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《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)大綱中文課名:數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(Python語言描述)英文課名:DataStructureinPython學(xué)時:72+36學(xué)分:6學(xué)分先修課程:面向?qū)ο驪ython語言程序設(shè)計適用專業(yè):計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、人工智能、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)工程等計算機(jī)相關(guān)專業(yè)一、課程性質(zhì)與任務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程屬于計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)相關(guān)專業(yè)本科生的主干課、專業(yè)基礎(chǔ)課程,也是本專業(yè)的學(xué)位課程。它在計算機(jī)類的專業(yè)知識結(jié)構(gòu)中起著非常重要的作用,幫助學(xué)生培養(yǎng)問題分析、識別判斷的能力,并用計算機(jī)解決實(shí)際問題打下堅實(shí)基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng)的課程,其理論部分介紹:棧、隊列、線性表、二叉樹、樹和圖等經(jīng)典數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念和特點(diǎn),本課程采用Python語言進(jìn)行存儲表示和算法實(shí)現(xiàn),課程內(nèi)容上注重研究計算機(jī)科學(xué)及現(xiàn)實(shí)世界中各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的運(yùn)用,并討論計算機(jī)中最常見的查找、排序算法的不同實(shí)現(xiàn)方法及性能。通過本課程的學(xué)習(xí),使學(xué)生學(xué)會分析研究計算機(jī)加工的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特性,以便為應(yīng)用涉及的數(shù)據(jù)選擇適當(dāng)?shù)倪壿嫿Y(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)及相應(yīng)算法,并初步掌握算法的時間分析和空間分析的能力;另外,通過在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)踐課程中復(fù)雜程序設(shè)計的訓(xùn)練,進(jìn)一步鞏固所學(xué)的相關(guān)理論知識,增強(qiáng)對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)概念和原理的理解,培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)抽象能力以及編寫質(zhì)量高、風(fēng)格好的應(yīng)用程序的能力,為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下良好的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐基礎(chǔ)。二、教學(xué)目標(biāo)本課程的主要教學(xué)環(huán)節(jié)有理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué),具體教學(xué)目標(biāo)如下:目標(biāo)1:使學(xué)生掌握線性表、棧、隊列、串、數(shù)組、樹、二叉樹、圖等常見的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念、特點(diǎn)和存儲表示;使學(xué)生具有針對復(fù)雜工程問題進(jìn)行分析、比較、選擇、優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(建模)和存儲結(jié)構(gòu)的能力。目標(biāo)2:根據(jù)已學(xué)的各種不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的概念和特點(diǎn),進(jìn)行存儲結(jié)構(gòu)設(shè)計和PYTHON語言實(shí)現(xiàn),并完成其基本操作的算法及程序?qū)崿F(xiàn)。包括各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的算法實(shí)現(xiàn),對一些實(shí)際應(yīng)用設(shè)計解決方案,如哈夫曼編碼設(shè)計、最短路徑算法設(shè)計、拓?fù)渑判蛩惴ㄔO(shè)計、不同的查找、排序等操作的算法設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。