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          HashMap奪命14問,你能堅(jiān)持到第幾問?

          共 22531字,需瀏覽 46分鐘

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          2022-06-21 02:43

          原文:blog.csdn.net/wenwenaier?type=blog



          下面真的很基礎(chǔ),集合項(xiàng)目中用的很高頻,面試也問的很高頻,必須好好學(xué)習(xí)一波


          1. HashMap的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是什么?


          在JDK1.7中和JDK1.8中有所區(qū)別:


          在JDK1.7中,由”數(shù)組+鏈表“組成,數(shù)組是HashMap的主體,鏈表則是主要為了解決哈希沖突而存在的。


          在JDK1.8中,有“數(shù)組+鏈表+紅黑樹”組成。當(dāng)鏈表過長,則會嚴(yán)重影響HashMap的性能,紅黑樹搜索時(shí)間復(fù)雜度是O(logn),而鏈表是O(n)。因此,JDK1.8對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)做了進(jìn)一步的優(yōu)化,引入了紅黑樹,鏈表和紅黑樹在達(dá)到一定條件會進(jìn)行轉(zhuǎn)換:


          • 當(dāng)鏈表超過8且數(shù)組長度(數(shù)據(jù)總量)超過64才會轉(zhuǎn)為紅黑樹

          • 將鏈表轉(zhuǎn)換成紅黑樹前會判斷,如果當(dāng)前數(shù)組的長度小于64,那么會選擇先進(jìn)行數(shù)組擴(kuò)容,而不是轉(zhuǎn)換為紅黑樹,以減少搜索時(shí)間。



          2. 說一下HashMap的特點(diǎn)


          • hashmap存取是無序的

          • 鍵和值位置都可以是null,但是鍵位置只能是一個(gè)null

          • 鍵位置是唯一的,底層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是控制鍵的

          • jdk1.8前數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是:鏈表+數(shù)組jdk1.8之后是:數(shù)組+鏈表+紅黑樹

          • 閾值(邊界值)>8并且數(shù)組長度大于64,才將鏈表轉(zhuǎn)換成紅黑樹,變成紅黑樹的目的是提高搜索速度,高效查詢


          3. 解決hash沖突的辦法有哪些?HashMap用的哪種?


          解決Hash沖突方法有:開放定址法、再哈希法、鏈地址法(HashMap中常見的拉鏈法)、簡歷公共溢出區(qū)。HashMap中采用的是鏈地址法。


          • 開放定址法也稱為再散列法,基本思想就是,如果p=H(key)出現(xiàn)沖突時(shí),則以p為基礎(chǔ),再次hash,p1=H(p),如果p1再次出現(xiàn)沖突,則以p1為基礎(chǔ),以此類推,直到找到一個(gè)不沖突的哈希地址pi。因此開放定址法所需要的hash表的長度要大于等于所需要存放的元素,而且因?yàn)榇嬖谠俅蝖ash,所以只能在刪除的節(jié)點(diǎn)上做標(biāo)記,而不能真正刪除節(jié)點(diǎn)

          • 再哈希法(雙重散列,多重散列),提供多個(gè)不同的hash函數(shù),R1=H1(key1)發(fā)生沖突時(shí),再計(jì)算R2=H2(key1),直到?jīng)]有沖突為止。這樣做雖然不易產(chǎn)生堆集,但增加了計(jì)算的時(shí)間。

          • 鏈地址法(拉鏈法),將哈希值相同的元素構(gòu)成一個(gè)同義詞的單鏈表,并將單鏈表的頭指針存放在哈希表的第i個(gè)單元中,查找、插入和刪除主要在同義詞鏈表中進(jìn)行,鏈表法適用于經(jīng)常進(jìn)行插入和刪除的情況。

          • 建立公共溢出區(qū),將哈希表分為公共表和溢出表,當(dāng)溢出發(fā)生時(shí),將所有溢出數(shù)據(jù)統(tǒng)一放到溢出區(qū)


          注意開放定址法和再哈希法的區(qū)別是


          • 開放定址法只能使用同一種hash函數(shù)進(jìn)行再次hash,再哈希法可以調(diào)用多種不同的hash函數(shù)進(jìn)行再次hash


          4. 為什么要在數(shù)組長度大于64之后,鏈表才會進(jìn)化為紅黑樹


          在數(shù)組比較小時(shí)如果出現(xiàn)紅黑樹結(jié)構(gòu),反而會降低效率,而紅黑樹需要進(jìn)行左旋右旋,變色,這些操作來保持平衡,同時(shí)數(shù)組長度小于64時(shí),搜索時(shí)間相對要快些,總之是為了加快搜索速度,提高性能


