《八大排序算法》

郭源潮12025-03-31 12:57

相关概念

  • 排序：使一串记录，按照其中某个或某些关键字的大小，递增或递减的排列起来。
  • 稳定性：它描述了在排序过程中，相等元素的相对顺序是否保持不变。假设在待排序的序列中，有两个元素a和b，它们的值相等，并且在排序前a在b前面。如果在排序后，a仍然在b前面，那么就称该排序算法是稳定的；反之，如果排序后a跑到了b后面，那么这个排序算法就是不稳定的。
  • 内部排序：当排序的数据量非常小时，待排序的数据全部存放在计算机的内存中，并且排序操作也在内存里完成。
  • 外部排序：当待排序的数据量非常大，无法全部存入内存时，就需要借助外部存储设备（如硬盘、磁带等）来辅助完成排序。外部排序通常将数据分成多个较小的部分，先把这些部分依次读入内存进行内部排序，生成有序的子文件，再把这些有序子文件合并成一个最终的有序文件。

任何排序都可以分为单趟排序和多趟排序。将排序拆解开来，更方便理解。

插入排序

直接插入排序

直接插入排序的思想是：将插入的元素按大小逐一插入到已经排序好的有序序列中，直到所有的元素都插入完成，得到一个新的有序序列。

cpp 复制代码 
// 打印
void PrintArr(int* a, int n)
{
	assert(a);
	for (int i = 0; i < n; i++)
	{
		printf("%d ", a[i]);
	}
	printf("\n");
}

单趟排序的思路：假设一个序列已经排序好了，现在要插入一个元素，怎么插入呢？看下面的过程。

cpp 复制代码 
// 单趟
// 要比较的最后一个元素的下标
int end;
// 要插入的新元素，先保存起来
int temp = a[end+1];
while(end >= 0)
{
	// 如果比要比较的元素小，则将这个元素后移
	if(tmp < a[end])
	{
		a[end+1] = a[end];
        // 继续跟前一个元素比较
        end--;
	}
	else
	{
		break;
	}
}
// 走到这，1.tmp比要比较的元素大 2.比较完了，tmp比第一个元素还小，end为-1
a[end+1] = tmp;

多趟排序的思路：那么，我们就可以将乱序序列的第一个元素看做是一个已经排序好的序列，将它的后一个元素插入到这个排序好的序列中，这两个元素就是新的排序好的序列，再将后一个元素插入到这个已经排序好的序列，依次类比。直到最后一个元素插入到已经排序好的序列中，这整个乱序序列就变成有序序列了。

cpp 复制代码 
void InsertSort(int* a, int n)
{
	assert(a);
	//多趟排序
	for (int i = 0; i < n - 1; i++) // 注意：i结束条件为最后一个元素的前一个元素下标
	{
		// 单趟
		// 要比较的最后一个元素的下标
		int end = i;
		// 要插入的新元素，先保存起来
		int tmp = a[end + 1];
		// 把end+1的元素插入到[0,end]
		while (end >= 0)
		{
			// 如果比最后一个元素小，则将最后一个元素后移
			if (tmp < a[end])
			{
				a[end + 1] = a[end];
				end--;
			}
			else
			{
				break;
			}
		}
		// 走到这，1.tmp比要比较的元素大 2.比较完了，比第一个元素还小，end为-1
		a[end + 1] = tmp;
	}
}

我们来测试一下。

cpp 复制代码 
void TestInsertSort()
{
	int a[] = {2, 1, 4, 3, 6, 7, 0, 5, 10, 8, 9};
	PrintArr(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));

	InsertSort(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));
	PrintArr(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));
}

int main()
{
	TestInsertSort();
	return 0;
}

特性总结

  1. 元素集合越接近有序，直接插入排序算法的时间效率越高。
  2. 时间复杂度：O（N^2）。
  3. 空间复杂度：O（1）。
  4. 稳定性：稳定。

希尔排序

也叫缩小增量排序。对直接插入排序的优化。直接插入排序在序列有序或接近有序的情况下效率可以达到O（N），而在逆序或接近逆序的情况下效率就是O（N^2），所以效率时好时坏。