目標(biāo)3:學(xué)會對算法進(jìn)行性能分析,用時間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度等指標(biāo),分析比較各個算法的性能;進(jìn)而設(shè)計出更高效的算法。目標(biāo)4:通過對各數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及存儲實(shí)現(xiàn)的學(xué)習(xí)和分析,對不同邏輯結(jié)構(gòu)、不同存儲結(jié)構(gòu)、不同的時間復(fù)雜度,不同的查找算法,不同的沖突解決方案,不同的排序算法之間的區(qū)別和適用場合進(jìn)行比較,得出如何合理選擇的結(jié)論。目標(biāo)5:了解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法相關(guān)的新知識和新技術(shù),能以自然語言、流程圖和偽語言算法等形式描述新算法,發(fā)表自己觀點(diǎn),進(jìn)行雙語溝通和交流。目標(biāo)6:具有運(yùn)用現(xiàn)代信息獲取方法進(jìn)行文獻(xiàn)、知識檢索能力,看懂?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)資料,對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法的新發(fā)展、新應(yīng)用有所了解,撰寫調(diào)研報告,并能清晰匯報所做工作。三、教學(xué)內(nèi)容第1章Python語言程序設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中常用的Python語言知識的總結(jié)和概覽,主要供學(xué)生復(fù)習(xí)和自學(xué)使用。第2章數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)概述(建議4學(xué)時)教學(xué)內(nèi)容:數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念;數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程研究的內(nèi)容;算法的基本概念;算法分析。教學(xué)重點(diǎn):數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念;數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)以及二者之間的關(guān)系;算法及算法的特性;大O記號時間復(fù)雜度分析。教學(xué)難點(diǎn):抽象數(shù)據(jù)類型;算法的時間復(fù)雜度分析。教學(xué)要求:認(rèn)識到本課程在計算機(jī)及相關(guān)學(xué)科的重要性,明確課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)及學(xué)習(xí)方法;理解程序設(shè)計的一般過程;理解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法在程序設(shè)計中的作用;熟練掌握數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念;掌握算法的基本概念、衡量算法好壞的衡量標(biāo)準(zhǔn),時間復(fù)雜度的概念及算法分析的方法;了解Python語言內(nèi)置結(jié)構(gòu)常用操作的時間性能。第3章線性表(建議8學(xué)時)教學(xué)內(nèi)容:線性表的定義和基本操作;線性表順序存儲結(jié)構(gòu)及基本操作算法實(shí)現(xiàn);線性表鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn);順序表和鏈表各個結(jié)構(gòu)之間的比較。教學(xué)重點(diǎn):順序存儲結(jié)構(gòu)和鏈接存儲結(jié)構(gòu)的基本思想;順序表和單鏈表的基本算法;順序表和單鏈表基本操作的時間性能;順序表和鏈表之間的比較。教學(xué)難點(diǎn):基于單鏈表的算法設(shè)計。教學(xué)要求:熟練掌握線性表的邏輯結(jié)構(gòu),熟練掌握順序表及其算法實(shí)現(xiàn),熟練掌握單鏈表及其算法實(shí)現(xiàn),掌握單鏈表、雙向鏈表、循環(huán)鏈表等線性表的鏈?zhǔn)綄?shí)現(xiàn)方案及基本操作算法實(shí)現(xiàn),掌握順序表和鏈表各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場合。