队头（即在循环上，队尾比队头多一个元素）

入队：首先，判断队列是否已满，满了就无法入队，若没有满，则将元素赋值给队尾，并使队尾指向下一个索引（这里的下一个是相对循环而言，若下一个索引大于MaxSize-1，则需指向第一个元素），需取模：　　　　　

rear=（rear+1）%MaxSize

出队：首先，判断队列是否为空，若是空队就无法取出元素，若非空队，则从队头取元素，即，将队头指向的元素取出并返回，然后使队头的元素指向下一个索引。（同样的，下一个需要判断其索引是否大于长度），需取模。

front=(front+1) % MaxSize

 

显示队列里的值：用这种方法得到的队列，其数组并不是真的入队出队，数据虽然被覆盖，但并没有删除，因此，出队操作并没有出数组。因此，显示的时候需要判断，队头和队尾，然后将有效的数据显示出来。这里就有一个有效数据的概念，这里的有效数据是：

(rear-front +MaxSize) % MaxSize

因此，遍历的起点是队头，队尾是队头+有效数据。而索引值则需要取模处理，因为可能超过长度。

 

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单链表

链表是树和图的基础，也是区别于顺序存储的另一种存储方式。在jvm中，如果一个对象不被引用，则会被垃圾回收，这里就用到了链表的实现。

 

 

 

 

最简单的链表就是单链表，单链表的增删改查是很简单的。这里不多介绍。主要举几个面试的例子。

1.单链表中有效节点的个数

很简单，遍历链表，当当前节点的next域不为空时，就计数。

2.查找单链表中倒数第k个节点

方案1：先得到链表的长度，然后根据计算查找第（长度-k）个节点，即可得到该节点。

方案2：使用两个辅助指针，第一个指向第k个节点，第二个指向第1个节点，然后两个指针同时向后移动，当指向第一个的节点移到最后，则第二个指针指向的就是倒数第k个。

3.单链表的翻转

使用头插法，新建一个链表，每次遍历得到节点就插到新链表的头部，这样先插的会到后面去，实现了链表的翻转。

4.从尾到头打印单链表

使用一个辅助栈，先将遍历得到的节点值依次压栈，然后遍历结束之后，依次出栈。

5.合并两个有序的单链表，合并后仍然有序

定义一个新节点，然后定义两个游标指向两个链表的头结点，比较大小，如果小就将该节点插入新节点的后面，循环进行，直到其中一个链表被遍历完，然后将剩下的链表插入到新节点的后面。

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双向链表

设计链表的时候，有前指针域和后指针域。双向链表不需要翻转。

删除

对于单链表而言，要想删除当前节点，不能直接遍历到当前的节点，而是需要遍历到当前节点的前一个，然后将其next域赋值给当前节点的next域。

双向链表不需要这么做，遍历到当前节点，将当前节点的next域赋值给当前节点的pre域，将后面节点的pre域赋值给当前节点的next域。然后删除即可。

 

单向环链表

该链表只比单链表增加了一条链表末尾指向链表开头的指针。

解决约瑟夫环问题

 

 稍加分析就可以知道，设置两个指针，first和help，初始化时，first指向k，help指向k-1，表示的是first和help一个在头，一个在尾，然后后移m个，将help指向first后一个节点，形成环路，然后删除first指向的节点，将first+1，依次循环直到环为空。

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栈

栈是一种先进后出的数据结构，在计算机操作系统里面有很广泛的应用。

 

 使用栈来完成一个计算器。

1.中缀表达式

中缀表达式就是计算表达式的原始表达式，例如

2*（3+2）-6/3

 

直接利用中缀表达式，配合栈的使用，可以得到计算结果。

 

 

 这里主要是扫描到符号的时候，需要判断符号的优先级。如果栈中的优先级大于当前的，就需要先计算，然后再压栈。其实这里的算法是有问题的

3+4-8/2+5*5/5-8+9

 