希尔排序是如何对直接插入排序进行优化的呢？

  1. 预排序。先将数组接近有序。
  2. 直接插入排序。数组接近有序，再直接插入排序。

预排序：将间距为gap的值分为一组，分别对每个组进行插入排序。

我们先实现一组的直接插入排序。

cpp 复制代码 
int gap;
int end;
int tmp = a[end+gap];

while(end >= 0)
{
	if(tmp < a[end])
	{
		a[end+gap] = a[end];
		end -= gap;
	}
	else
	{
		break;
	}
}
a[end+gap] = tmp;

其实，就相当于是插入排序，只不过插入排序gap为1。

多组是怎么排序的呢？一组一组排吗？不是的，多组并排，非常巧妙。

cpp 复制代码 
int gap;
for (int i = 0; i < n - gap; i++) // i < n-gap很巧妙
{
	int end = i;
	int tmp = end + gap;
	while (end >= 0)
	{
		if (tmp < a[end])
		{
			a[end + gap] = a[end];
			end -= gap;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
	a[end + gap] = tmp;
}

gap越大，前面大的数据可以越快到后面，后面小的数，可以越快到前面，但是gap越大，越不接近有序。gap=1时，就是直接插入排序。

那gap设置为几呢？希尔是这样设计的：gap=n；gap = n / gap + 1；只要gap大于1就是预排序，gap等于1为直接插入排序。

cpp 复制代码 
void ShellSort(int* a, int n)
{
	assert(a);
	int gap = n;
	// gap大于1预排序 ==1直接插入排序
	while (gap > 1)
	{
		//预排序：把间距为gap的值分为一组 进行插入排序。+1保证最后是直接插入排序
		gap = gap / 3 + 1;
		//多组并排
		for (int i = 0; i < n - gap; i++)
		{
			int end = i;
			int tmp = end + gap;
			while (end >= 0)
			{
				if (tmp < a[end])
				{
					a[end + gap] = a[end];
					end -= gap;
				}
				else
				{
					break;
				}
			}
			a[end + gap] = tmp;
		}
        // 测试用的打印
		PrintArr(a, n);
	}
}

我们来测试一下。

cpp 复制代码 
void TestInsertSort()
{
	int a[] = {2, 1, 4, 3, 6, 7, 0, 5, 10, 8, 9};
	PrintArr(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));

	InsertSort(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));
	PrintArr(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));
}

void TestShellSort()
{
	int a[] = { 19,30,11,20,1,2,5,7,4,8,6,26,3,29 };
	PrintArr(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));

	ShellSort(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));
	PrintArr(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));
}

下面我们来测试一下直接插入排序和希尔排序的效率。

cpp 复制代码 
void TestOp()
{
	const int N = 100000;
	srand(time(0));
	int* a1 = (int*)malloc(sizeof(int) * N);
	int* a2 = (int*)malloc(sizeof(int) * N);

	for (int i = 0; i < N; i++)
	{
		a1[i] = rand();
		a2[i] = a1[i];
	}

	int begin1 = clock();
	InsertSort(a1, N);
	int end1 = clock();

	int begin2 = clock();
	ShellSort(a2, N);
	int end2 = clock();

	printf("InsertSort time: %d milliseconds\n", end1 - begin1);
	printf("ShellSort time: %d milliseconds\n", end2 - begin2);

	free(a1);
	free(a2);
}

int main()
{
	TestOp();
	return 0;
}

特性总结

  1. 希尔排序是对直接插入排序的优化。
  2. 当gap>1时都是预排序，目的是让序列接近有序。当gap==1时，数组已经接近有序了，直接插入排序，可以达到优化效果。
  3. 希尔排序的时间复杂度不好计算，因为gap的取值方法有很多。大概为O（N^1.25）~O（1.6 * N^1.25）。
  4. 稳定性：不稳定。