第4章棧(建議6學(xué)時)教學(xué)內(nèi)容:棧的定義和基本操作;棧的順序和鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn);括號匹配檢驗(yàn)、后綴表達(dá)式求值、中綴表達(dá)式求值、迷宮求解等棧的應(yīng)用。教學(xué)重點(diǎn):教學(xué)重點(diǎn)是棧的后進(jìn)先出的特性及應(yīng)用。教學(xué)難點(diǎn):中綴表達(dá)式求值等應(yīng)用。教學(xué)要求:熟練掌握棧的操作特性;熟練掌握順序棧存儲結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn);掌握棧的應(yīng)用場合。第5章隊列(建議4學(xué)時)教學(xué)內(nèi)容:隊列的定義及基本操作;隊列的存儲結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn),楊輝三角形的輸出、迷宮求解等隊列的應(yīng)用;雙端隊列、優(yōu)先隊列;Python中的隊列。教學(xué)重點(diǎn):隊列的操作特性;隊列的存儲及基本操作的實(shí)現(xiàn)。教學(xué)難點(diǎn):循環(huán)隊列的存儲方法;循環(huán)隊列中隊空和隊滿的判定條件。教學(xué)要求:熟練掌握隊列的操作特性;熟練掌握循環(huán)隊列存儲結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn);熟練掌握鏈隊列存儲結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn);掌握隊列的應(yīng)用;了解雙端隊列和優(yōu)先隊列。第6章遞歸(建議6學(xué)時)教學(xué)內(nèi)容:遞歸的概念;遞歸定義的方法;線性表及其算法的遞歸定義;遞歸算法舉例;遞歸與棧的關(guān)系;遞歸的工作原理;遞歸算法的性能分析;遞歸算法的設(shè)計。教學(xué)重點(diǎn):遞歸的概念;遞歸定義的方法;遞歸算法的設(shè)計。教學(xué)難點(diǎn):遞歸算法的設(shè)計;遞歸算法的性能分析。教學(xué)要求:掌握遞歸的概念以及遞歸與棧的關(guān)系;理解遞歸的工作原理;重點(diǎn)掌握遞歸算法的設(shè)計方法。第7章串和數(shù)組(建議4學(xué)時)教學(xué)內(nèi)容:字符串的邏輯結(jié)構(gòu)和存儲結(jié)構(gòu),模式匹配算法;數(shù)組的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)及尋址;特殊矩陣的壓縮存儲方法。教學(xué)重點(diǎn):串的模式匹配算法;二維數(shù)組的存儲和下標(biāo)函數(shù);和特殊矩陣的壓縮存儲和下標(biāo)函數(shù)。教學(xué)難點(diǎn):KMP算法,next函數(shù)求解。教學(xué)要求:掌握字符串的邏輯結(jié)構(gòu);理解字符串的存儲結(jié)構(gòu);掌握模式匹配BF算法;理解模式匹配KMP算法;熟練掌握二維數(shù)組的存儲結(jié)構(gòu)及下標(biāo)函數(shù);掌握特殊矩陣的壓縮存儲。第8章二叉樹(建議8學(xué)時)教學(xué)內(nèi)容:二叉樹的定義、相關(guān)概念和基本術(shù)語;二叉樹的性質(zhì);二叉樹的存儲結(jié)構(gòu);二叉樹的操作;堆與優(yōu)先級隊列;哈夫曼樹及哈夫曼編碼。教學(xué)重點(diǎn):二叉樹的性質(zhì);二叉樹的二叉鏈表存儲表示;二叉樹的遍歷及遞歸算法。教學(xué)難點(diǎn):二叉樹的非遞歸遍歷算法;二叉樹的建立算法;哈夫曼算法。教學(xué)要求:熟練掌握二叉樹的定義及基本性質(zhì);熟練掌握二叉鏈表存儲結(jié)構(gòu)及其下的遍歷遞歸算法;理解二叉樹的其他存儲結(jié)構(gòu);理解遍歷的非遞歸算法;掌握二叉鏈表下的層次遍歷及建立算法;掌握堆的概念和優(yōu)先隊列的操作;掌握哈夫曼樹及哈夫曼編碼。第9章樹(建議4學(xué)時)教學(xué)內(nèi)容:樹和森林的概念;樹的性質(zhì);樹的存儲結(jié)構(gòu);樹、森林和二叉樹之間的轉(zhuǎn)換;樹和森林的遍歷;樹的孩子兄弟鏈表存儲及基本操作實(shí)現(xiàn)。教學(xué)重點(diǎn):樹與二叉樹的轉(zhuǎn)換;樹和森林的遍歷。教學(xué)要求:掌握樹和森林的概念、樹的性質(zhì)和樹的存儲結(jié)構(gòu);熟練掌握樹、森林和二叉樹之間的轉(zhuǎn)換;熟練掌握樹和森林的遍歷,了解樹和森林的遍歷序列與對應(yīng)二叉樹遍歷序列間的關(guān)系。第10章圖(建議10學(xué)時)教學(xué)內(nèi)容:圖的圖的定義和相關(guān)術(shù)語;圖的圖的鄰接矩陣、鄰接表、鄰接字典表示;最小生成樹;最短路徑;有向無環(huán)圖。教學(xué)重點(diǎn):圖的基本術(shù)語;圖的存儲表示;圖的遍歷;圖的經(jīng)典應(yīng)用。教學(xué)難點(diǎn):圖的遍歷算法;Prim算法;Kruskal算法;Dijkstra算法;Floyd算法;拓?fù)渑判蛩惴ǎ魂P(guān)鍵路徑算法。教學(xué)要求:掌握圖的定義及基本術(shù)語;掌握圖的深度優(yōu)先、廣度優(yōu)先遍歷方法。