          JDK1.8以前HashMap的實(shí)現(xiàn)是數(shù)組+鏈表,即使哈希函數(shù)取得再好,也很難達(dá)到元素百分百均勻分布。當(dāng)HashMap中有大量的元素都存放在同一個(gè)桶中時(shí),這個(gè)桶下有一條長長的鏈表,此時(shí)HashMap就相當(dāng)于單鏈表,假如單鏈表有n個(gè)元素,遍歷的時(shí)間復(fù)雜度就從O(1)退化成O(n),完全失去了它的優(yōu)勢,為了解決此種情況,JDK1.8中引入了紅黑樹(查找的時(shí)間復(fù)雜度為O(logn))來優(yōu)化這種問題


          5. 為什么加載因子設(shè)置為0.75,初始化臨界值是12?


          HashMap中的threshold是HashMap所能容納鍵值對的最大值。計(jì)算公式為length*LoadFactory。也就是說,在數(shù)組定義好長度之后,負(fù)載因子越大,所能容納的鍵值對個(gè)數(shù)也越大


          loadFactory越趨近于1,那么數(shù)組中存放的數(shù)據(jù)(entry也就越來越多),數(shù)據(jù)也就越密集,也就會有更多的鏈表長度處于更長的數(shù)值,我們的查詢效率就會越低,當(dāng)我們添加數(shù)據(jù),產(chǎn)生hash沖突的概率也會更高


          默認(rèn)的loadFactory是0.75,loadFactory越小,越趨近于0,數(shù)組中個(gè)存放的數(shù)據(jù)(entry)也就越少,表現(xiàn)得更加稀疏



          0.75是對空間和時(shí)間效率的一種平衡選擇


          如果負(fù)載因子小一些比如是0.4,那么初始長度16*0.4=6,數(shù)組占滿6個(gè)空間就進(jìn)行擴(kuò)容,很多空間可能元素很少甚至沒有元素,會造成大量的空間被浪費(fèi)


          如果負(fù)載因子大一些比如是0.9,這樣會導(dǎo)致擴(kuò)容之前查找元素的效率非常低


          loadfactory設(shè)置為0.75是經(jīng)過多重計(jì)算檢驗(yàn)得到的可靠值,可以最大程度的減少rehash的次數(shù),避免過多的性能消耗


          6. 哈希表底層采用何種算法計(jì)算hash值?還有哪些算法可以計(jì)算出hash值?


          hashCode方法是Object中的方法,所有的類都可以對其進(jìn)行使用,首先底層通過調(diào)用hashCode方法生成初始hash值h1,然后將h1無符號右移16位得到h2,之后將h1與h2進(jìn)行按位異或(^)運(yùn)算得到最終hash值h3,之后將h3與(length-1)進(jìn)行按位與(&)運(yùn)算得到hash表索引 


          其他可以計(jì)算出hash值的算法有


          • 平方取中法

          • 取余數(shù)

          • 偽隨機(jī)數(shù)法


          7. 當(dāng)兩個(gè)對象的hashCode相等時(shí)會怎樣


          hashCode相等產(chǎn)生hash碰撞,hashCode相等會調(diào)用equals方法比較內(nèi)容是否相等,內(nèi)容如果相等則會進(jìn)行覆蓋,內(nèi)容如果不等則會連接到鏈表后方,鏈表長度超過8且數(shù)組長度超過64,會轉(zhuǎn)變成紅黑樹節(jié)點(diǎn)


          8. 何時(shí)發(fā)生哈希碰撞和什么是哈希碰撞,如何解決哈希碰撞


          只要兩個(gè)元素的key計(jì)算的hash碼值相同就會發(fā)生hash碰撞,jdk8之前使用鏈表解決哈希碰撞,jdk8之后使用鏈表+紅黑樹解決哈希碰撞


          9. HashMap的put方法流程


          以jdk8為例,簡要流程如下:


          • 首先根據(jù)key的值計(jì)算hash值,找到該元素在數(shù)組中存儲的下標(biāo)

          • 如果數(shù)組是空的,則調(diào)用resize進(jìn)行初始化;

