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文檔簡(jiǎn)介
第五章數(shù)組和廣義表5.1數(shù)組的類(lèi)型定義5.3稀疏矩陣的壓縮存儲(chǔ)5.2數(shù)組的順序表示和實(shí)現(xiàn)5.4廣義表的類(lèi)型定義5.5
廣義表的表示方法5.6廣義表操作的遞歸函數(shù)5.1數(shù)組的類(lèi)型定義ADTArray{
數(shù)據(jù)對(duì)象:
D={aj1,j2,...,,ji,jn|ji=0,...,bi-1,i=1,2,..,n}
數(shù)據(jù)關(guān)系:
R={R1,R2,...,Rn}Ri={<aj1,...ji,...jn
,aj1,...ji+1,...jn
>|0
jk
bk-1,1
k
n且k
i,0
ji
bi-2,i=2,...,n}
}ADTArray基本操作:二維數(shù)組的定義:數(shù)據(jù)對(duì)象:
D={aij|0≤i≤b1-1,0≤j≤b2-1}數(shù)據(jù)關(guān)系:
R={ROW,COL}
ROW={<ai,j,ai+1,j>|0≤i≤b1-2,0≤j≤b2-1}
COL={<ai,j,ai,j+1>|0≤i≤b1-1,0≤j≤b2-2}基本操作:InitArray(&A,n,bound1,...,boundn)DestroyArray(&A)Value(A,&e,index1,...,indexn)Assign(&A,e,index1,...,indexn)InitArray(&A,n,bound1,...,boundn)
操作結(jié)果:若維數(shù)n和各維長(zhǎng)度合法,則構(gòu)造相應(yīng)的數(shù)組A,并返回OK。DestroyArray(&A)
操作結(jié)果:銷(xiāo)毀數(shù)組A。Value(A,&e,index1,...,indexn)
初始條件:A是n維數(shù)組,e為元素變量,隨后是n個(gè)下標(biāo)值。
操作結(jié)果:若各下標(biāo)不超界,則e賦值為所指定的A的元素值,并返回OK。
Assign(&A,e,index1,...,indexn)
初始條件:A是n維數(shù)組,e為元素變量,隨后是n個(gè)下標(biāo)值。
操作結(jié)果:若下標(biāo)不超界,則將e的值賦給所指定的A的元素,并返回
OK。5.2數(shù)組的順序表示和實(shí)現(xiàn)
類(lèi)型特點(diǎn):1)只有引用型操作,沒(méi)有加工型操作;2)數(shù)組是多維的結(jié)構(gòu),而存儲(chǔ)空間是一個(gè)一維的結(jié)構(gòu)。
有兩種順序映象的方式:1)以行序?yàn)橹餍?低下標(biāo)優(yōu)先);2)以列序?yàn)橹餍?高下標(biāo)優(yōu)先)。例如:
稱(chēng)為基地址或基址。以“行序?yàn)橹餍颉钡拇鎯?chǔ)映象二維數(shù)組A中任一元素ai,j
的存儲(chǔ)位置
LOC(i,j)=LOC(0,0)+(b2×i+j)×a0,1a0,0a0,2a1,0a1,1a1,2a0,1a0,0a0,2a1,0a1,1a1,2L
L
推廣到一般情況,可得到n維數(shù)組數(shù)據(jù)元素存儲(chǔ)位置的映象關(guān)系
稱(chēng)為n維數(shù)組的映象函數(shù)。數(shù)組元素的存儲(chǔ)位置是其下標(biāo)的線性函數(shù)。其中cn=L,ci-1=bi×ci,1<i
n。LOC(j1,j2,...,jn)=LOC(0,0,...,0)+∑ciji
i=1n假設(shè)m行n列的矩陣含t個(gè)非零元素,則稱(chēng)為稀疏因子。通常認(rèn)為
0.05的矩陣為稀疏矩陣。5.3稀疏矩陣的壓縮存儲(chǔ)何謂稀疏矩陣?