熟練掌握圖的鄰接矩陣存儲及算法實(shí)現(xiàn);掌握圖的鄰接表存儲及算法實(shí)現(xiàn);掌握Prim算法、Dijkstra算法、拓?fù)渑判蛩惴?;理解Kruskal算法、Floyd算法、AOV網(wǎng)的定義及性質(zhì)、AOE網(wǎng)的定義及性質(zhì)、關(guān)鍵路徑算法。第11章查找(建議8學(xué)時)教學(xué)內(nèi)容:查找的基本概念及算法性能;線性表下的查找;樹表下的查找;散列表下的查找;各種查找方法的比較。教學(xué)重點(diǎn):2種二分查找算法及性能分析;二叉查找樹的構(gòu)造及查找;散列表的構(gòu)造和查找。教學(xué)難點(diǎn):二叉查找樹的刪除操作;平衡二叉樹的調(diào)整。教學(xué)要求:掌握查找的基本概念及算法分析方法;熟練掌握順序查找算法、2種二分查找算法;熟練掌握二叉樹查找樹的概念,二叉查找樹下的查找算法,掌握二叉查找樹下的結(jié)點(diǎn)插入算法,理解二叉查找樹下的結(jié)點(diǎn)刪除算法。掌握二叉查找樹下的查找性能。掌握AVL樹的概念,平衡二叉樹的調(diào)整方法;掌握哈希查找、處理沖突的方法。掌握裝載因子的基本概念,哈希表在采用不同沖突方法時的平均查找長度分析。熟練掌握散列的構(gòu)造和查找;掌握各種查找方法特性。了解建立在關(guān)鍵字比較的基礎(chǔ)下的查找算法時間性能的下界。第12章排序(建議10學(xué)時)教學(xué)內(nèi)容:排序的基本概念及算法性能;插入排序;交換排序;選擇排序;歸并排序;基數(shù)排序;各種排序算法的比較。C++STL的排序和Timsort排序。教學(xué)重點(diǎn):各種排序算法的基本思想;各種排序算法的執(zhí)行過程;各種排序算法的實(shí)現(xiàn)方法;時間、空間復(fù)雜度分析;各種排序算法之間的比較。教學(xué)難點(diǎn):快速排序、堆排序、歸并排序等算法及時間復(fù)雜度分析。教學(xué)要求:理解排序的基本概念;掌握排序算法的性能分析方法;熟練掌握直接插入排序、冒泡排序、快速排序的一次劃分、簡單選擇排序;掌握快速排序、堆排序、篩選法調(diào)整堆算法、二路歸并排序的2種實(shí)現(xiàn);理解希爾排序和基數(shù)排序算法;熟練掌握各種排序算法的特性。分析以比較為基礎(chǔ)的排序算法的時間性能的下限,理解各種排序算法在時間、空間、程序效率等方面的比較結(jié)果,并做出正確選擇。了解C++STL中的混合排序和Python等語言中的TimSort。四、實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)學(xué)時:36學(xué)時實(shí)驗(yàn)內(nèi)容參考:1.算法性能分析與比較可包括:變位詞判斷算法性能比較、Python內(nèi)置類型常見操作性能驗(yàn)證、生命游戲等。舉例:Python列表生成方法性能比較。[問題描述](1)設(shè)計至少四種不同的方法生成長度為n的列表,分析各算法的時間復(fù)雜度;(2)編寫程序統(tǒng)計n為不同規(guī)模時各個算法所花的時間,對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,討論實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析是否一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計分析時可引入matplotlib庫,將不同算法隨著n的變化所用時間在坐標(biāo)軸上進(jìn)行可視化對比。2.線性表及其應(yīng)用可包括學(xué)生成績管理、長整數(shù)運(yùn)算等線性表的應(yīng)用。舉例:長整數(shù)運(yùn)算[問題描述](1)實(shí)現(xiàn)線性表順序存儲結(jié)構(gòu)、鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)的基本操作,包括順序表、單鏈表、雙鏈表、單循環(huán)鏈表、雙循環(huán)鏈表等;(2)設(shè)計并實(shí)現(xiàn)兩個長整數(shù)的加、減、乘運(yùn)算。3.棧的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用可包括后綴表達(dá)式求值、中綴表達(dá)式求值、括號匹配等棧的綜合應(yīng)用。舉例:中綴表達(dá)式求值[問題描述]中綴表達(dá)式是我們熟悉的表達(dá)式形式。為了能正確表示運(yùn)算的先后順序,中綴表達(dá)式中難免要出現(xiàn)括號。假設(shè)我們的表達(dá)式中只允許有圓括號。讀入一個浮點(diǎn)數(shù)為操作數(shù)的中綴表達(dá)式后,對該表達(dá)式進(jìn)行運(yùn)算。要求中綴表達(dá)式以一個字符串的形式讀入,可含有加、減、乘、除運(yùn)算符和左、右括號,并假設(shè)該表達(dá)式以“#”作為輸入結(jié)束符。如輸入“3.5*(20+4)-1#”,則程序運(yùn)行結(jié)果應(yīng)為83。4.