像上面的计算式，如果采用上面的流程，会导致最后7-4+5-8+9出现，计算从后往前，会破坏四则运算从左往右的计算规则：结果为7，实际结果为9改进在3.2，代码如下：

public int cal(String str){

        Stack<String> num=new Stack<String>();
        Stack<String> oper=new Stack<String>();

        int index=0;
        int sum=0;
        while(true){
            //如果该字符是一个符号
            if(isoper(str.charAt(index))){
                if(oper.isEmpty()){
                    oper.push(str.substring(index,index+1));
                }else {
                    if(priority(str.charAt(index))<=priority(oper.peek().charAt(0))){
                        //先pop出来，然后计算
                        while(!num.isEmpty() && !oper.isEmpty() && priority(str.charAt(index))<=priority(oper.peek().charAt(0))) {
                            int num1 = Integer.parseInt(num.pop());
                            int num2 = Integer.parseInt(num.pop());
                            char ope = oper.pop().charAt(0);
                            int res = call(num1, num2, ope);
                            num.push(("" + res));
                        }
                        oper.push(str.substring(index, index + 1));
                    }else{
                        oper.push(str.substring(index,index+1));
                    }
                }
            }else{
                num.push(str.substring(index,index+1));
            }
            index++;
            if(index>=str.length()){
                break;
            }
        }

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2.后缀表达式

将中缀表达式转换为后缀表达式之后，就不需要判断优先级，直接进行运算，得到的就是结果

如何将中缀表达式转换为后缀表达式

 

 

 

 如何用中缀表达式计算

 

 

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递归

递归是函数自己调用自己，但事实上，它在调用过程中和普通调用没有区别。

递归调用的机制。

 

 

 

从上图可以看出，执行main方法后在栈空间开辟一个栈的数据结构，mian方法在栈底，调用test方法，一旦方法进行了调用，就会在栈空间入栈，test方法里有调用，仍然会入栈，。。。直到，不满足调用条件，会执行调用之后的打印代码，然后当调用函数执行完，就会自动出栈操作，释放空间。然后返回上一层的打印代码，。。。。直到main函数执行结束。

 

递归执行的规则

 

 

 

 

 

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回溯

在迷宫问题上，如何从入口找到出口。可以使用回溯，回溯问题可以使用递归来解决，即设置多个递归入口，设置迷宫的寻找策略。

 

 

 

分析：从入口开始，尝试从上下左右四个方向去寻找出口，如果四个方向都尝试了以后还没有找到出口，说明这个路是不通的，需要往回走，这就是回溯。

 

 

 

 

代码如下，可以分析其递归调用的过程。

main方法入栈，

调用setWay方法，入栈，map为引用类型，不会在调用中终止寿命，因此会发生改变。但基础类型会发生改变。此时是从（1,1）开始，将其设置为2，然后调用setWay(map,0,1)。

调用后直接返回false，回溯到栈（1,1），

调用setWay(map,1,2)，可以进入，将其设置为2，然后直接调用setWay(map,0,2)，直接返回false，回溯到栈（1,1）。。。。

。。。

 

八皇后问题，通过回溯递归来解决

 

 限制：每一行必有且只有一个皇后。

需要确定的摆放位置：第一行的皇后放在第几列，第二行的皇后放在第几列。。。。。可以使用一个数组：int[] array = new int[8];，下标代表的行，值代表的列。

private void check(int n) {
        if(n == max) {  //n = 8 , 其实8个皇后就既然放好
            print();
            return;
        }
        
        //依次放入皇后，并判断是否冲突
        for(int i = 0; i < max; i++) {
            //先把当前这个皇后 n , 放到该行的第1列
            array[n] = i;
            //判断当放置第n个皇后到i列时，是否冲突
            if(judge(n)) { // 不冲突
                //接着放n+1个皇后,即开始递归
                check(n+1); //  
            }
            //如果冲突，就继续执行 array[n] = i; 即将第n个皇后，放置在本行得 后移的一个位置
        }
    }

 

对于以上递归代码，每次循环都会有八个递归入口，判断是否进入的依据是该入口是否满足八皇后的要求。

 

 

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冒泡排序

冒泡排序的精髓在于每一次循环都会把数组的最后一个值确定下来，或是最大，或是最小。

 

 

 

从以上的例子就可以看出。每次循环都能找到比较里面最大的，然后把它交换到最后，下一次循环就不会比较这个值。时间复杂度为T（n^2）

package com.liuixnghang.test;

import org.junit.Test;

public class Maopao {


    @Test
    public void run(){

        int [] a=new int[]{2,1,3,5,4};
        maopao(a);

    }

    public void print(int[] a){

        for (int i : a) {
            System.out.print(i +"   ");
        }
        System.out.println();
    }


    public void maopao(int[] a){

        boolean falg=false;
        for(int i=0;i<a.length-1;i++){

            for(int j=0;j<a.length-1-i;j++){

                if(a[j]>a[j+1]){
                    int temp=a[j];
                    a[j]=a[j+1];
                    a[j+1]=temp;
                    falg=true;
                }