以常規(guī)方法,即以二維數(shù)組表示高階的稀疏矩陣時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題:1)零值元素占了很大空間;2)計(jì)算中進(jìn)行了很多和零值的運(yùn)算,遇除法,還需判別除數(shù)是否為零。1)盡可能少存或不存零值元素;解決問(wèn)題的原則:2)盡可能減少?zèng)]有實(shí)際意義的運(yùn)算;3)操作方便。即:能盡可能快地找到與下標(biāo)值(i,j)對(duì)應(yīng)的元素,能盡可能快地找到同一行或同一列的非零值元。1)特殊矩陣
非零元在矩陣中的分布有一定規(guī)則例如:三角矩陣對(duì)角矩陣2)隨機(jī)稀疏矩陣非零元在矩陣中隨機(jī)出現(xiàn)有兩類(lèi)稀疏矩陣:特殊矩陣
這類(lèi)矩陣由于零元素或重復(fù)元素的分布很有規(guī)律,可以很容易地把矩陣壓縮存儲(chǔ)在一個(gè)一維數(shù)數(shù)組中。An×nBm,即B[k]=A[i,j],需求出下標(biāo)映射函數(shù)k=f(i,j)。上三角矩陣0對(duì)角矩陣000下三角矩陣ajiaij對(duì)稱(chēng)矩陣
如下三角矩陣有映射Aij=Bk,則有a11a21a22a31...a(chǎn)ni...a(chǎn)nnk=0123n(n-1)/2n(n+1)/2-1K=i(i-1)/2+j-1(i≥j)n(n+1)/2(i<j)0下三角矩陣隨機(jī)稀疏矩陣的壓縮存儲(chǔ)方法:一、三元組順序表二、行邏輯聯(lián)接的順序表三、十字鏈表
#defineMAXSIZE12500
typedefstruct{
inti,j;//該非零元的行下標(biāo)和列下標(biāo)
ElemTypee;//該非零元的值
}Triple;//三元組類(lèi)型一、三元組順序表typedefunion{
Tripledata[MAXSIZE+1];
intmu,nu,tu;}TSMatrix;//稀疏矩陣類(lèi)型如何求轉(zhuǎn)置矩陣?用常規(guī)的二維數(shù)組表示時(shí)的算法
其時(shí)間復(fù)雜度為:O(mu×nu)for(col=1;col<=nu;++col)
for(row=1;row<=mu;++row)T[col][row]=M[row][col];用“三元組”表示時(shí)如何實(shí)現(xiàn)?121415-522-731363428211451-522-713364328
首先應(yīng)該確定每一行的第一個(gè)非零元在三元組中的位置。
cpot[1]=1;
for(col=2;col<=M.nu;++col)cpot[col]=cpot[col-1]+num[col-1];StatusFastTransposeSMatrix(TSMatrixM,TSMatrix&T){T.mu=M.nu;T.nu=M.mu;T.tu=M.tu;
if(T.tu)
{
for(col=1;col<=M.nu;++col)num[col]=0;
for(t=1;t<=M.tu;++t)++num[M.data[t].j];
cpot[1]=1;
for(col=2;col<=M.nu;++col)cpot[col]=cpot[col-1]+num[col-1];for(p=1;p<=M.tu;++p){}
}//if
returnOK;}//FastTransposeSMatrix
轉(zhuǎn)置矩陣元素Col=M.data[p].j;q=cpot[col];T.data[q].i=M.data[p].j;T.data[q].j=M.data[p].i;T.data[q].e=M.data[p].e;++cpot[col]
分析算法FastTransposeSMatrix的時(shí)間復(fù)雜度:時(shí)間復(fù)雜度為:O(M.nu+M.tu)for(col=1;col<=M.nu;++col)……for(t=1;t<=M.tu;++t)……for(col=2;col<=M.nu;++col)……for(p=1;p<=M.tu;++p)……
三元組順序表又稱(chēng)有序的雙下標(biāo)法,它的特點(diǎn)是,非零元在表中按行序有序存儲(chǔ),因此便于進(jìn)行依行順序處理的矩陣運(yùn)算。然而,若需隨機(jī)存取某一行中的非零元,則需從頭開(kāi)始進(jìn)行查找。二、行邏輯聯(lián)接的順序表#defineMAXMN500typedefstruct{Tripledata[MAXSIZE+1];
intrpos[MAXMN+1];
