Redis 设计与实现之压缩列表

x33g5p2x  于2021-03-14 发布在 Redis  
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[TOC=2,3]

Ziplist 是由一系列特殊编码的内存块构成的列表,一个 ziplist 可以包含多个节点(entry),每个节点可以保存一个长度受限的字符数组(不以 \0 结尾的 char 数组)或者整数,包括:

  • 字符数组

  • 长度小于等于 63 ((2^{6}-1))字节的字符数组

  • 长度小于等于 16383 ((2^{14}-1)) 字节的字符数组

  • 长度小于等于 4294967295 ((2^{32}-1))字节的字符数组

  • 整数

  • 4 位长,介于 012 之间的无符号整数

  • 1 字节长,有符号整数

  • 3 字节长,有符号整数

  • int16_t 类型整数

  • int32_t 类型整数

  • int64_t 类型整数

因为 ziplist 节约内存的性质,哈希键、列表键和有序集合键初始化的底层实现皆采用 ziplist,更多信息请参考《哈希表》、《列表》和《有序集》章节。

本章先介绍 ziplist 的组成结构,以及 ziplist 节点的编码方式。再介绍 ziplist 的添加操作和删除操作的执行过程,以及这两种操作可能引起的连锁更新现象。最后介绍 ziplist 的遍历方法和节点查找方式。

ziplist 的构成

下图展示了一个 ziplist 的典型分布结构:

area        |<---- ziplist header ---->|<----------- entries ------------->|<-end->|

size          4 bytes  4 bytes  2 bytes    ?        ?        ?        ?     1 byte
            +---------+--------+-------+--------+--------+--------+--------+-------+
component   | zlbytes | zltail | zllen | entry1 | entry2 |  ...   | entryN | zlend |
            +---------+--------+-------+--------+--------+--------+--------+-------+
                                       ^                          ^        ^
address                                |                          |        |
                                ZIPLIST_ENTRY_HEAD                |   ZIPLIST_ENTRY_END
                                                                  |
                                                         ZIPLIST_ENTRY_TAIL

图中各个域的作用如下:

长度/类型域的值
zlbytesuint32_t整个 ziplist 占用的内存字节数,对 ziplist 进行内存重分配,或者计算末端时使用。
zltailuint32_t到达 ziplist 表尾节点的偏移量。通过这个偏移量,可以在不遍历整个 ziplist 的前提下,弹出表尾节点。
zllenuint16_tziplist 中节点的数量。当这个值小于 UINT16_MAX65535)时,这个值就是 ziplist 中节点的数量;当这个值等于 UINT16_MAX 时,节点的数量需要遍历整个 ziplist 才能计算得出。
entryX?ziplist 所保存的节点,各个节点的长度根据内容而定。
zlenduint8_t255 的二进制值 1111 1111UINT8_MAX) ,用于标记 ziplist 的末端。

为了方便地取出 ziplist 的各个域以及一些指针地址, ziplist 模块定义了以下宏:

作用算法复杂度
ZIPLIST_BYTES(ziplist)取出 zlbytes 的值(\theta(1))
ZIPLIST_TAIL_OFFSET(ziplist)取出 zltail 的值(\theta(1))
ZIPLIST_LENGTH(ziplist)取出 zllen 的值(\theta(1))
ZIPLIST_HEADER_SIZE返回 ziplist header 部分的长度,总是固定的 10 字节(\theta(1))
ZIPLIST_ENTRY_HEAD(ziplist)返回到达 ziplist 第一个节点(表头)的地址(\theta(1))
ZIPLIST_ENTRY_TAIL(ziplist)返回到达 ziplist 最后一个节点(表尾)的地址(\theta(1))
ZIPLIST_ENTRY_END(ziplist)返回 ziplist 的末端,也即是 zlend 之前的地址(\theta(1))

因为 ziplist header 部分的长度总是固定的(4 字节 + 4 字节 + 2 字节),因此将指针移动到表头节点的复杂度为常数时间;除此之外,因为表尾节点的地址可以通过 zltail 计算得出,因此将指针移动到表尾节点的复杂度也为常数时间。

以下是用于操作 ziplist 的函数:

函数名作用算法复杂度
ziplistNew创建一个新的 ziplist(\theta(1))
ziplistResize重新调整 ziplist 的内存大小(O(N))
ziplistPush将一个包含给定值的新节点推入 ziplist 的表头或者表尾(O(N^2))
zipEntry取出给定地址上的节点,并将它的属性保存到 zlentry 结构然后返回(\theta(1))
ziplistInsert将一个包含给定值的新节点插入到给定地址(O(N^2))
ziplistDelete删除给定地址上的节点(O(N^2))
ziplistDeleteRange在给定索引上,连续进行多次删除(O(N^2))
ziplistFind在 ziplist 中查找并返回包含给定值的节点(O(N))
ziplistLen返回 ziplist 保存的节点数量(O(N))
ziplistBlobLen以字节为单位,返回 ziplist 占用的内存大小(\theta(1))

因为 ziplist 由连续的内存块构成,在最坏情况下,当 ziplistPushziplistDelete 这类对节点进行增加或删除的函数之后,程序需要执行一种称为连锁更新的动作来维持 ziplist 结构本身的性质,所以这些函数的最坏复杂度都为 (O(N^2)) 。不过,因为这种最坏情况出现的概率并不高,所以大可以放心使用 ziplist ,而不必太担心出现最坏情况。

节点的构成

一个 ziplist 可以包含多个节点,每个节点可以划分为以下几个部分:

area        |<------------------- entry -------------------->|

            +------------------+----------+--------+---------+
component   | pre_entry_length | encoding | length | content |
            +------------------+----------+--------+---------+

以下几个小节将分别对这个四个部分进行介绍。

pre_entry_length

pre_entry_length 记录了前一个节点的长度,通过这个值,可以进行指针计算,从而跳转到上一个节点。

area        |<---- previous entry --->|<--------------- current entry ---------------->|

size          5 bytes                   1 byte             ?          ?        ?
            +-------------------------+-----------------------------+--------+---------+
component   | ...                     | pre_entry_length | encoding | length | content |
            |                         |                  |          |        |         |
value       |                         | 0000 0101        |    ?     |   ?    |    ?    |
            +-------------------------+-----------------------------+--------+---------+
            ^                         ^
address     |                         |
            p = e - 5                 e

上图展示了如何通过一个节点向前跳转到另一个节点:用指向当前节点的指针 e ,减去 pre_entry_length 的值(0000 0101 的十进制值, 5),得出的结果就是指向前一个节点的地址 p

根据编码方式的不同, pre_entry_length 域可能占用 1 字节或者 5 字节:

  • 1 字节:如果前一节点的长度小于 254 字节,便使用一个字节保存它的值。
  • 5 字节:如果前一节点的长度大于等于 254 字节,那么将第 1 个字节的值设为 254 ,然后用接下来的 4 个字节保存实际长度。

作为例子,以下是个长度为 1 字节的 pre_entry_length 域,域的值为 128 (二进制为 1000 0000 ):

area        |<------------------- entry -------------------->|

size          1 byte             ?          ?        ?
            +------------------+----------+--------+---------+
component   | pre_entry_length | encoding | length | content |
            |                  |          |        |         |
value       | 1000 0000        |          |        |         |
            +------------------+----------+--------+---------+

而以下则是个长度为 5 字节的 pre_entry_length 域,域的第一个字节被设为 254 的二进制 1111 1110 ,而之后的四个字节则被设置为 10086 的二进制 10 0111 0110 0110 (多余的高位用 0 补完):

area        |<------------------------------ entry ---------------------------------->|

size          5 bytes                                     ?          ?        ?
            +-------------------------------------------+----------+--------+---------+
component   | pre_entry_length                          | encoding | length | content |
            |                                           |          |        |         |
            | 11111110 00000000000000000010011101100110 | ?        | ?      | ?       |
            +-------------------------------------------+----------+--------+---------+
            |<------->|<------------------------------->|
              1 byte       4 bytes

encoding 和 length

encodinglength 两部分一起决定了 content 部分所保存的数据的类型(以及长度)。

其中, encoding 域的长度为两个 bit ,它的值可以是 00011011

  • 000110 表示 content 部分保存着字符数组。
  • 11 表示 content 部分保存着整数。

000110 开头的字符数组的编码方式如下:

编码编码长度content 部分保存的值
00bbbbbb1 byte长度小于等于 63 字节的字符数组。
01bbbbbb xxxxxxxx2 byte长度小于等于 16383 字节的字符数组。
10____ aaaaaaaa bbbbbbbb cccccccc dddddddd5 byte长度小于等于 4294967295 的字符数组。

表格中的下划线 _ 表示留空,而变量 bx 等则代表实际的二进制数据。为了方便阅读,多个字节之间用空格隔开。

11 开头的整数编码如下:

编码编码长度content 部分保存的值
110000001 byteint16_t 类型的整数
110100001 byteint32_t 类型的整数
111000001 byteint64_t 类型的整数
111100001 byte24 bit 有符号整数
111111101 byte8 bit 有符号整数
1111xxxx1 byte4 bit 无符号整数,介于 012 之间

content

content 部分保存着节点的内容,类型和长度由 encodinglength 决定。

以下是一个保存着字符数组 hello world 的节点的例子:

area      |<---------------------- entry ----------------------->|

size        ?                  2 bit      6 bit    11 byte
          +------------------+----------+--------+---------------+
component | pre_entry_length | encoding | length | content       |
          |                  |          |        |               |
value     | ?                |    00    | 001011 | hello world   |
          +------------------+----------+--------+---------------+

encoding 域的值 00 表示节点保存着一个长度小于等于 63 字节的字符数组,length 域给出了这个字符数组的准确长度 —— 11 字节(的二进制 001011),content 则保存着字符数组值 hello world 本身(为了方便表示, content 部分使用字符而不是二进制表示)。

以下是另一个节点,它保存着整数 10086

area      |<---------------------- entry ----------------------->|

size        ?                  2 bit      6 bit    2 bytes
          +------------------+----------+--------+---------------+
component | pre_entry_length | encoding | length | content       |
          |                  |          |        |               |
value     | ?                |    11    | 000000 | 10086         |
          +------------------+----------+--------+---------------+

encoding 域的值 11 表示节点保存的是一个整数;而 length 域的值 000000 表示这个节点的值的类型为 int16_t ;最后, content 保存着整数值 10086 本身(为了方便表示, content 部分用十进制而不是二进制表示)。

创建新 ziplist

函数 ziplistNew 用于创建一个新的空白 ziplist ,这个 ziplist 可以表示为下图:

area        |<---- ziplist header ---->|<-- end -->|

size          4 bytes   4 bytes 2 bytes  1 byte
            +---------+--------+-------+-----------+
component   | zlbytes | zltail | zllen | zlend     |
            |         |        |       |           |
value       |  1011   |  1010  |   0   | 1111 1111 |
            +---------+--------+-------+-----------+
                                       ^
                                       |
                               ZIPLIST_ENTRY_HEAD
                                       &
address                        ZIPLIST_ENTRY_TAIL
                                       &
                               ZIPLIST_ENTRY_END

空白 ziplist 的表头、表尾和末端处于同一地址。

创建了 ziplist 之后,就可以往里面添加新节点了,根据新节点添加位置的不同,这个工作可以分为两类来进行:

  1. 将节点添加到 ziplist 末端:在这种情况下,新节点的后面没有任何节点。
  2. 将节点添加到某个/某些节点的前面:在这种情况下,新节点的后面有至少一个节点。

以下两个小节分别讨论这两种情况。

将节点添加到末端

将新节点添加到 ziplist 的末端需要执行以下三个步骤:

  1. 记录到达 ziplist 末端所需的偏移量(因为之后的内存重分配可能会改变 ziplist 的地址,因此记录偏移量而不是保存指针)
  2. 根据新节点要保存的值,计算出编码这个值所需的空间大小,以及编码它前一个节点的长度所需的空间大小,然后对 ziplist 进行内存重分配。
  3. 设置新节点的各项属性: pre_entry_lengthencodinglengthcontent
  4. 更新 ziplist 的各项属性,比如记录空间占用的 zlbytes ,到达表尾节点的偏移量 zltail ,以及记录节点数量的 zllen