            }
            if (falg==false){
                break;
            }else{
                falg=false;
            }
            print(a);

        }
    }
}

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选择排序

选择排序重在选择，为了避免一直交换，可以设置一个min值，每次都遍历一遍数组，得到最小值，将其与数组第一个值交换，这样，循环长度-1次后，就得到了排序。

 

 

 可以知道这样避免了一直去交换

代码如下：

package com.liuixnghang.test;

import org.junit.Test;

public class Choose {


    @Test
    public void run(){
        int [] a=new int[]{101,34,199,1,-1,90,123};
        choose(a);

    }


    public void choose(int[] a){

        for(int i=1;i<a.length;i++){
            int minIndex=i-1;
            int min=a[minIndex];
            //每次循环都会选择最小的数出来放在第一个地方
            for(int j=i;j<a.length;j++){
                if(a[j]<min){
                    min=a[j];
                    minIndex=j;
                }
            }
            if(minIndex!=(i-1)){
                a[minIndex]=a[i-1];
                a[i-1]=min;
            }
            print(a);

        }
    }
    public void print(int[] a){

        for (int i : a) {
            System.out.print(i +"   ");
        }
        System.out.println();
    }


}

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插入排序

其主要思想是，将一部分先排好序，每次从后面的一个往有序的里面插，形成新的有序序列，直到所有都有序。

 

 插入过程是先从有序的最后一个开始找自己的插入位置。

代码如下：

package com.liuixnghang.test;

import org.junit.Test;

public class Insert {

    @Test
    public void run(){

        int [] a=new int[]{4,7,2,32090,-1218,-9,238,1219,-11,2};
        insert(a);

    }

    public void print(int[] a){

        for (int i : a) {
            System.out.print(i +"   ");
        }
        System.out.println();
    }

    public void insert(int[] a){

        for(int i=1;i<a.length;i++){

            //待插入的值
            int insertValue=a[i];
            //插入位置
            int insertIndex=i-1;

            //从第i-1个位置开始寻找插入位置,没找到需要将数组向后移
            while(insertIndex>=0 && insertValue<a[insertIndex]){
                a[insertIndex+1]=a[insertIndex];
                insertIndex--;
            }

            a[insertIndex+1]=insertValue;
            print(a);
        }

    }
}

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希尔排序

是插入排序的升级版，在插入排序中，如果较小的元素在最后面，那么插入效率很变得很慢，为了解决这个问题，可以把数据隔着步长分组，对每组的数据进行插入排序，这样就可以快速的使小的数据移动到前面来。

 

 在刚开始分为5组，插入排序的对象是两个数据，然后变成五个，最后变为10个。步长在不断的改变当中。

使用交换法实现。不是使用移动来插入，而是每次都插入实现插入。

package com.liuixnghang.test;

import org.junit.Test;

public class Shell {

    @Test
    public void run(){

        int [] a=new int[]{8,9,1,7,2,3,5,4,6,0};
        shell(a);

    }

    public void print(int[] a){

        for (int i : a) {
            System.out.print(i +"   ");
        }
        System.out.println();
    }

    public void shell(int[] a){


        for(int gap=a.length/2;gap>0;gap/=2) {

            for (int i = gap; i < a.length; i++) {


                for (int j = i - gap; j >= 0; j -= gap) {

                    if (a[j] > a[j + gap]) {
                        int temp = a[j];
                        a[j] = a[j + gap];
                        a[j + gap] = temp;
                        print(a);
                    }
                    System.out.println("----");

                }
                System.out.println("----");
            }
            System.out.println("----");
        }


    }
}

View Code

 

使用移动法插入，就是对每次分组采用插入排序。

package com.liuixnghang.test;

import org.junit.Test;

public class Shell {

    @Test
    public void run(){

        int [] a=new int[]{8,9,1,7,2,3,5,4,6,0};
        shell2(a);

    }

    public void print(int[] a){

        for (int i : a) {
            System.out.print(i +"   ");
        }
        System.out.println();
    }

    public void shell(int[] a){


        for(int gap=a.length/2;gap>0;gap/=2) {

            for (int i = gap; i < a.length; i++) {


                for (int j = i - gap; j >= 0; j -= gap) {

                    if (a[j] > a[j + gap]) {
                        int temp = a[j];
                        a[j] = a[j + gap];
                        a[j + gap] = temp;
                        print(a);
                    }

                }
                print(a);
            }
        }
    }

    public void shell2(int[] a){
        //使用移动法
        for(int gap=a.length/2;gap>0;gap/=2){
            for(int i=gap;i<a.length;i++){