intmu,nu,tu;}RLSMatrix;//行邏輯鏈接順序表類(lèi)型
修改前述的稀疏矩陣的結(jié)構(gòu)定義,增加一個(gè)數(shù)據(jù)成員rpos,其值在稀疏矩陣的初始化函數(shù)中確定。例如:給定一組下標(biāo),求矩陣的元素值ElemTypevalue(RLSMatrixM,intr,intc){
p=M.rpos[r];
while(M.data[p].i==r&&M.data[p].j<c)p++;
if(M.data[p].i==r&&M.data[p].j==c)
returnM.data[p].e;
elsereturn0;}//value矩陣乘法的精典算法:for(i=1;i<=m1;++i)
for(j=1;j<=n2;++j){Q[i][j]=0;
for(k=1;k<=n1;++k)Q[i][j]+=M[i][k]*N[k][j];
}其時(shí)間復(fù)雜度為:O(m1×n2×n1)Q初始化;
ifQ是非零矩陣{//逐行求積
for(arow=1;arow<=M.mu;++arow){
//處理M的每一行
ctemp[]=0;//累加器清零
計(jì)算Q中第arow行的積并存入ctemp[]中;將ctemp[]中非零元壓縮存儲(chǔ)到Q.data;
}//forarow}//if兩個(gè)稀疏矩陣相乘(Q
M
N)的過(guò)程可大致描述如下:StatusMultSMatrix
(RLSMatrixM,RLSMatrixN,RLSMatrix&Q){if(M.nu!=N.mu)returnERROR;Q.mu=M.mu;Q.nu=N.nu;Q.tu=0;
if(M.tu*N.tu!=0){//Q是非零矩陣
for(arow=1;arow<=M.mu;++arow){
//處理M的每一行
}//forarow}//ifreturnOK;}//MultSMatrixctemp[]=0;//當(dāng)前行各元素累加器清零
Q.rpos[arow]=Q.tu+1;for(p=M.rpos[arow];p<M.rpos[arow+1];++p){//對(duì)當(dāng)前行中每一個(gè)非零元
brow=M.data[p].j;if(brow<N.nu)t=N.rpos[brow+1];
else{t=N.tu+1}
for(q=N.rpos[brow];q<t;++q){ccol=N.data[q].j;//乘積元素在Q中列號(hào)
ctemp[ccol]+=M.data[p].e*N.data[q].e;
}//forq
}//求得Q中第crow(=arow)行的非零元
for(ccol=1;ccol<=Q.nu;++ccol)if(ctemp[ccol]){
if(++Q.tu>MAXSIZE)returnERROR;Q.data[Q.tu]={arow,ccol,ctemp[ccol]};
}//if處理的每一行M三、十字鏈表30050-100200011314522-1312^^^^^^^作業(yè)1.設(shè)有上三角矩陣(aij)n×n
,將其上三角元素逐行存于數(shù)組B(0:m-1)中,使得B[k]=aij,且k=f1(i)+f2(j)+c。試推導(dǎo)函數(shù)f1、f2和常數(shù)項(xiàng)c,其中1≤i,j≤n。上三角矩陣05.4廣義表的類(lèi)型定義ADTGlist{
數(shù)據(jù)對(duì)象:D={ei|i=1,2,..,n;n≥0;ei∈AtomSet或ei∈GList,AtomSet為某個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象}
數(shù)據(jù)關(guān)系:
LR={<ei-1,ei>|ei-1,ei∈D,2≤i≤n}}ADTGlist基本操作:廣義表是遞歸定義的線性結(jié)構(gòu),LS=(
1,
2,
,
n)其中:
i
或?yàn)樵踊驗(yàn)閺V義表例如:A=()F=(d,(e))D=((a,(b,c)),F)C=(A,D,F)B=(a,B)=(a,(a,(a,
,)))廣義表是一個(gè)多層次的線性結(jié)構(gòu)例如:D=(E,F)其中:
E=(a,
(b,
c))
F=(d,(e))DEFa()d()bce廣義表
LS=(
1,
2,…,
n)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):1)廣義表中的數(shù)據(jù)元素有相對(duì)次序;2)廣義表的長(zhǎng)度定義為最外層包含元素個(gè)數(shù);3)廣義表的深度定義為所含括弧的重?cái)?shù);注意:“原子”的深度為0