选择排序

直接选择排序

每一次都从待排序序列中找出最小元素与最大元素，放在序列的起始位置和末尾位置，直到最后所有元素排完。

cpp 复制代码 
void SelectSort(int* a, int n)
{
	assert(a);
	int begin = 0;
	int end = n-1;
	while (begin < end)
	{
		int mini = begin; // 最小元素的下标
		int maxi = begin; // 最小元素的下标
		for (int i = begin + 1; i <= end; i++)
		{
			//在[begin,end]找最小值和最大值的下标
			if (a[i] < a[mini])
			{
				mini = i;
			}
			if (a[i] > a[maxi])
			{
				maxi = i;
			}
		}
		Swap(&a[begin], &a[mini]);

		// 如果begin和maxi的位置重叠，最大值已经被换走了，所以maxi的值需要修正
		if (begin == maxi)
		{
			maxi = mini;
		}
		Swap(&a[end], &a[maxi]);
		begin++;
		end--;
	}
}

来测试一下。

cpp 复制代码 
void TestSelectSort()
{
	int a[] = { 9,1,2,5,7,4,8,6,3,5 };
	PrintArr(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));

	SelectSort(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));
	PrintArr(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));
}

int main()
{
	TestSelectSort();
	return 0;
}

特性总结

  1. 效率不高。
  2. 时间复杂度：O（N^2）。
  3. 空间复杂度：O（1）。
  4. 稳定性：不稳定。

堆排序

利用堆来进行选择排序，排升序，建大堆；排降序，建小堆。关于堆排序可以看下面这篇文章。

《二叉树：二叉树的顺序结构-＞堆》

cpp 复制代码 
// 大堆向下调整算法 
// 注意：调整的树的左右子树必须为大堆
void AdjustDown(int* a, int n, int root)
{
	// 父亲
	int parent = root;
	// 1.选出左右孩子较大的孩子跟父亲比较
	// 默认较大的孩子为左孩子
	int child = parent * 2 + 1;
	// 终止条件孩子到叶子结点最后跟父亲比一次
	while (child < n)
	{
		// 2.如果右孩子大于左孩子，则较大的孩子为右孩子 
		if (child + 1 < n && a[child + 1] > a[child])
		{
			child++;
		}
		// 3.如果孩子大于父亲，则跟父亲交换
		if (a[child] > a[parent])
		{
			Swap(&a[child], &a[parent]);
			parent = child;
			child = parent * 2 + 1;
		}
		else
		{
			break;
		}
	}
}

void HeapSort(int* a, int n)
{
	assert(a);
	//建堆 排升序 建大堆
	for (int i = (n - 1 - 1) / 2; i >= 0; i--)
	{
		AdjustDown(a, n, i);
	}
	int end = n - 1;
	while (end >= 1)
	{
		// 交换堆顶与最后一个元素
		Swap(&a[0], &a[end]);
		// 向下调整
		AdjustDown(a, end, 0);
		end--;
	}
}

来测试一下。

cpp 复制代码 
void TestHeapSort()
{
	int a[] = { 9,1,2,5,7,4,8,6,3,5 };
	PrintArr(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));

	HeapSort(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));
	PrintArr(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));
}

int main()
{
	TestHeapSort();
	return 0;
}

特性总结

  1. 使用堆来选数，效率高。
  2. 时间复杂度：O（NlogN）。
  3. 空间复杂度：O（1）。
  4. 稳定性：不稳定。

交换排序

根据序列中两个键值的比较结果来对换这两个记录在序列中的位置。特点是：键值较大的记录向序列的尾部移动，键值较小的记录向序列的前部移动。

冒泡排序

cpp 复制代码 
void BubbleSort(int* a, int n)
{
	assert(a);
	int i = 0;
	// 整体
	for (int j = 0; j < n; j++)
	{
		// 单趟
		// 判断是否有序，如果有序，不用比较了，直接退出
		int flag = 0;
		for (i = 0; i < n-1-j; i++)
		{
			if (a[i] > a[i + 1])
			{
				// 交换
				Swap(&a[i], &a[i + 1]);
				flag = 1;
			}

		}
		if (flag == 0)
		{
			break;
		}
	}
}

来测试一下。

cpp 复制代码 
void TestBubbleSort()
{
	//int a[] = { 0,5,7,6,8,9,3,2,4,1 };
	//int a[] = { 0,9,1,2,3,4,5,6,7,8 };
	int a[] = { 9,8,7,6,5,4,3,2,1,0 };

