【Java算法面试题深度解析】:掌握15个面试高频问题与专家解题思路
发布时间: 2024-08-30 02:16:15 阅读量: 93 订阅数: 22
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# 1. Java算法面试概览
## 1.1 面试的重要性
在IT行业,尤其是在Java领域,算法面试是评估程序员技术深度和问题解决能力的重要环节。面试不仅考验应聘者对算法和数据结构的理解,还要求他们能够将理论知识应用到实际问题中。因此,准备算法面试不仅是求职的需要,也是提升个人技术水平和思维能力的过程。
## 1.2 面试准备的三个阶段
准备Java算法面试通常分为三个阶段:首先是基础知识的复习,这包括Java语法、集合框架、线程等;其次是数据结构与算法的学习,重点掌握数组、链表、栈、队列、树、图等基础结构,以及排序、搜索等常用算法;最后是实战演练,通过解决实际问题或模拟面试题来巩固知识点和提高解题速度。
## 1.3 应对策略
在面试过程中,应聘者应展示出清晰的解题思路,并尽量用简洁明了的语言描述自己的算法设计。掌握一些常见的优化方法和调试技巧也是必不可少的,同时保持冷静和自信,灵活应对面试官可能提出的问题。在面试后进行复盘,总结经验教训,有助于在未来的面试中取得更好的成绩。
以上就是对Java算法面试的全面概览,接下来的章节将详细介绍数据结构、算法核心概念与经典题型等内容,帮助你深入理解并有效准备面试。
# 2. 数据结构基础与应用
### 2.1 基本数据结构解读
#### 2.1.1 数组与链表的区别与应用场景
数组(Array)和链表(Linked List)是两种基础且常见的数据结构,它们各自具有独特的特性和适用场景。
数组是一种线性数据结构,它将元素在内存中连续存放。数组的读取(通过索引访问)速度非常快,因为可以直接通过计算地址达到目的元素的存储位置。但是数组的插入和删除操作较慢,因为需要移动大量元素来保持连续性。数组适合用于索引有规律的情况,例如遍历。
链表同样是一种线性数据结构,由一系列节点组成,每个节点包含数据部分和指向下一个节点的指针。由于链表不连续存储,其插入和删除操作较快,只需更改指针指向即可。然而,链表的访问速度相对较慢,因为需要从头节点开始遍历链表。链表适合用于需要频繁插入和删除的场景。
代码示例(Java):
```java
// 数组实现
public class ArrayExample {
int[] data; // 存储数组元素
public ArrayExample(int size) {
data = new int[size];
}
// 添加元素到数组末尾
public void add(int element) {
// ... 实现添加逻辑
}
}
// 链表节点定义
class ListNode {
int val;
ListNode next;
ListNode(int x) { val = x; }
}
// 单链表实现
public class LinkedListExample {
ListNode head; // 指向链表的头节点
// 添加元素到链表末尾
public void add(int element) {
ListNode newNode = new ListNode(element);
if (head == null) {
head = newNode;
} else {
ListNode current = head;
while (current.next != null) {
current = current.next;
}
current.next = newNode;
}
}
}
```
### 2.1.2 栈和队列的原理及实现
栈(Stack)和队列(Queue)是两种受限的数据结构,它们的操作受到特定规则的约束。
栈是一种后进先出(LIFO, Last-In-First-Out)的数据结构。它只允许在一端进行添加或删除元素的操作,这使得栈在实现函数调用、表达式求值等场景中非常有用。
队列是一种先进先出(FIFO, First-In-First-Out)的数据结构。它允许在一端添加元素,在另一端删除元素,非常适合用于实现任务调度、缓存系统等。
代码示例(Java):
```java
// 栈的实现
class Stack<T> {
private Node<T> top;
// 元素节点
private static class Node<T> {
T value;
Node<T> next;
Node(T value) { this.value = value; }
}
// 入栈操作
public void push(T value) {
Node<T> newNode = new Node<>(value);
newNode.next = top;
top = newNode;
}
// 出栈操作
public T pop() {
if (isEmpty()) throw new EmptyStackException();
T value = top.value;
top = top.next;
return value;
}
}
// 队列的实现
class Queue<T> {
private Node<T> head;
private Node<T> tail;
// 元素节点定义同上...