举个例子,假设现在要将一个新节点添加到只含有一个节点的 ziplist 上,程序首先要执行步骤 1 ,定位 ziplist 的末端:

area        |<---- ziplist header ---->|<--- entries -->|<-- end -->|

size          4 bytes  4 bytes  2 bytes  5 bytes          1 bytes
            +---------+--------+-------+----------------+-----------+
component   | zlbytes | zltail | zllen | entry 1        | zlend     |
            |         |        |       |                |           |
value       |  10000  |  1010  |   1   | ?              | 1111 1111 |
            +---------+--------+-------+----------------+-----------+
                                       ^                ^
                                       |                |
address                         ZIPLIST_ENTRY_HEAD   ZIPLIST_ENTRY_END
                                       &
                                ZIPLIST_ENTRY_TAIL

然后执行步骤 2 ,程序需要计算新节点所需的空间:

假设我们要添加到节点里的值为字符数组 hello world ,那么保存这个值共需要 12 字节的空间:

  • 11 字节用于保存字符数组本身;
  • 另外 1 字节中的 2 bit 用于保存类型编码 00 , 而其余 6 bit 则保存字符数组长度 11 的二进制 001011

另外,节点还需要 1 字节,用于保存前一个节点的长度 5 (二进制 101 )。

合算起来,为了添加新节点, ziplist 总共需要多分配 13 字节空间。以下是分配完成之后, ziplist 的样子:

area        |<---- ziplist header ---->|<------------ entries ------------>|<-- end -->|

size          4 bytes  4 bytes  2 bytes  5 bytes          13 bytes           1 bytes
            +---------+--------+-------+----------------+------------------+-----------+
component   | zlbytes | zltail | zllen | entry 1        | entry 2          | zlend     |
            |         |        |       |                |                  |           |
value       |  10000  |  1010  |   1   | ?              | pre_entry_length | 1111 1111 |
            |         |        |       |                | ?                |           |
            |         |        |       |                |                  |           |
            |         |        |       |                | encoding         |           |
            |         |        |       |                | ?                |           |
            |         |        |       |                |                  |           |
            |         |        |       |                | length           |           |
            |         |        |       |                | ?                |           |
            |         |        |       |                |                  |           |
            |         |        |       |                | content          |           |
            |         |        |       |                | ?                |           |
            |         |        |       |                |                  |           |
            +---------+--------+-------+----------------+------------------+-----------+
                                       ^                ^
                                       |                |
address                       ZIPLIST_ENTRY_HEAD   ZIPLIST_ENTRY_END
                                       &
                              ZIPLIST_ENTRY_TAIL

步骤三,更新新节点的各项属性(为了方便表示, content 的内容使用字符而不是二进制来表示):

area        |<---- ziplist header ---->|<------------ entries ------------>|<-- end -->|

size          4 bytes  4 bytes  2 bytes  5 bytes          13 bytes           1 bytes
            +---------+--------+-------+----------------+------------------+-----------+
component   | zlbytes | zltail | zllen | entry 1        | entry 2          | zlend     |
            |         |        |       |                |                  |           |
value       |  10000  |  1010  |   1   | ?              | pre_entry_length | 1111 1111 |
            |         |        |       |                | 101              |           |
            |         |        |       |                |                  |           |
            |         |        |       |                | encoding         |           |
            |         |        |       |                | 00               |           |
            |         |        |       |                |                  |           |
            |         |        |       |                | length           |           |
            |         |        |       |                | 001011           |           |
            |         |        |       |                |                  |           |
            |         |        |       |                | content          |           |
            |         |        |       |                | hello world      |           |
            |         |        |       |                |                  |           |
            +---------+--------+-------+----------------+------------------+-----------+
                                       ^                ^
                                       |                |
address                       ZIPLIST_ENTRY_HEAD   ZIPLIST_ENTRY_END
                                       &
                              ZIPLIST_ENTRY_TAIL

最后一步,更新 ziplist 的 zlbyteszltailzllen 属性:

area        |<---- ziplist header ---->|<------------ entries ------------>|<-- end -->|

size          4 bytes  4 bytes  2 bytes  5 bytes          13 bytes           1 bytes
            +---------+--------+-------+----------------+------------------+-----------+
component   | zlbytes | zltail | zllen | entry 1        | entry 2          | zlend     |
            |         |        |       |                |                  |           |
value       |  11101  |  1111  |  10   | ?              | pre_entry_length | 1111 1111 |
            |         |        |       |                | 101              |           |
            |         |        |       |                |                  |           |
            |         |        |       |                | encoding         |           |
            |         |        |       |                | 00               |           |
            |         |        |       |                |                  |           |
            |         |        |       |                | length           |           |
            |         |        |       |                | 001011           |           |
            |         |        |       |                |                  |           |
            |         |        |       |                | content          |           |
            |         |        |       |                | hello world      |           |
            |         |        |       |                |                  |           |
            +---------+--------+-------+----------------+------------------+-----------+
                                       ^                ^                  ^
                                       |                |                  |
address                                |          ZIPLIST_ENTRY_TAIL   ZIPLIST_ENTRY_END
                                       |
                               ZIPLIST_ENTRY_HEAD