	PrintArr(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));

	BubbleSort(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));
	PrintArr(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));
}

int main()
{
	TestSelectSort();
	return 0;
}

特性总结

  1. 非常容易理解。
  2. 时间复杂度：O（N^2）。
  3. 空间复杂度：O（1）。
  4. 稳定性：稳定。

快速排序

是一种二叉树结构的交换排序方法。取待排序元素序列中的某元素key作为基准值，按照该key，将排序集合分为两个子序列，左子序列中所有元素都小于key，右子序列所有元素都大于key。然后左子序列和右子序列分别重复该过程，直到所有的元素都到相应的位置上。

通常取key为最右边的值，或最左边的值。

左右指针法

这样，比key小的值，都换到前面了，比key大的值都换到后面了，而key在正确位置。

来看单趟排序是怎么排的。

cpp 复制代码 
// 单趟
int PartSort(int* a, int begin, int end)
{
	// key下标
	// 选最后一个值作为key
	int keyIndex = end;
	while (begin < end)
	{
		// 让左边先走
		// 左边找比key大的
		while (begin < end && a[begin] <= a[keyIndex]) // 注意：为>=，不然会造成死循环，例如 3 5 4 7 1 2 8 5 7 5
		{
			begin++;
		}

		// 右边再走
		// 右边找比key小的
		while (begin < end && a[end] >= a[keyIndex]) // 注意：为>=，不然会造成死循环，例如 3 5 4 7 1 2 8 5 7 5
		{
			end--;
		}

		// 交换
		// 左边的大值就交换到后边了，右边的小值就交换到前面了
		Swap(&a[begin], &a[end]);

	}
	// 走到这，代表相遇了，相遇的位置的值和key交换
	// 交换完之后，不管左边和右边是否是有序的，总之，key的位置到了正确的位置
	// 如果选最后一个值作为key，让左边先走可以保证相遇的位置的值是比key大的
	Swap(&a[begin], &a[keyIndex]);

	// 返回相遇位置
	return begin;
}

多趟排序，将左子序列和右子序列递归重复该过程即可完成整个排序。

cpp 复制代码 
// 多趟
void QuickSort(int* a, int left, int right)
{
	// 递归结束条件
	if (left >= right)
		return;

	// 此时相遇位置的值已经是正确的位置
	int div = PartSort(a, left, right);
	PrintArr(a + left, right - left + 1);
	// 用于打印测试的
	printf("[%d, %d]%d[%d, %d]\n", left, div - 1, div, div + 1, right);
	
		// 递归的思想，让该位置的左边和右边按照同样的思想进行排序
	QuickSort(a, left, div - 1);
	QuickSort(a, div + 1, right);
}

来测试一下。

cpp 复制代码 
void TestQuickSort()
{
	int a[] = { 6,1,2,7,9,3,4,8,10,5 };
	// 如果序列本来就有序
	// int a[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9};

	PrintArr(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));

	QuickSort(a, 0,sizeof(a) / sizeof(a[0])-1);
	PrintArr(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));
}

int main()
{
	TestQuickSort();
	return 0;
}

可以看到递归的整个过程。

再来测试一下。

cpp 复制代码 
void TestQuickSort()
{
	// int a[] = { 6,1,2,7,9,3,4,8,10,5 };
	// 如果序列本来就有序
	int a[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9};

	PrintArr(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));

	QuickSort(a, 0,sizeof(a) / sizeof(a[0])-1);
	PrintArr(a, sizeof(a) / sizeof(a[0]));
}

int main()
{
	TestQuickSort();
	return 0;
}

快速排序的最好情况：如果每次递归取key值都能取到中位数，排序的效率是最高的，因为每次都能平均将左子序列和右子序列划分开。时间复杂度为O（NlogN）。

快速排序的最坏情况：每次递归取key值都是最大值或最小值，排序的效率是最差的，也就是序列在有序或接近有序的情况下，每次划分都会产生一个空的子序列和一个长度仅比原序列少 1 的子序列。时间复杂度为O（N^2）。