                //保存待移动的数
                int temp=a[i];
                int j=i-gap;

                while(j>=0 && temp<a[j]){
                    a[j+gap]=a[j];
                    j-=gap;
                }

                a[j+gap]=temp;
                print(a);
            }
        }


    }

}

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快速排序

快速排序是冒泡排序改进而来，通过空间换时间，有效的降低了时间复杂度，冒泡排序每次固定一个最大值排在后面，快速排序每次固定一个基准数放在其位置上。

 

 快速排序也有两种实现方式，主要区别在于如何移动数据，使得基准数据排在准确位置。

1.挖坑法：

设置两个指针left和right指向数组的头和尾，选取基准数，可随机选择。但需要将该基准数移动第一位。

记住选取基准位置的index，此索引就是坑。

从尾部right开始，向前寻找比基准数小的数，找不到就一直向前移，直到找到这样的数（前提是right要比left大）

将找到的这个数填入坑中，此时，right指向的数成为了新的坑

然后left从头部开始，向后寻找比基准大的数，找不到就一直向后，直到找到，（前提是right要比left大）

找到这个数，继续填坑，此时left指向的数成为了新坑。

直到right和left重合。这一轮就结束了，

把基准的数填在重合的索引里，然后

然后进行递归，在right左边，继续进行这样的操作。

代码如下：

package com.liuixnghang.test;

import org.junit.Test;

public class Waken {


    @Test
    public void run(){

        int [] a=new int[]{8,9,1,7,2,3,5,4,6,0};
        waken(a,0,a.length-1);

    }

    public void print(int[] a){

        for (int i : a) {
            System.out.print(i +"   ");
        }
        System.out.println();
    }

    public void waken(int a[],int left,int right){

        //设置索引
        int l=left;
        int r=right;

        //设置基准

        int juzhun=a[left];

        //循环填坑
        if(l<r) {
            while (l != r) {

                //从尾部开始，找比基准小的元素
                while (l < r && a[r] >= juzhun) {
                    r--;
                }
                //找到了这样的数，将值填到坑中
                if (l < r) {
                    a[l] = a[r];
                    l++;
                }

                //从尾部开始，找比基准小的元素
                while (l < r && a[l] <= juzhun) {
                    l++;
                }
                //找到了这样的数，将值填到坑中
                if (l < r) {
                    a[r] = a[l];
                    r--;
                }

            }
            a[l] = juzhun;
            print(a);
            waken(a, left, r - 1);
            waken(a, l + 1, right);

        }
    }
}

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2.指针交换法

设置两个指针left和right指向数组的头和尾，选取基准数，可随机选择。但需要将该基准数移动第一位。

从left指针和right指针开始，向中间靠拢，如果left遇到比基准大的指针，需要停下来，right遇到比基准小的指针，也需要停下来。

两个指针指向的数交换。然后继续交换，直到两个指针重合。然后将第一位中基准元素与重合位元素交换，此轮结束。

代码如下：

package com.liuixnghang.test;

import org.junit.Test;

public class Jiaohuan {
    @Test
    public void run(){

        int [] a=new int[]{8,9,1,7,2,3,5,4,6,0};
        jiaohuan(a,0,a.length-1);

    }

    public void print(int[] a){

        for (int i : a) {
            System.out.print(i +"   ");
        }
        System.out.println();
    }

    public void jiaohuan(int[] a, int left, int right){

        //设置索引
        int l=left;
        int r=right;

        //设置基准

        int juzhun=a[left];
        while(l!=r){

            //寻找left指向比基准小的数
            while(l<r &&a[r]>juzhun){
                r--;
            }

            //寻找left指向比基准大的数
            while(l<r &&a[l]<=juzhun){
                l++;
            }



            if(l<r){
                int temp=a[l];
                a[l]=a[r];
                a[r]=temp;
            }

        }
        //需要退指针

        //将基准数和相等时的位置交换

        int temp=a[l];

        a[l]=a[left];
        a[left]=temp;
        print(a);

        jiaohuan(a,left,r-1);
        jiaohuan(a,l+1,right);
    }
}

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（需要注意的一点是，需要先移动r指针，才会在重合的位置是所需要的）

 

归并排序

归并排序使用了分治的思想，先利用递归，将数组分为单个的数，然后在递归出栈的时候，就可以每两个进行排序，然后到下一个栈，每四个进行排序，到最后合并为一个有序数组

 