// 入队操作
public void enqueue(T value) {
Node<T> newNode = new Node<>(value);
if (tail != null) {
tail.next = newNode;
}
tail = newNode;
if (head == null) {
head = newNode;
}
}
// 出队操作
public T dequeue() {
if (isEmpty()) throw new EmptyQueueException();
T value = head.value;
head = head.next;
if (head == null) {
tail = null;
}
return value;
}
}
```
### 2.2 高级数据结构剖析
#### 2.2.1 二叉树及其变体的特性与算法
二叉树(Binary Tree)是一种每个节点最多有两个子节点的树形数据结构。它在查找、排序和搜索中有广泛应用。二叉树的变体如平衡二叉树(AVL树)、红黑树和堆(Heap)等,通过特定的规则保持树的平衡,确保操作的高效性。
例如,AVL树是一种自平衡的二叉搜索树,每个节点的左右子树的高度最多差1,这使得AVL树保持了较低的高度,优化了查找、插入和删除操作的性能。
红黑树也是一款自平衡的二叉搜索树,它通过一系列的颜色属性和旋转操作来保持平衡,被广泛应用在Java的`TreeMap`和`TreeSet`中。
堆是一种特殊的完全二叉树,其中每个父节点的值都大于或等于(最大堆)或小于或等于(最小堆)其子节点。堆常用于实现优先队列和堆排序。
#### 2.2.2 哈希表和跳表在面试中的常见问题
哈希表(Hash Table)是一种使用哈希函数组织数据,以加快数据插入、删除和查找速度的结构。哈希表通过一个称为哈希函数的计算过程,将输入(关键字)转换为表中的索引,索引对应的位置存储实际的值。哈希表的查询效率极高,平均情况下为O(1),但有可能出现冲突,需要合理的冲突解决策略。
跳表(Skip List)是一种可以用来替代平衡树的数据结构,它通过多层索引来加快搜索和插入操作。跳表是链表的一种扩展,它的每个节点都会维护一些指向下个节点的指针,指针数目是随机的。在跳表中,查找操作可以从最高层开始,每跳过几个元素就能接近目标位置,类似于二分搜索的思想。
### 2.3 数据结构的实践技巧
#### 2.3.1 如何根据需求选择合适的数据结构
选择合适的数据结构通常取决于具体问题的需求。例如,对于需要快速查找的场景,如搜索引擎的词典功能,二叉搜索树或哈希表可能是更合适的选择。如果数据结构需要支持频繁的插入和删除操作,链表或跳表可能是更好的选择。
在选择数据结构时,需要考虑以下因素:
- 数据的大小
- 数据访问模式(查找、插入、删除)
- 内存限制
- 算法的时间和空间复杂度
#### 2.3.2 数据结构在实际问题中的应用案例分析
在实际编程中,数据结构的选择直接影响程序的性能。例如,在实现社交网络中的用户推荐系统时,可以使用图(Graph)数据结构来表示用户之间的关系,并利用图算法(如最短路径算法)来计算用户之间的最短连接。如果需要快速查找某些元素是否存在于一个大型数据集中,可以使用位图(Bitmap)数据结构来节省内存。
每个数据结构都有其最优化的应用场景,因此在实际问题中,需要深入理解数据结构的原理和特点,才能在遇到问题时迅速作出正确选择。在面试中,能够结合具体案例分析数据结构的选择和应用,将能显著提升面试官的印象。
# 3. ```
# 第三章:算法核心概念与经典题型
算法是计算机科学的灵魂,它决定了程序的效率和性能。在面试中,良好的算法基础与解决经典题型的能力,往往能决定面试的成败。本章将详细介绍排序、搜索、动态规划等核心概念,并剖析其在实际问题中的应用。
## 3.1 排序算法的原理与优化
排序是算法面试中必考的基础问题之一,它不仅是其他算法的基石,还常用来考察面试者对时间复杂度与空间复杂度的理解。本节将深入探讨不同排序算法的原理、特点,以及如何选择合适的排序算法进行优化。
### 3.1.1 常见排序算法的比较与选择
在众多排序算法中,选择最合适的算法至关重要。我们先来比较一下常见的排序算法,包括冒泡排序、选择排序、插入排序、归并排序、快速排序和堆排序。
- 冒泡排序是一种简单的排序算法,它重复地遍历待排序的序列,比较相邻的元素,若前者比后者大,则交换它们的位置。它的时间复杂度为O(n^2),适用于小规模数据的排序。
- 选择排序也称为“拍卖排序”,其基本思想是在每一轮选择中,选出最小(大)的元素,与起始位置的元素交换。选择排序的平均时间复杂度也是O(n^2),且不会因为输入数据的不同而有所改进。
- 插入排序通过构建有序序列,对于未排序数据,在已排序序列中从后向前扫描,找到相应位置并插入。插入排序在实现上,通常采用in-place排序(即只需用到O(1)的额外空间的排序),时间复杂度为O(n^2)。
- 归并排序是建立在归并操作上的一种有效的排序算法,该算法是采用分治法(Divide and Conquer)的一个非常典型的应用。归并排序是稳定的排序方法,其时间复杂度为O(nlogn)。