那么，实际中，我们无法保证取到的key是中位数，但是，是不是可以考虑不要取到最大的或最小的。

三位数取中

三位数取中，能避免取到最大值和最小值。如果在最坏的情况有序的情况下，取序列中间的元素作为key值，与最后的元素交换，还是最右边的值作为key值，此时就变成了最好的情况。如果是在其他，也能避免取到最大值和最小值。也就是说三位数取中，让最坏的情况不再出现，时间复杂度综合为O（NlogN）。

cpp 复制代码 
// 三位数选中
int GetMidIndex(int* a,int begin,int end)
{
	int midIndex = (begin + end) / 2;
	if (a[begin] > a[midIndex])
	{
		// begin > mid  mid > end
		if (a[midIndex] > a[end])
		{
			return midIndex;
		}
		// begin > mid   mid<end  
		else
		{
			if (a[begin] < a[end])
			{
				return begin;
			}
			else
			{
				return midIndex;
			}
		}
	}// begin <mid
	else
	{
		if (a[midIndex] < a[end])
		{
			return midIndex;
		}// begin<mid  mid>end
		else
		{
			if (a[begin] < a[end])
			{
				return end;
			}
			else
			{
				return begin;
			}
		}
	}
}

// 单趟
int PartSort1(int* a, int begin, int end)
{
	// 三位数选中 避免最坏情况
	int midIndex = GetMidIndex(a, begin, end);
	Swap(&a[midIndex], &a[end]);
	// key下标
	// 选最后一个值作为key
	int keyIndex = end;
	while (begin < end)
	{
		// 让左边先走
		// 左边找比key大的
		while (begin < end && a[begin] <= a[keyIndex]) // 注意：为>=，不然会造成死循环，例如 3 5 4 7 1 2 8 5 7 5
		{
			begin++;
		}

		// 右边再走
		// 右边找比key小的
		while (begin < end && a[end] >= a[keyIndex]) // 注意：为>=，不然会造成死循环，例如 3 5 4 7 1 2 8 5 7 5
		{
			end--;
		}

		// 交换
		// 左边的大值就交换到后边了，右边的小值就交换到前面了
		Swap(&a[begin], &a[end]);

	}
	// 走到这，代表相遇了，相遇的位置的值和key交换
	// 交换完之后，不管左边和右边是否是有序的，总之，key的位置到了正确的位置
	// 如果选最后一个值作为key，让左边先走可以保证相遇的位置的值是比key大的
	Swap(&a[begin], &a[keyIndex]);

	// 返回相遇位置
	return begin;
}

// 多趟
void QuickSort(int* a, int left, int right)
{
	// 递归结束条件
	if (left >= right)
		return;

	// 此时相遇位置的值已经是正确的位置
	int div = PartSort1(a, left, right);
	// PrintArr(a + left, right - left + 1);
	// 用于打印测试的
	// printf("[%d, %d]%d[%d, %d]\n", left, div - 1, div, div + 1, right);
	
		// 递归的思想，让该位置的左边和右边按照同样的思想进行排序
	QuickSort(a, left, div - 1);
	QuickSort(a, div + 1, right);
}

挖坑法

取最右边（也可以左边的）的值作为key。该位置为坑，左边找比key大的元素，填入到坑里，该元素的位置成为新的坑；右边找比坑小的元素，填入到新坑里，该元素位置成为新的坑，直到相遇，将key填入到新坑。此时key的左边就是比key小的，右边就是比key大的。再将该key左边的序列和右边的序列迭代重复此操作即可。

cpp 复制代码 
// 单趟
int PartSort2(int* a, int begin, int end)
{
	assert(a);
	// 三位数选中 避免最坏情况
	int midIndex = GetMidIndex(a, begin, end);
	Swap(&a[midIndex], &a[end]);