“空表”的深度為14)廣義表可以共享;5)廣義表可以是一個(gè)遞歸的表。遞歸表的深度是無(wú)窮值,長(zhǎng)度是有限值。6)任何一個(gè)非空廣義表
LS=(
1,
2,…,
n)
均可分解為
表頭
Head(LS)=
1和
表尾
Tail(LS)=(
2,…,
n)兩部分。例如:
D=(E,F)=((a,(b,c)),F(xiàn))Head(D)=ETail(D)=(F)Head(E)=aTail(E)=((b,c))Head(((b,c)))=(b,c)Tail(((b,c)))=()Head((b,c))=bTail((b,c))=(c)Head((c))=cTail((c))=()
結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建和銷(xiāo)毀
InitGList(&L);DestroyGList(&L);CreateGList(&L,S);CopyGList(&T,L);基本操作
狀態(tài)函數(shù)
GListLength(L);GListDepth(L);GListEmpty(L);GetHead(L);GetTail(L);
插入和刪除操作
InsertFirst_GL(&L,e);DeleteFirst_GL(&L,&e);
遍歷
Traverse_GL(L,Visit());5.5
廣義表的表示方法通常采用頭、尾指針的鏈表結(jié)構(gòu)表結(jié)點(diǎn):原子結(jié)點(diǎn):tag=1hptptag=0data1)表頭、表尾分析法:構(gòu)造存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的兩種分析方法:若表頭為原子,則為空表
ls=NIL非空表lstag=1指向表頭的指針指向表尾的指針tag=0data否則,依次類(lèi)推。L=(a,(x,y),((x)))a(x,y)(
)
1LL=()0a
1
1
1
1
10x
()x2)子表分析法:若子表為原子,則為空表
ls=NIL非空表1指向子表1
的指針tag=0data否則,依次類(lèi)推。1指向子表2
的指針1指向子表n
的指針ls…
例如:
a(x,y)((x))LS=(a,(x,y),((x)))ls5.6廣義表操作的遞歸函數(shù)遞歸函數(shù)
一個(gè)含直接或間接調(diào)用本函數(shù)語(yǔ)句的函數(shù)被稱(chēng)之為遞歸函數(shù),它必須滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件:1)在每一次調(diào)用自己時(shí),必須是(在某種意義上)更接近于解;2)必須有一個(gè)終止處理或計(jì)算的準(zhǔn)則。一、分治法(DivideandConquer)(又稱(chēng)分割求解法)如何設(shè)計(jì)遞歸函數(shù)?二、后置遞歸法(Postponingthework)三、回溯法(Backtracking)
對(duì)于一個(gè)輸入規(guī)模為n的函數(shù)或問(wèn)題,用某種方法把輸入分割成k(1<k≤n)個(gè)子集,從而產(chǎn)生l
個(gè)子問(wèn)題,分別求解這l個(gè)問(wèn)題,得出
l
個(gè)問(wèn)題的子解,再用某種方法把它們組合成原來(lái)問(wèn)題的解。若子問(wèn)題還相當(dāng)大,則可以反復(fù)使用分治法,直至最后所分得的子問(wèn)題足夠小,以至可以直接求解為止。一、分治法的設(shè)計(jì)思想為:
在利用分治法求解時(shí),所得子問(wèn)題的類(lèi)型常常和原問(wèn)題相同,因而很自然地導(dǎo)致遞歸求解。例如:梵塔問(wèn)題:
Hanoi(n,x,y,z)可遞歸求解Hanoi(n-1,x,z,y)
將n個(gè)盤(pán)分成兩個(gè)子集(1至n-1和n),從而產(chǎn)生下列三個(gè)子問(wèn)題:1)將1至n-1號(hào)盤(pán)從x軸移動(dòng)至y軸;3)將1至n-1號(hào)盤(pán)從y軸移動(dòng)至z軸;2)將n號(hào)盤(pán)從x軸移動(dòng)至z軸;可遞歸求解Hanoi(n-1,x,z,y)梵塔的遞歸函數(shù)voidhanoi(int
n,
charx,chary,charz){if
(n==1)move(x,1,z);else{
hanoi(n-1,x,z,y);move(x,n,z);
hanoi(n-1,