- 快速排序是一种分治策略的排序算法,其基本思想是通过一趟排序将待排记录分隔成独立的两部分,其中一部分记录的关键字均比另一部分的关键字小,则可分别对这两部分记录继续进行排序,以达到整个序列有序。快速排序的平均时间复杂度为O(nlogn),但最坏情况下时间复杂度为O(n^2)。
- 堆排序是一种选择排序,它的最坏、最好和平均时间复杂度均为O(nlogn)。堆排序利用堆这种数据结构所设计的一种排序算法。堆积是一个近似完全二叉树的结构,并同时满足堆积的性质:即子节点的键值或索引总是小于(或者大于)它的父节点。
在选择排序算法时,需要考虑数据的规模、是否需要稳定排序、对时间或空间复杂度的要求等因素。例如,对于大数据量,归并排序和快速排序通常是较好的选择;对于小数据量,如果对稳定性有要求,插入排序或归并排序较为合适。
### 3.1.2 排序算法的时间复杂度分析
时间复杂度是对算法时间效率的衡量,它描述了算法执行的快慢程度。对于排序算法,我们通常关注的是最坏情况、平均情况和最好情况的时间复杂度。
- 冒泡、选择和插入排序的最好和平均时间复杂度是O(n^2),最好情况下的时间复杂度是指数据本身已经接近有序的情况。
- 归并排序和快速排序的最好、平均和最坏情况下的时间复杂度都是O(nlogn),但快速排序在遇到最坏情况时,可以通过随机化算法或三数取中等方法避免。
- 堆排序的时间复杂度稳定在O(nlogn),不受输入数据的影响。
除了时间复杂度,我们还应该关注空间复杂度。例如,归并排序需要额外的O(n)空间进行数据合并;而快速排序在空间上较为节省,平均情况下只需要O(logn)的栈空间。
在实际面试中,不仅要能够分析时间复杂度,还可能需要解释算法的执行步骤。例如,可以给出快速排序的伪代码并解释每一步的作用:
```
void quicksort(int[] arr, int low, int high) {
if (low < high) {
int pivot = partition(arr, low, high);
quicksort(arr, low, pivot - 1);
quicksort(arr, pivot + 1, high);
}
}
int partition(int[] arr, int low, int high) {
int pivot = arr[high]; // pivot
int i = (low - 1); // Index of smaller element
for (int j = low; j <= high - 1; j++) {
if (arr[j] < pivot) {
i++; // If current element is smaller than the pivot
swap(arr, i, j); // swap arr[i] and arr[j]
}
}
swap(arr, i + 1, high);
return (i + 1);
}
void swap(int[] arr, int i, int j) {
int temp = arr[i];
arr[i] = arr[j];
arr[j] = temp;
}
```
理解快速排序的关键在于理解`partition`函数如何正确地将数组分成两部分,并确定基准点的位置。
理解了这些核心概念和算法,可以在面试中更加自信地应对排序相关的题目,并在实际编码中做出更加高效的选择。
```
```
接下来,我们将深入探讨搜索算法的深度剖析,展示如何在实际问题中运用二分搜索、深度/广度优先搜索等方法。
# 4. Java算法面试高频问题实战
### 4.1 字符串处理与算法题
#### 4.1.1 字符串匹配算法及其优化方法
字符串匹配是编程面试中的常见问题,尤其在处理文本数据时尤为重要。最经典的字符串匹配算法有KMP算法、Boyer-Moore算法以及Rabin-Karp算法。
KMP算法(Knuth-Morris-Pratt)是一种高效的字符串匹配算法。它的主要思想是在不匹配时,可以利用已经匹配的信息,将模式字符串向右滑动尽可能远的距离,从而避免了不必要的回溯。该算法的时间复杂度为O(n + m),其中n是文本字符串的长度,m是模式字符串的长度。
Boyer-Moore算法也是解决字符串匹配问题的一个高效算法,它从模式字符串的末尾开始匹配,同时利用了坏字符规则和好后缀规则。坏字符规则是在不匹配时,将模式字符串向右移动至坏字符之后的位置。好后缀规则则是当模式字符串的末尾有部分匹配时,将模式字符串移动至与好后缀对应的位置。该算法的平均时间复杂度为O(n + m)。
Rabin-Karp算法通过哈希函数来加速字符串的比较过程,特别适合于多模式匹配的情况。它将每个字符串转换为一个数字,从而将字符串匹配转化为数字的匹配。当发现一个子串的哈希值与模式字符串的哈希值相等时,才进行详细的字符串比较。该算法在最坏情况下的时间复杂度为O(nm),但平均情况下表现良好。
字符串匹配优化方法的核心是减少不必要的比较次数,KMP算法和Boyer-Moore算法通过预处理模式字符串并利用已经匹配的信息来提高效率。Rabin-Karp算法则通过减少重复的计算来提高效率。
#### 4.1.2 字符串相关问题的解题思路
在解决字符串相关问题时,通常需要考虑几个方面:
1. **字符串的基本操作**:首先考虑是否有现成的字符串操作函数可以使用,比如反转字符串、查找子串、替换字符等。