	// 最后一个元素为坑
    // 坑的意思就是这的值被拿走了，可以覆盖新的值
	int key = a[end];
	while (begin < end)
	{
		// begin找大的放进坑 begin成为新坑
		while (begin < end && a[begin] <= key)
		{
			begin++;
		}
		a[end] = a[begin];
		// end找小的放进新坑 end成为新坑
		while (begin < end && a[end] >= key)
		{
			end--;
		}
		a[begin] = a[end];
	}
	//把最后一个元素放到相遇位置
	a[begin] = key;
	return begin;
}
// 多趟
void QuickSort(int* a, int left, int right)
{
	// 递归结束条件
	if (left >= right)
		return;

	// 此时相遇位置的值已经是正确的位置
	
	// 左右指针法
	// int div = PartSort1(a, left, right);
	
	// 挖坑法
	int div = PartSort2(a, left, right);

	// PrintArr(a + left, right - left + 1);
	// 用于打印测试的
	// printf("[%d, %d]%d[%d, %d]\n", left, div - 1, div, div + 1, right);
	
	// 递归的思想，让该位置的左边和右边按照同样的思想进行排序
	QuickSort(a, left, div - 1);
	QuickSort(a, div + 1, right);
}

前后指针法

cpp 复制代码 
// 单趟
int PartSort3(int* a, int begin, int end)
{
	assert(a);
	//三位数选中 避免最坏情况
	int midIndex = GetMidIndex(a, begin, end);
	Swap(&a[midIndex], &a[end]);

	int keyIndex = end;
	int prev = begin - 1;
	int cur = begin;
	while (cur < end)
	{
		if (a[cur] < a[keyIndex] && ++prev != a[cur]) // ++prev如果和cur相等 自己跟自己交换不用交换
		{
			//交换
			Swap(&a[prev], &a[cur]);
		}
		cur++;
	}
	Swap(&a[++prev], &a[keyIndex]);
	return prev;
}
// 多趟
void QuickSort(int* a, int left, int right)
{
	// 递归结束条件
	if (left >= right)
		return;

	// 此时相遇位置的值已经是正确的位置
	
	// 左右指针法
	// int div = PartSort1(a, left, right);
	
	// 挖坑法
	// int div = PartSort2(a, left, right);

	// 前后指针法
	int div = PartSort3(a, left, right);
	
	// PrintArr(a + left, right - left + 1);
	// 用于打印测试的
	// printf("[%d, %d]%d[%d, %d]\n", left, div - 1, div, div + 1, right);
	
	// 递归的思想，让该位置的左边和右边按照同样的思想进行排序
	QuickSort(a, left, div - 1);
	QuickSort(a, div + 1, right);
}

快速排序就像一颗二叉树一样，选出一个key分出左区间和右区间，左区间的值都比key小，右区间的值都比key大，再再左区间中找出一个key分出左区间和右区间，在右区间中找出一个key分出左区间和右区间......

快速排序还有可以优化的地方，当不断的递归划分区间，区间已经数据很少时，不用再递归方式划分区间排序了，使用插入排序去排序，减少整体的递归次数。

cpp 复制代码 
// 多趟
void QuickSort(int* a, int left, int right)
{
	// 递归结束条件
	if (left >= right)
		return;

	// 此时相遇位置的值已经是正确的位置
	
	// 左右指针法
	// int div = PartSort1(a, left, right);
	
	// 挖坑法
	// int div = PartSort2(a, left, right);

	// 前后指针法
	int div = PartSort3(a, left, right);
	
	// PrintArr(a + left, right - left + 1);
	// 用于打印测试的
	// printf("[%d, %d]%d[%d, %d]\n", left, div - 1, div, div + 1, right);
	
	// 区间大于十个元素用快速排序
	if ((right - left + 1) > 10)
	{
		int div = PartSort3(a, left, right);

		// 递归的思想，让该位置的左边和右边按照同样的思想进行排序
		QuickSort(a, left, div - 1);
		QuickSort(a, div + 1, right);
	}
	// 小于十个元素用插入排序
	else
	{
		InsertSort(a + left, right - left + 1);
	}
}

特性总结

  1. 快速排序整体的综合性能和使用场景都是比较好的，所以才敢叫快速排序。
  2. 时间复杂度：O（NlogN）。
  3. 空间复杂度：O（1），使用栈模拟则为O（logN）。
  4. 稳定性：不稳定。
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