y,x,z);}}又如:遍歷二叉樹(shù):
Traverse(BT)
可遞歸求解Traverse(LBT)
將n個(gè)結(jié)點(diǎn)分成三個(gè)子集(根結(jié)點(diǎn)、左子樹(shù)和右子樹(shù)),從而產(chǎn)生下列三個(gè)子問(wèn)題:1)訪問(wèn)根結(jié)點(diǎn);3)遍歷右子樹(shù);2)遍歷左子樹(shù);可遞歸求解Traverse(RBT)二叉樹(shù)的遍歷void
PreOrderTraverse(
BiTree
T,void(Visit)(BiTreeP))
{
if(T)
{Visit(T->data);
(PreOrderTraverse(T->lchild,Visit);(PreOrderTraverse(T->rchild,Visit);
}}
//PreOrderTraverse廣義表從結(jié)構(gòu)上可以分解成廣義表=表頭+表尾或者廣義表=
子表1+子表2+···+子表n
因此常利用分治法求解之。算法設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題是,如何將l
個(gè)子問(wèn)題的解組合成原問(wèn)題的解。廣義表的頭尾鏈表存儲(chǔ)表示:typedefenum{ATOM,LIST}ElemTag;
//ATOM==0:原子,LIST==1:子表typedefstructGLNode{ElemTagtag;//標(biāo)志域
union{AtomTypeatom;//原子結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)域
struct{structGLNode*hp,*tp;}ptr;
};}*GListtag=1
hp
tpptr表結(jié)點(diǎn)例一求廣義表的深度例二復(fù)制廣義表廣義表的深度=Max{子表的深度}+1例一求廣義表的深度可以直接求解的兩種簡(jiǎn)單情況為:
空表的深度=1
原子的深度=0
將廣義表分解成n個(gè)子表,分別(遞歸)求得每個(gè)子表的深度,
int
GlistDepth(GlistL){
//返回指針L所指的廣義表的深度
for(max=0,
pp=L;pp;pp=pp->ptr.tp){dep=GlistDepth(pp->ptr.hp);if(dep>max)max=dep;
}
returnmax+1;}//GlistDepthif(!L)return1;if(L->tag==ATOM)return0;111L…
for(max=0,
pp=L;pp;pp=pp->ptr.tp){dep=GlistDepth(pp->ptr.hp);if(dep>max)max=dep;
}例如:pppp->ptr.hppppppp->ptr.hppp->ptr.hp例二復(fù)制廣義表新的廣義表由新的表頭和表尾構(gòu)成。可以直接求解的兩種簡(jiǎn)單情況為:
空表復(fù)制求得的新表自然也是空表;
原子結(jié)點(diǎn)可以直接復(fù)制求得。
將廣義表分解成表頭和表尾兩部分,分別(遞歸)復(fù)制求得新的表頭和表尾,若ls=NIL則newls=NIL否則構(gòu)造結(jié)點(diǎn)newls,
由表頭ls->ptr.hp復(fù)制得newhp
由表尾ls->ptr.tp復(fù)制得newtp
并使newls->ptr.hp=newhp,newls->ptr.tp=newtp復(fù)制求廣義表的算法描述如下:Status
CopyGList(Glist&T,GlistL){if(!L)T=NULL;//復(fù)制空表
else{if(!(T=(Glist)malloc(sizeof(GLNode))))
exit(OVERFLOW);//建表結(jié)點(diǎn)
T->tag=L->tag;if(L->tag==ATOM)
T->atom=L->atom;//復(fù)制單原子結(jié)點(diǎn)
else{}
}//elsereturnOK;}//CopyGList分別復(fù)制表頭和表尾CopyGList(T->ptr.hp,
L->ptr.hp);
//復(fù)制求得表頭T->ptr.hp的一個(gè)副本L->ptr.hpCopyGList(T->ptr.tp,
L->ptr.tp);//復(fù)制求得表尾T->ptr.tp的一個(gè)副本L->ptr.tp語(yǔ)句
CopyGList(T->ptr.hp,
L->ptr.hp);等價(jià)于
CopyGList(newhp,
L->ptr.tp);