到这一步,添加新节点到表尾的工作正式完成。

Note

这里没有演示往空 ziplist 添加第一个节点的过程,因为这个过程和上面演示的添加第二个节点的过程类似;而且因为第一个节点的存在,添加第二个节点的过程可以更好地展示“将节点添加到表尾”这一操作的一般性。

将节点添加到某个/某些节点的前面

比起将新节点添加到 ziplist 的末端,将一个新节点添加到某个/某些节点的前面要复杂得多,因为这种操作除了将新节点添加到 ziplist 以外,还可能引起后续一系列节点的改变。

举个例子,假设我们要将一个新节点 new 添加到节点 prevnext 之间:

   add new entry here
           |
           V
+----------+----------+----------+----------+----------+
|          |          |          |          |          |
|   prev   |   next   | next + 1 | next + 2 |   ...    |
|          |          |          |          |          |
+----------+----------+----------+----------+----------+

程序首先为新节点扩大 ziplist 的空间:

+----------+----------+----------+----------+----------+----------+
|          |          |          |          |          |          |
|   prev   |   ???    |   next   | next + 1 | next + 2 |   ...    |
|          |          |          |          |          |          |
+----------+----------+----------+----------+----------+----------+

           |<-------->|
              expand
              space

然后设置 new 节点的各项值 ——到目前为止,一切都和前面介绍的添加操作一样:

             set value,
             property,
             length,
             etc.
                |
                v
+----------+----------+----------+----------+----------+----------+
|          |          |          |          |          |          |
|   prev   |   new    |   next   | next + 1 | next + 2 |   ...    |
|          |          |          |          |          |          |
+----------+----------+----------+----------+----------+----------+

现在,新的 new 节点取代原来的 prev 节点,成为了 next 节点的新前驱节点,不过,因为这时 next 节点的 pre_entry_length 域编码的仍然是 prev 节点的长度,所以程序需要将 new 节点的长度编码进 next 节点的 pre_entry_length 域里,这里会出现三种可能:

  1. nextpre_entry_length 域的长度正好能够编码 new 的长度(都是 1 字节或者都是 5 字节)
  2. nextpre_entry_length 只有 1 字节长,但编码 new 的长度需要 5 字节
  3. nextpre_entry_length 有 5 字节长,但编码 new 的长度只需要 1 字节

对于情况 1 和 3 ,程序直接更新 nextpre_entry_length 域。

如果是第二种情况,那么程序必须对 ziplist 进行内存重分配,从而扩展 next 的空间。然而,因为 next 的空间长度改变了,所以程序又必须检查 next 的后继节点 —— next+1 ,看它的 pre_entry_length 能否编码 next 的新长度,如果不能的话,程序又需要继续对 next+1 进行扩容。。。

这就是说,在某个/某些节点的前面添加新节点之后,程序必须沿着路径挨个检查后续的节点,是否满足新长度的编码要求,直到遇到一个能满足要求的节点(如果有一个能满足,则这个节点之后的其他节点也满足),或者到达 ziplist 的末端 zlend 为止,这种检查操作的复杂度为 (O(N^2)) 。

不过,因为只有在新添加节点的后面有连续多个长度接近 254 的节点时,这种连锁更新才会发生,所以可以普遍地认为,这种连锁更新发生的概率非常小,在一般情况下,将添加操作看成是 (O(N)) 复杂度也是可以的。

执行完这三种情况的其中一种后,程序更新 ziplist 的各项属性,至此,添加操作完成。

Note

在第三种情况中,程序实际上是可以执行类似于情况二的动作的:它可以挨个地检查新节点之后的节点,尝试收缩它们的空间长度,不过 Redis 决定不这么做,因为在一些情况下,比如前面提到的,有连续多个长度接近 254 的节点时,可能会出现重复的扩展——收缩——再扩展——再收缩的抖动(flapping)效果,这会让操作的性能变得非常差。