          • 如果沒有哈希沖突直接放在對應(yīng)的數(shù)組下標(biāo)里

          • 如果沖突了,且key已經(jīng)存在,就覆蓋掉value

          • 如果沖突后是鏈表結(jié)構(gòu),就判斷該鏈表是否大于8,如果大于8并且數(shù)組容量小于64,就進(jìn)行擴(kuò)容;如果鏈表節(jié)點(diǎn)數(shù)量大于8并且數(shù)組的容量大于64,則將這個(gè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成紅黑樹;否則,鏈表插入鍵值對,若key存在,就覆蓋掉value

          • 如果沖突后,發(fā)現(xiàn)該節(jié)點(diǎn)是紅黑樹,就將這個(gè)節(jié)點(diǎn)掛在樹上




          10. HashMap的擴(kuò)容方式


          HashMap在容量超過負(fù)載因子所定義的容量之后,就會擴(kuò)容。java里的數(shù)組是無法自己擴(kuò)容的,將HashMap的大小擴(kuò)大為原來數(shù)組的兩倍


          我們來看jdk1.8擴(kuò)容的源碼


          final Node<K,V>[] resize() {
                  //oldTab:引用擴(kuò)容前的哈希表
                  Node<K,V>[] oldTab = table;
                  //oldCap:表示擴(kuò)容前的table數(shù)組的長度
                  int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
                  //獲得舊哈希表的擴(kuò)容閾值
                  int oldThr = threshold;
                  //newCap:擴(kuò)容之后table數(shù)組大小
                  //newThr:擴(kuò)容之后下次觸發(fā)擴(kuò)容的條件
                  int newCap, newThr = 0;
                  //條件成立說明hashMap中的散列表已經(jīng)初始化過了,是一次正常擴(kuò)容
                  if (oldCap > 0) {
                      //判斷舊的容量是否大于等于最大容量,如果是,則無法擴(kuò)容,并且設(shè)置擴(kuò)容條件為int最大值,
                      //這種情況屬于非常少數(shù)的情況
                      if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
                          threshold = Integer.MAX_VALUE;
                          return oldTab;
                      }//設(shè)置newCap新容量為oldCap舊容量的二倍(<<1),并且<最大容量,而且>=16,則新閾值等于舊閾值的兩倍
                      else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                               oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
                          newThr = oldThr << 1; // double threshold
                  }
                  //如果oldCap=0并且邊界值大于0,說明散列表是null,但此時(shí)oldThr>0
                  //說明此時(shí)hashMap的創(chuàng)建是通過指定的構(gòu)造方法創(chuàng)建的,新容量直接等于閾值
                  //1.new HashMap(intitCap,loadFactor)
                  //2.new HashMap(initCap)
                  //3.new HashMap(map)
                  else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
                      newCap = oldThr;
                  //這種情況下oldThr=0;oldCap=0,說明沒經(jīng)過初始化,創(chuàng)建hashMap
                  //的時(shí)候是通過new HashMap()的方式創(chuàng)建的
                  else {               // zero initial threshold signifies using defaults
                      newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
                      newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
                  }
                  //newThr為0時(shí),通過newCap和loadFactor計(jì)算出一個(gè)newThr
                  if (newThr == 0) {
                      //容量*0.75
                      float ft = (float)newCap * loadFactor;
                      newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                                (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
                  }
                  threshold = newThr;
                  @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
                          //根據(jù)上面計(jì)算出的結(jié)果創(chuàng)建一個(gè)更長更大的數(shù)組
                      Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
                  //將table指向新創(chuàng)建的數(shù)組
                  table = newTab;
                  //本次擴(kuò)容之前table不為null
                  if (oldTab != null) {
                      //對數(shù)組中的元素進(jìn)行遍歷
                      for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
                          //設(shè)置e為當(dāng)前node節(jié)點(diǎn)
                          Node<K,V> e;
                          //當(dāng)前桶位數(shù)據(jù)不為空,但不能知道里面是單個(gè)元素,還是鏈表或紅黑樹,
                          //e = oldTab[j],先用e記錄下當(dāng)前元素
                          if ((e = oldTab[j]) != null) {
                              //將老數(shù)組j桶位置為空,方便回收
                              oldTab[j] = null;
                              //如果e節(jié)點(diǎn)不存在下一個(gè)節(jié)點(diǎn),說明e是單個(gè)元素,則直接放置在新數(shù)組的桶位
                              if (e.next == null)
                                  newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                              //如果e是樹節(jié)點(diǎn),證明該節(jié)點(diǎn)處于紅黑樹中
                              else if (e instanceof TreeNode)
                                  ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                              //e為鏈表節(jié)點(diǎn),則對鏈表進(jìn)行遍歷
                              else { // preserve order
                                  //低位鏈表:存放在擴(kuò)容之后的數(shù)組的下標(biāo)位置,與當(dāng)前數(shù)組下標(biāo)位置一致
                                  //loHead:低位鏈表頭節(jié)點(diǎn)
                                  //loTail低位鏈表尾節(jié)點(diǎn)
                                  Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                                  //高位鏈表,存放擴(kuò)容之后的數(shù)組的下標(biāo)位置,=原索引+擴(kuò)容之前數(shù)組容量
                                  //hiHead:高位鏈表頭節(jié)點(diǎn)
                                  //hiTail:高位鏈表尾節(jié)點(diǎn)
                                  Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                                  Node<K,V> next;
                                  do {
                                      next = e.next;
                                      //oldCap為16:10000,與e.hsah做&運(yùn)算可以得到高位為1還是0
                                      //高位為0,放在低位鏈表
                                      if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                                          if (loTail == null)
                                              //loHead指向e
                                              loHead = e;
                                          else
                                              loTail.next = e;
                                          loTail = e;
                                      }
                                      //高位為1,放在高位鏈表
                                      else {
                                          if (hiTail == null)
                                              hiHead = e;
                                          else
                                              hiTail.next = e;
                                          hiTail = e;
                                      }
                                  } while ((e = next) != null);
                                  //低位鏈表已成,將頭節(jié)點(diǎn)loHead指向在原位
                                  if (loTail != null) {
                                      loTail.next = null;
                                      newTab[j] = loHead;
                                  }
                                  //高位鏈表已成,將頭節(jié)點(diǎn)指向新索引
                                  if (hiTail != null) {
                                      hiTail.next = null;
                                      newTab[j + oldCap] = hiHead;
                                  }
                              }
                          }
                      }
                  }
                  return newTab;
              }