2. **数据结构选择**:根据问题需要,可能需要使用特定的数据结构,如trie树、后缀树、动态规划数组等。
3. **算法策略**:在涉及到复杂模式匹配的情况下,如正则表达式匹配,要考虑使用什么样的算法策略,例如回溯算法、动态规划等。
4. **边界条件处理**:字符串相关问题常有边界条件需要注意,比如空字符串、字符串长度为1等特殊情况的处理。
5. **时间与空间复杂度**:在实现算法时,要考虑时间和空间复杂度,尤其是内存消耗,在有限的内存条件下,可能需要特别的优化策略。
6. **代码清晰性**:字符串处理代码容易变得复杂难懂,因此清晰地组织代码结构,使其他人(或未来的你)能够理解是非常重要的。
### 4.2 数组与矩阵问题
#### 4.2.1 数组问题中的边界条件处理
在解决数组相关问题时,边界条件的处理是关键。数组越界是常见的错误来源,因此在任何操作数组的代码段中,都需要确保不会访问到数组范围之外的内存。
以下是一些处理边界条件的通用策略:
- **初始化检查**:在数组操作之前检查输入是否有效。例如,检查数组是否为空,长度是否符合要求。
- **边界标记**:使用特殊值标记边界,如在矩阵遍历中,可以用一个特定的值标记边界以避免越界。
- **循环条件**:仔细设置循环条件,确保循环不会超过数组的索引范围。
- **长度检查**:在进行数组操作前,检查目标索引是否在数组长度范围内。
- **考虑极端情况**:在设计算法时,确保算法对空数组、单元素数组、极大数组或极小数组等极端情况进行处理。
示例代码,展示边界条件的处理:
```java
public int findMaxValue(int[] arr) {
if (arr == null || arr.length == 0) {
// 处理数组为空或长度为0的情况
return Integer.MIN_VALUE; // 或抛出异常
}
int maxValue = arr[0];
for (int i = 1; i < arr.length; i++) {
if (arr[i] > maxValue) {
maxValue = arr[i];
}
}
return maxValue;
}
```
#### 4.2.2 矩阵遍历与特殊操作的算法实现
矩阵是一个二维数组,其遍历和操作相较于一维数组更为复杂。矩阵的操作包括但不限于:旋转、翻转、查找特定元素、路径求和等。
下面是一个简单的矩阵遍历算法实现的例子,它展示了如何按行遍历矩阵:
```java
public void traverseMatrix(int[][] matrix) {
if (matrix == null || matrix.length == 0) {
return;
}
for (int i = 0; i < matrix.length; i++) {
for (int j = 0; j < matrix[i].length; j++) {
System.out.print(matrix[i][j] + " ");
}
System.out.println();
}
}
```
矩阵的旋转是一个常见的算法问题,如逆时针旋转90度。下面是一个实现该功能的示例代码:
```java
public void rotateMatrix(int[][] matrix) {
int n = matrix.length;
for (int i = 0; i < n / 2; i++) {
for (int j = i; j < n - i - 1; j++) {
// 临时保存左上角的值
int temp = matrix[i][j];
// 移动左上角到左下角
matrix[i][j] = matrix[n - j - 1][i];
// 移动左下角到右下角
matrix[n - j - 1][i] = matrix[n - i - 1][n - j - 1];
// 移动右下角到右上角
matrix[n - i - 1][n - j - 1] = matrix[j][n - i - 1];
// 移动右上角到左上角
matrix[j][n - i - 1] = temp;
}
}
}
```
矩阵问题往往需要细致的逻辑思维,尤其是那些涉及到矩阵变换的题目。理解矩阵结构的性质是解决这些问题的关键。例如,在解决路径求和问题时,需要利用动态规划或者回溯算法来求解最优解。
### 4.3 高级算法题目解析
#### 4.3.1 NP问题与回溯算法的应用
NP问题(Nondeterministic Polynomial time)是计算机科学中的一个复杂性类别。一个计算问题如果存在一个非确定性图灵机能在多项式时间内判断一个给定解的正确性,则该问题被归类为NP问题。
NP问题包括很多经典问题,比如旅行商问题(TSP)、集合覆盖问题和背包问题等。对于这类问题,通常没有多项式时间的精确算法。因此,回溯算法常被用于求解NP问题的近似解或最优解。
回溯算法通过递归方式,探索每一种可能的结果,并在发现当前路径不可能达到最优解时立即放弃当前路径,这被称为剪枝。
下面是回溯算法在解决N皇后问题中的一个应用示例:
```java
public class NQueens {