 归并排序说明：其递归可以这样设计：第一次分为一半，然后分为四分之一。。。。直到分为1，无法再分。

按照递归的栈原理，需要返回，在返回之前，将之前分开的按左右合并，合并规则就是小的在前，大的在后。

每次返回之前都合并，到返回mian函数的时候已经合并为一个有序的数组了。

代码如下：

package com.liuixnghang.test;

import org.junit.Test;

public class GuiBing {

    @Test
    public void run(){

        int [] a=new int[]{8,9,1,7,2,3,5,4,6,0};
        int [] temp=new int[a.length];
        guibing(a,0,a.length-1,temp);


        print(a);

    }

    public void print(int[] a){

        for (int i : a) {
            System.out.print(i +"   ");
        }
        System.out.println();
    }

    public void guibing(int [] a,int left,int right,int[] temp){

        if(left<right){
            int mid=(left+right)/2;
            //向左递归进行分解
            guibing(a,left,mid,temp);
            guibing(a,mid+1,right,temp);
            hebing(a,left,mid,right,temp);
        }


    }

    public void hebing(int[] a,int left,int mid,int right,int[] temp){

        //将左边和右边排序
        int i=left;//左边数组的起始索引
        int j=mid+1;//右边数组的起始索引

        int t=0;//t数组的起始索引

        while(i<=mid && j<=right){

            if(a[i]<=a[j]){
                temp[t]=a[i];
                t++;
                i++;
            }else{
                temp[t]=a[j];
                t++;
                j++;
            }
        }

        while(i<=mid){
            temp[t]=a[i];
            t++;
            i++;
        }

        while(j<=right){
            temp[t]=a[j];
            t++;
            j++;
        }

        //将temp中的数组拷贝在a中
        t=0;
        int tempLeft=left;
        while(tempLeft<=right){
            a[tempLeft]=temp[t];
            t++;
            tempLeft++;
        }

    }
}

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基数排序

经典的用空间换时间的排序方式，排序需要10个数组，每个数组的长度与待排序数组长度一样多，很耗费空间。

 

 

 以上就是基数排序的过程：

设置10个数组，逻辑上代表位数的个数位。

在第一轮排序中，按照数组中每个数的个位，将数依次填入每个桶中；

然后根据存的桶再依次拿出存入数组中，依次往复，

即可得到排序后的数组。

代码如下：

package com.liuixnghang.test;

import org.junit.Test;

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;

public class Jishu {

    @Test
    public void run(){

        //测试快排的执行速度
        // 创建要给80000个的随机的数组
        int[] arr = new int[8000000];
        for (int i = 0; i < 8000000; i++) {
            arr[i] = (int) (Math.random() * 8000000); // 生成一个[0, 8000000) 数
        }

        System.out.println("排序前");
        Date data1 = new Date();
        SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        String date1Str = simpleDateFormat.format(data1);
        System.out.println("排序前的时间是=" + date1Str);

        jishu(arr);

        Date data2 = new Date();
        String date2Str = simpleDateFormat.format(data2);
        System.out.println("排序前的时间是=" + date2Str);

    }

    public void print(int[] a){

        for (int i : a) {
            System.out.print(i +"   ");
        }
        System.out.println();
    }

    public void jishu(int [] a){

        //设置1个二维数组来存储10个一维数组
        int [][] bucket=new int[10][a.length];

        //设置一个数组来记录每个桶中的数据有几个
        int bucketElementCounts[]=new int[10];

        //这里需要得到数据中数的最大位数
        int max=0;
        for(int i=0;i<a.length;i++){
            if(a[i]>max){
                max=a[i];
            }
        }
        int maxLength=(max+"").length();

        //进行循环
        for(int i=0,n=1;i<maxLength;i++,n*=10){//对每一位进行处理
            //把数据取出来放到对应的桶里
            for(int j=0;j<a.length;j++){
                //得到当前数据的位数
                int digit=a[j] /n %10;
                //放到对应的桶中
                bucket[digit][bucketElementCounts[digit]]=a[j];
                bucketElementCounts[digit]++;
            }
            int index=0;
            //按桶的顺序，取出数，放到数组中

            for(int k=0;k<bucketElementCounts.length;k++){
                if(bucketElementCounts[k]!=0){
                    for(int l=0;l<bucketElementCounts[k];l++){
                        a[index++]=bucket[k][l];
                    }
                }
                //将bucketElementCounts中的数清零
                bucketElementCounts[k]=0;
            }

        }


    }
}

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排序总结