T->ptr.hp=newhp;二、后置遞歸的設(shè)計(jì)思想為:
遞歸的終結(jié)狀態(tài)是,當(dāng)前的問(wèn)題可以直接求解,對(duì)原問(wèn)題而言,則是已走到了求解的最后一步。鏈表是可以如此求解的一個(gè)典型例子。例如:編寫(xiě)“刪除單鏈表中所有值為x的數(shù)據(jù)元素”的算法。1)單鏈表是一種順序結(jié)構(gòu),必須從第一個(gè)結(jié)點(diǎn)起,逐個(gè)檢查每個(gè)結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)元素;分析:2)從另一角度看,鏈表又是一個(gè)遞歸結(jié)構(gòu),若L是線性鏈表(a1,a2,
,an)的頭指針,則L->next是線性鏈表(a2,
,an)的頭指針。
a1
a2
a3
an
…
L例如:
a1
a2
a3
an
L
a1
a2
a3
an
L已知下列鏈表1)“a1=x”,則L
仍為刪除x后的鏈表頭指針2)“a1≠x”,則余下問(wèn)題是考慮以L->next為頭指針的鏈表……
a1
L->nextL->next=p->nextp=L->nextvoid
delete(LinkList&L,ElemTypex)
{
//刪除以L為頭指針的帶頭結(jié)點(diǎn)的單鏈表中
//所有值為x的數(shù)據(jù)元素
if(L->next){
if(L->next->data==x){p=L->next;L->next=p->next;
free(p);delete(L,x);
}else
delete(L->next,x);
}}//delete算法:刪除廣義表中所有元素為x的原子結(jié)點(diǎn)分析:
比較廣義表和線性表的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):相似處:都是鏈表結(jié)構(gòu)。不同處:1)廣義表的數(shù)據(jù)元素可能還是個(gè)廣義表;
2)刪除時(shí),不僅要?jiǎng)h除原子結(jié)點(diǎn),還需要?jiǎng)h除相應(yīng)的表結(jié)點(diǎn)。void
Delete_GL(Glist&L,AtomTypex)
{//刪除廣義表L中所有值為x的原子結(jié)點(diǎn)
if(L){
head=L->ptr.hp;
//考察第一個(gè)子表
if((head->tag==Atom)&&
(head->atom==x))
{}//刪除原子項(xiàng)x的情況
else{}//第一項(xiàng)沒(méi)有被刪除的情況
}}//Delete_GL…………p=L;L=L->ptr.tp;//修改指針free(head);//釋放原子結(jié)點(diǎn)free(p);//釋放表結(jié)點(diǎn)Delete_GL(L,x);//遞歸處理剩余表項(xiàng)
1L0x
1pL
headif(head->tag==LIST)//該項(xiàng)為廣義表
Delete_GL(head,x);Delete_GL(L->ptr.tp,x);
//遞歸處理剩余表項(xiàng)
1L0a
1
1headL->ptr.tp三、回溯法是一種“窮舉”方法。其基本
思想為:
假設(shè)問(wèn)題的解為n元組(x1,x2,…,xn),其中xi
取值于集合Si。
n
元組的子組(x1,x2,…,xi)(i<n)稱(chēng)為部分解,應(yīng)滿(mǎn)足一定的約束條件。對(duì)于已求得的部分解(x1,x2,…,xi),若在添加xi+1Si+1
之后仍然滿(mǎn)足約束條件,則得到一個(gè)新的部分解(x1,x2,…,xi+1),之后繼續(xù)添加xi+2Si+2
并檢查之。綜合幾點(diǎn):1.
對(duì)于含有遞歸特性的問(wèn)題,最好設(shè)計(jì)遞歸形式的算法。但也不要單純追求形式,應(yīng)在算法設(shè)計(jì)的分析過(guò)程中“就事論事”。例如,在利用分割求解設(shè)計(jì)算法時(shí),子問(wèn)題和原問(wèn)題的性質(zhì)相同;或者,問(wèn)題的當(dāng)前一步解決之后,余下的問(wèn)題和原問(wèn)題性質(zhì)相同,則自然導(dǎo)致遞歸求解。2.實(shí)現(xiàn)遞歸函數(shù),目前必須利用“?!薄R粋€(gè)遞歸函數(shù)必定能改寫(xiě)為利用棧實(shí)現(xiàn)的非遞歸函
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