删除节点

删除节点和添加操作的步骤类似。

  1. 定位目标节点,并计算节点的空间长度 target-size
   target start here
           |
           V
+----------+----------+----------+----------+----------+----------+
|          |          |          |          |          |          |
|   prev   |  target  |   next   | next + 1 | next + 2 |   ...    |
|          |          |          |          |          |          |
+----------+----------+----------+----------+----------+----------+

           |<-------->|
            target-size
  1. 进行内存移位,覆盖 target 原本的数据,然后通过内存重分配,收缩多余空间:
   target start here
           |
           V
+----------+----------+----------+----------+----------+
|          |          |          |          |          |
|   prev   |   next   | next + 1 | next + 2 |   ...    |
|          |          |          |          |          |
+----------+----------+----------+----------+----------+

           | <------------------------------------------ memmove
  1. 检查 nextnext+1 等后续节点能否满足新前驱节点的编码。和添加操作一样,删除操作也可能会引起连锁更新。

遍历

可以对 ziplist 进行从前向后的遍历,或者从后先前的遍历。

当进行从前向后的遍历时,程序从指向节点 e1 的指针 p 开始,计算节点 e1 的长度(e1-size),然后将 p 加上 e1-size ,就将指针后移到了下一个节点 e2 。。。如此反覆,直到 p 遇到 ZIPLIST_ENTRY_END 为止,这样整个 ziplist 就遍历完了:

                               p + e1-size + e2-size
                 p + e1-size     |
           p          |          |
           |          |          |
           V          V          V
+----------+----------+----------+----------+----------+----------+----------+
| ZIPLIST  |          |          |          |          |          | ZIPLIST  |
| ENTRY    |    e1    |    e2    |    e3    |    e4    |   ...    | ENTRY    |
| HEAD     |          |          |          |          |          | END      |
+----------+----------+----------+----------+----------+----------+----------+

           |<-------->|<-------->|
             e1-size    e2-size

当进行从后往前遍历的时候,程序从指向节点 eN 的指针 p 出发,取出 eNpre_entry_length 值,然后用 p 减去 pre_entry_length ,这就将指针移动到了前一个节点 eN-1 。。。如此反覆,直到 p 遇到 ZIPLIST_ENTRY_HEAD 为止,这样整个 ziplist 就遍历完了。

                                         p - eN.pre_entry_length
                                            |
                                            |          p
                                            |          |
                                            V          V
+----------+----------+----------+----------+----------+----------+----------+
| ZIPLIST  |          |          |          |          |          | ZIPLIST  |
| ENTRY    |    e1    |    e2    |   ...    |   eN-1   |    eN    | ENTRY    |
| HEAD     |          |          |          |          |          | END      |
+----------+----------+----------+----------+----------+----------+----------+

查找元素、根据值定位节点

这两个操作和遍历的原理基本相同,不再赘述。

小结

ziplist 是由一系列特殊编码的内存块构成的列表,可以保存字符数组或整数值,同时是哈希键、列表键和有序集合键的底层实现之一。

ziplist 典型分布结构如下:

area        |<---- ziplist header ---->|<----------- entries ------------->|<-end->|

size          4 bytes  4 bytes  2 bytes    ?        ?        ?        ?     1 byte
            +---------+--------+-------+--------+--------+--------+--------+-------+
component   | zlbytes | zltail | zllen | entry1 | entry2 |  ...   | entryN | zlend |
            +---------+--------+-------+--------+--------+--------+--------+-------+
                                       ^                          ^        ^
address                                |                          |        |
                                ZIPLIST_ENTRY_HEAD                |   ZIPLIST_ENTRY_END
                                                                  |
                                                         ZIPLIST_ENTRY_TAIL

ziplist 节点的分布结构如下:

area        |<------------------- entry -------------------->|

            +------------------+----------+--------+---------+
component   | pre_entry_length | encoding | length | content |
            +------------------+----------+--------+---------+

添加和删除 ziplist 节点有可能会引起连锁更新,因此,添加和删除操作的最坏复杂度为 (O(N^2)) ,不过,因为连锁更新的出现概率并不高,所以一般可以将添加和删除操作的复杂度视为 (O(N)) 。

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