public static void solveNQueens(int n) {
List<List<String>> results = new ArrayList<>();
char[][] board = new char[n][n];
for (int i = 0; i < n; i++) {
for (int j = 0; j < n; j++) {
board[i][j] = '.';
}
}
List<int[]> positions = new ArrayList<>();
placeQueen(results, board, positions, 0);
// 打印解
for (List<String> result : results) {
for (String str : result) {
System.out.println(str);
}
System.out.println();
}
}
private static void placeQueen(List<List<String>> results, char[][] board, List<int[]> positions, int row) {
int n = board.length;
if (row == n) {
results.add(generateResult(board, positions));
return;
}
for (int col = 0; col < n; col++) {
if (isValid(positions, row, col)) {
positions.add(new int[]{row, col});
board[row][col] = 'Q';
placeQueen(results, board, positions, row + 1);
board[row][col] = '.';
positions.remove(positions.size() - 1);
}
}
}
private static boolean isValid(List<int[]> positions, int row, int col) {
for (int[] position : positions) {
if (position[0] == row || position[1] == col || position[0] - position[1] == row - col || position[0] + position[1] == row + col) {
return false;
}
}
return true;
}
private static List<String> generateResult(char[][] board, List<int[]> positions) {
List<String> result = new ArrayList<>();
for (int[] position : positions) {
int r = position[0], c = position[1];
for (int i = 0; i < board.length; i++) {
board[i][c] = '.';
}
board[r][c] = 'Q';
}
for (char[] chars : board) {
result.add(new String(chars));
}
return result;
}
}
```
#### 4.3.2 算法优化策略:空间换时间及剪枝技巧
在面对算法面试题目时,优化策略是提高效率的关键。常见的优化策略包括空间换时间以及剪枝技巧。
**空间换时间**是指通过使用额外的空间来减少时间复杂度。一个经典的例子是使用动态规划来解决斐波那契数列问题,避免了重复计算。动态规划通常需要一个数组来保存中间结果,从而在后续计算中直接使用,减少了重复计算的次数。
**剪枝技巧**是指在算法的搜索过程中,根据某些条件判断继续搜索是徒劳的,因此提前放弃某些路径的搜索。在NP问题求解中,剪枝技巧尤为重要。使用剪枝可以大量减少无效搜索,从而加快算法的运行速度。
一个使用剪枝技巧的代码示例是解决N皇后问题时,当检测到在某一行无法放置皇后时,停止继续尝试该行之后的任何列。
```java
if (!isValid(positions, row, col)) {
// 发现放置皇后会导致冲突,剪枝
continue;
}
```
此外,算法优化还可以借助于数据结构的高效实现,比如使用HashMap来快速查找元素,使用优先队列(堆)来快速找出当前最小元素等。
需要注意的是,在进行算法优化时,要保持代码的可读性,避免过分追求优化而牺牲代码的可读性。在面试中,清晰的代码和良好的解释能力同样重要。
# 5. 面试准备与策略提升
## 5.1 面试前的准备工作
面试前的准备对于求职者来说至关重要,不仅要系统地复习理论知识,还要对面试官的心理和面试流程有充分的了解。通过精心准备,可以大幅提高通过面试的概率。
### 5.1.1 理解面试官的心理与期望
面试官的目标是找到最适合这个职位的人选,他们通常会从以下几个方面来评估求职者:
- **技能匹配度**:你的技能是否满足岗位需求?