          擴(kuò)容之后原位置的節(jié)點(diǎn)只有兩種調(diào)整


          • 保持原位置不動(新bit位為0時(shí))

          • 散列原索引+擴(kuò)容大小的位置去(新bit位為1時(shí))


          擴(kuò)容之后元素的散列設(shè)置的非常巧妙,節(jié)省了計(jì)算hash值的時(shí)間,我們來看一 下具體的實(shí)現(xiàn)



          當(dāng)數(shù)組長度從16到32,其實(shí)只是多了一個(gè)bit位的運(yùn)算,我們只需要在意那個(gè)多出來的bit為是0還是1,是0的話索引不變,是1的話索引變?yōu)楫?dāng)前索引值+擴(kuò)容的長度,比如5變成5+16=21 



          這樣的擴(kuò)容方式不僅節(jié)省了重新計(jì)算hash的時(shí)間,而且保證了當(dāng)前桶中的元素總數(shù)一定小于等于原來桶中的元素?cái)?shù)量,避免了更嚴(yán)重的hash沖突,均勻的把之前沖突的節(jié)點(diǎn)分散到新的桶中去


          11. 一般用什么作為HashMap的key?


          一般用Integer、String這種不可變類當(dāng)HashMap當(dāng)key


          • 因?yàn)镾tring是不可變的,當(dāng)創(chuàng)建字符串時(shí),它的hashcode被緩存下來,不需要再次計(jì)算,相對于其他對象更快

          • 因?yàn)楂@取對象的時(shí)候要用到equals()和hashCode()方法,那么鍵對象正確的重寫這兩個(gè)方法是非常重要的,這些類很規(guī)范的重寫了hashCode()以及equals()方法


          12. 為什么Map桶中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)超過8才轉(zhuǎn)為紅黑樹?


          8作為閾值作為HashMap的成員變量,在源碼的注釋中并沒有說明閾值為什么是8


          在HashMap中有這樣一段注釋說明,我們繼續(xù)看


           * Because TreeNodes are about twice the size of regular nodes, we
           * use them only when bins contain enough nodes to warrant use
           * (see TREEIFY_THRESHOLD). And when they become too small (due to
           * removal or resizing) they are converted back to plain bins.  In
           * usages with well-distributed user hashCodes, tree bins are
           * rarely used.  Ideally, under random hashCodes, the frequency of
           * nodes in bins follows a Poisson distribution
           * (http://en.wikipedia.org/wiki/Poisson_distribution) with a
           * parameter of about 0.5 on average for the default resizing
           * threshold of 0.75, although with a large variance because of
           * resizing granularity. Ignoring variance, the expected
           * occurrences of list size k are (exp(-0.5) * pow(0.5, k) /
           * factorial(k)).