棧與隊列綜合應(yīng)用可包括字符串屬性判斷、小貓釣魚紙牌游戲、停車場管理等棧和隊列的應(yīng)用。題目:小貓釣魚紙牌游戲[問題描述]A和B兩個同學(xué)玩簡單的紙牌游戲,每人手里有n張牌,兩人輪流出牌并依次排列在桌面上,每次出掉手里的第1張牌,出牌后如果發(fā)現(xiàn)桌面上有跟剛才打出的牌的數(shù)字相同的牌,則把從相同的那張牌開始的全部牌按次序放在自己手里的牌的末尾。當(dāng)一個人手中的牌先出完時,游戲結(jié)束,對方獲勝。編寫程序,利用棧和隊列,判斷誰是勝者。5.二叉樹的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用可包括二叉樹、Huffman編碼、家譜管理等類型應(yīng)用。舉例:二叉樹的實(shí)現(xiàn)[問題描述]產(chǎn)生一個菜單驅(qū)動的演示程序,用以說明二叉樹的使用。元素由單個鍵組成,鍵為單個字符。用戶能演示的二叉樹基本操作至少包括:構(gòu)造二叉樹,按先序、中序、后序、層序遍歷這棵二叉樹,求二叉樹的深度、寬度,統(tǒng)計度為0,1,2的結(jié)點(diǎn)數(shù)等。二叉樹采用鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)。6.圖的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用可包括圖的基本應(yīng)用、社交網(wǎng)絡(luò)等類型應(yīng)用,或圖的拓?fù)渑判?、最短路徑或最小生成樹等?yīng)用。舉例:社交網(wǎng)絡(luò)模型[問題描述]設(shè)計并實(shí)現(xiàn)一個社交網(wǎng)絡(luò)模型圖。要求:(1)每個人的信息是一個頂點(diǎn),兩個人相互認(rèn)識則構(gòu)成邊。(2)根據(jù)輸入的任意兩個人的信息,給出他們之間的聯(lián)系路徑,最少經(jīng)過多少人構(gòu)成聯(lián)系。(3)可根據(jù)自己的創(chuàng)意添加更多的功能。7.查找算法性能比較可包括查找相關(guān)的基本應(yīng)用,以及算法性能的比較和分析。舉例:查找算法的實(shí)現(xiàn)及性能測試與比較(1)設(shè)計并測試順序表下的順序查找算法;(2)設(shè)計并測試識別相等的二分查找算法,要求寫出遞歸和非遞歸形式;(3)創(chuàng)建二叉排序樹,設(shè)計并測試二叉排序樹下的查找算法。(4)通過實(shí)驗(yàn)比較非遞歸的順序查找和二分查找在成功查找和失敗查找時的絕對運(yùn)行時間和平均關(guān)鍵字比較次數(shù)。(5)通過實(shí)驗(yàn)比較非遞歸二分查找和遞歸二分查找在成功查找和失敗查找時的絕對運(yùn)行時間。(6)通過實(shí)驗(yàn)比較高度分別為n和log2n+方案推薦:(1)為保證在相同的查找表下進(jìn)行不同查找,線性查找表設(shè)定為有序表。二叉排序樹通過有序表創(chuàng)建。(2)為分別評測成功和失敗查找情況下的性能,可設(shè)有序查找表中存放1~2n-1范圍的n個奇數(shù)。用查找1~2n-1范圍中的奇數(shù)模擬成功查找,用查找0~2n-2范圍中的偶數(shù)來模擬失敗查找。(3)為了能更客觀比較出各個查找算法執(zhí)行的性能,需要對表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行較多次的查找,設(shè)為m次;為了做盡量真實(shí)的模擬,m次的成功查找或失敗查找時查找不同關(guān)鍵字的概率要求相同,即查找成功時,查找1,3,5,…2n-1中每個數(shù)的概率是一樣的;查找失敗時,查找0,2,4,6,…2n-2中每個數(shù)的概率是一樣的。(4)n和m的值由用戶輸入確定。如n為1000,m為10000時,對長度為1000的表作10000次等概率的成功順序查找。8.排序算法性能測試與比較可包括與排序相關(guān)的基本應(yīng)用,以及算法性能的比較和分析。舉例:排序算法的實(shí)現(xiàn)及性能測試及比較[問題描述]在書中,各種內(nèi)部排序算法的時間復(fù)雜度分析結(jié)果只給出了算法執(zhí)行時間的階,或大概執(zhí)行時間。試通過具體數(shù)據(jù)比較各種算法的關(guān)鍵字比較次數(shù)和記錄移動次數(shù),以取得直觀感受。要求:(1)編寫程序創(chuàng)建一些整數(shù)文件用于排序。創(chuàng)建的這些文件可以根據(jù)需要生成不同的長度,如長度分別為20,200和2000,以正序、逆序、隨機(jī)順序的方式創(chuàng)建這些文件,通過把所有這些測試數(shù)據(jù)保存在文件中(而不是每次在測試程序時用隨機(jī)數(shù)生成),可以使用同樣的數(shù)據(jù)去測試不同的方法,因此會更易于比較這些方法的性能。(2)數(shù)據(jù)表采用順序存儲結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)插入排序,選擇排序,希爾排序,歸并排序,快速排序,堆排序等排序,并
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