- **解决问题的能力**:面对未知问题,你如何思考和解决?
- **团队协作与沟通能力**:你是否能和团队有效沟通?
- **适应变化的能力**:在工作中遇到变化,你能否快速适应?
理解了这些期望,你就可以有针对性地准备面试。
### 5.1.2 常见面试题型与应答技巧
面试题型多种多样,常见的有行为面试题、技术面试题和案例分析题。
#### 技术面试题
这类问题旨在评估你的编程能力和对特定技术的掌握程度。准备这类题目时,你需要:
- **练习算法和数据结构**:确保你能够熟练使用这些基础知识解决问题。
- **复习框架和API**:了解你将要面试的公司的技术栈。
#### 行为面试题
行为面试题通常以“你过去是怎样...”或“描述一个你如何解决...的情景”等形式出现。应对这类问题,你可以使用STAR方法(Situation, Task, Action, Result)来组织你的答案:
- **Situation**:描述问题发生的情况。
- **Task**:说明你需要完成的任务。
- **Action**:具体描述你采取了哪些行动。
- **Result**:阐述结果是什么,最好用数据支撑。
## 5.2 面试中的表现与沟通技巧
面试不仅是评估你的技术能力,同样也是评估你的沟通和协作能力。在面试中表现出色,可以让你从众多候选人中脱颖而出。
### 5.2.1 如何在面试中展示编程思维
在技术面试中,展示你的编程思维至关重要。以下是一些方法:
- **清晰的逻辑表达**:在解释你的解题思路时,确保逻辑清晰。
- **分步骤解释**:将复杂的问题分解成小的步骤,逐一解释。
- **代码审查**:在编写代码后,进行自我审查,寻找可能的错误或改进点。
### 5.2.2 面试中的问题解决与提问策略
面试中的问题解决能力体现了你的实际工作能力。以下是一些策略:
- **主动提问**:面试结束前,主动提出问题,展示你对职位的兴趣和深入的思考。
- **深入讨论**:不要仅限于问题本身,尝试讨论解决方案的上下文和可能的替代方案。
## 5.3 面试后的复盘与提升
面试结束后,即使结果不佳,也是学习和成长的机会。认真分析面试反馈,找出自己的不足,并针对性地进行改进。
### 5.3.1 面试反馈的分析与改进
- **收集反馈**:尽可能地收集面试官的反馈意见。
- **自我分析**:客观地评估自己的表现,找出改进点。
- **制定计划**:根据反馈和自我分析制定改进计划。
### 5.3.2 持续学习与个人品牌塑造
在IT行业,持续学习是必不可少的。同时,塑造个人品牌可以帮助你在竞争激烈的市场中脱颖而出。
- **参加研讨会和网络课程**:不断更新你的技能和知识。
- **维护个人网站或博客**:分享你的学习经验,展示你的专业性。
- **参与开源项目**:通过代码贡献展示你的能力,建立你的网络。
通过上述这些章节内容的深入讲解,我们可以看到面试准备、表现和复盘阶段的重要性。每个阶段都有其独特的策略和技巧,只有全面掌握这些要点,才能在求职的道路上走得更远。
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