           因?yàn)闃涔?jié)點(diǎn)的大小大約是普通節(jié)點(diǎn)的兩倍,所以我們只在箱子包含足夠的節(jié)點(diǎn)時(shí)才使用樹節(jié)點(diǎn)(參見TREEIFY_THRESHOLD)。
          當(dāng)他們邊的太小(由于刪除或調(diào)整大小)時(shí),就會被轉(zhuǎn)換回普通的桶,在使用分布良好的hashcode時(shí),很少使用樹箱。
          理想情況下,在隨機(jī)哈希碼下,箱子中節(jié)點(diǎn)的頻率服從泊松分布
          第一個(gè)值是:

           * 0:    0.60653066
           * 1:    0.30326533
           * 2:    0.07581633
           * 3:    0.01263606
           * 4:    0.00157952
           * 5:    0.00015795
           * 6:    0.00001316
           * 7:    0.00000094
           * 8:    0.00000006
           * more: less than 1 in ten million

          樹節(jié)點(diǎn)占用空間是普通Node的兩倍,如果鏈表節(jié)點(diǎn)不夠多卻轉(zhuǎn)換成紅黑樹,無疑會耗費(fèi)大量的空間資源,并且在隨機(jī)hash算法下的所有bin節(jié)點(diǎn)分布頻率遵從泊松分布,鏈表長度達(dá)到8的概率只有0.00000006,幾乎是不可能事件,所以8的計(jì)算是經(jīng)過重重科學(xué)考量的


          • 從平均查找長度來看,紅黑樹的平均查找長度是logn,如果長度為8,則logn=3,而鏈表的平均查找長度為n/4,長度為8時(shí),n/2=4,所以閾值8能大大提高搜索速度

          • 當(dāng)長度為6時(shí)紅黑樹退化為鏈表是因?yàn)閘ogn=log6約等于2.6,而n/2=6/2=3,兩者相差不大,而紅黑樹節(jié)點(diǎn)占用更多的內(nèi)存空間,所以此時(shí)轉(zhuǎn)換最為友好


          13. HashMap為什么線程不安全?


          • 多線程下擴(kuò)容死循環(huán)。JDK1.7中的HashMap使用頭插法插入元素,在多線程的環(huán)境下,擴(kuò)容的時(shí)候有可能導(dǎo)致環(huán)形鏈表的出現(xiàn),形成死循環(huán)。因此JDK1.8使用尾插法插入元素,在擴(kuò)容時(shí)會保持鏈表元素原本的順序,不會出現(xiàn)環(huán)形鏈表的問題

          • 多線程的put可能導(dǎo)致元素的丟失。多線程同時(shí)執(zhí)行put操作,如果計(jì)算出來的索引位置是相同的,那會造成前一個(gè)key被后一個(gè)key覆蓋,從而導(dǎo)致元素的丟失。此問題在JDK1.7和JDK1.8中都存在

          • put和get并發(fā)時(shí),可能導(dǎo)致get為null。線程1執(zhí)行put時(shí),因?yàn)樵貍€(gè)數(shù)超出threshold而導(dǎo)致rehash,線程2此時(shí)執(zhí)行g(shù)et,有可能導(dǎo)致這個(gè)問題,此問題在JDK1.7和JDK1.8中都存在


          14. 計(jì)算hash值時(shí)為什么要讓低16bit和高16bit進(jìn)行異或處理


          • 我們計(jì)算索引需要將hashCode值與length-1進(jìn)行按位與運(yùn)算,如果數(shù)組長度很小,比如16,這樣的值和hashCode做異或?qū)嶋H上只有hashCode值的后4位在進(jìn)行運(yùn)算,hash值是一個(gè)隨機(jī)值,而如果產(chǎn)生的hashCode值高位變化很大,而低位變化很小,那么有很大概率造成哈希沖突,所以我們?yōu)榱耸乖馗玫纳⒘校瑢ash值的高位也利用起來\


          舉個(gè)例子


          如果我們不對hashCode進(jìn)行按位異或,直接將hash和length-1進(jìn)行按位與運(yùn)算就有可能出現(xiàn)以下的情況



          如果下一次生成的hashCode值高位起伏很大,而低位幾乎沒有變化時(shí),高位無法參與運(yùn)算



          可以看到,兩次計(jì)算出的hash相等,產(chǎn)生了hash沖突


          所以無符號右移16位的目的是使高混亂度地區(qū)與地混亂度地區(qū)做一個(gè)中和,提高低位的隨機(jī)性,減少哈希沖突。



          END


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