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474 lines
71 KiB

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<title>共享状态 - Rust语言圣经(Rust Course)</title>
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<!-- Set the theme before any content is loaded, prevents flash -->
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<!-- Hide / unhide sidebar before it is displayed -->
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try { sidebar = localStorage.getItem('mdbook-sidebar'); } catch(e) { }
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html.classList.remove('sidebar-visible');
html.classList.add("sidebar-" + sidebar);
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<ol class="chapter"><li class="chapter-item affix "><a href="../about-book.html">关于本书</a></li><li class="chapter-item affix "><a href="../into-rust.html">进入 Rust 编程世界</a></li><li class="chapter-item affix "><a href="../first-try/sth-you-should-not-do.html">避免从入门到放弃</a></li><li class="chapter-item affix "><a href="../community.html">社区和锈书</a></li><li class="chapter-item affix "><li class="part-title">Rust 语言基础学习</li><li class="spacer"></li><li class="chapter-item "><a href="../first-try/intro.html"><strong aria-hidden="true">1.</strong> 寻找牛刀,以便小试</a><a class="toggle"><div></div></a></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item "><a href="../first-try/installation.html"><strong aria-hidden="true">1.1.</strong> 安装 Rust 环境</a></li><li class="chapter-item "><a href="../first-try/editor.html"><strong aria-hidden="true">1.2.</strong> 墙推 VSCode!</a></li><li class="chapter-item "><a href="../first-try/cargo.html"><strong aria-hidden="true">1.3.</strong> 认识 Cargo</a></li><li class="chapter-item "><a href="../first-try/hello-world.html"><strong aria-hidden="true">1.4.</strong> 不仅仅是 Hello world</a></li><li class="chapter-item "><a href="../first-try/slowly-downloading.html"><strong aria-hidden="true">1.5.</strong> 下载依赖太慢了?</a></li></ol></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/intro.html"><strong aria-hidden="true">2.</strong> Rust 基础入门</a><a class="toggle"><div></div></a></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item "><a href="../basic/variable.html"><strong aria-hidden="true">2.1.</strong> 变量绑定与解构</a></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/base-type/index.html"><strong aria-hidden="true">2.2.</strong> 基本类型</a><a class="toggle"><div></div></a></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item "><a href="../basic/base-type/numbers.html"><strong aria-hidden="true">2.2.1.</strong> 数值类型</a></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/base-type/char-bool.html"><strong aria-hidden="true">2.2.2.</strong> 字符、布尔、单元类型</a></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/base-type/statement-expression.html"><strong aria-hidden="true">2.2.3.</strong> 语句与表达式</a></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/base-type/function.html"><strong aria-hidden="true">2.2.4.</strong> 函数</a></li></ol></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/ownership/index.html"><strong aria-hidden="true">2.3.</strong> 所有权和借用</a><a class="toggle"><div></div></a></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item "><a href="../basic/ownership/ownership.html"><strong aria-hidden="true">2.3.1.</strong> 所有权</a></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/ownership/borrowing.html"><strong aria-hidden="true">2.3.2.</strong> 引用与借用</a></li></ol></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/compound-type/intro.html"><strong aria-hidden="true">2.4.</strong> 复合类型</a><a class="toggle"><div></div></a></li><li><ol class="section"><li class="chapter-item "><a href="../basic/compound-type/string-slice.html"><strong aria-hidden="true">2.4.1.</strong> 字符串与切片</a></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/compound-type/tuple.html"><strong aria-hidden="true">2.4.2.</strong> 元组</a></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/compound-type/struct.html"><strong aria-hidden="true">2.4.3.</strong> 结构体</a></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/compound-type/enum.html"><strong aria-hidden="true">2.4.4.</strong> 枚举</a></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/compound-type/array.html"><strong aria-hidden="true">2.4.5.</strong> 数组</a></li></ol></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/flow-control.html"><strong aria-hidden="true">2.5.</strong> 流程控制</a></li><li class="chapter-item "><a href="../basic/match-pattern/intro.html"><strong aria-hidden="true">2.6.</strong> 模式匹配</a><a class="toggle"><div></div></a></li><li>
</div>
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<h1 class="menu-title">Rust语言圣经(Rust Course)</h1>
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document.getElementById('sidebar-toggle').setAttribute('aria-expanded', sidebar === 'visible');
document.getElementById('sidebar').setAttribute('aria-hidden', sidebar !== 'visible');
// Get viewed page store
var viewed_key = 'mdbook-viewed';
var viewed_map = {};
try {
var viewed_storage = localStorage.getItem(viewed_key);
if (viewed_storage) {
viewed_map = JSON.parse(viewed_storage)
}
} catch (e) { }
Array.from(document.querySelectorAll('#sidebar a')).forEach(function(link) {
link.setAttribute('tabIndex', sidebar === 'visible' ? 0 : -1);
// Apply viewed style
if (viewed_map[link.pathname]) {
link.classList.add('md-viewed')
}
});
// Mark viewed after 30s
setTimeout(function() {
viewed_map[location.pathname] = 1;
localStorage.setItem(viewed_key, JSON.stringify(viewed_map));
}, 30000)
</script>
<div id="content" class="content">
<!-- Page table of contents -->
<div class="sidetoc"><nav class="pagetoc"></nav></div>
<main>
<h1 id="共享状态"><a class="header" href="#共享状态">共享状态</a></h1>
<p>上一章节中,咱们搭建了一个异步的 redis 服务器,并成功的提供了服务,但是其隐藏了一个巨大的问题:状态(数据)无法在多个连接之间共享,下面一起来看看该如何解决。</p>
<h2 id="解决方法"><a class="header" href="#解决方法">解决方法</a></h2>
<p>好在 Tokio 十分强大,上面问题对应的解决方法也不止一种:</p>
<ul>
<li>使用 <code>Mutex</code> 来保护数据的共享访问</li>
<li>生成一个异步任务去管理状态,然后各个连接使用消息传递的方式与其进行交互</li>
</ul>
<p>其中,第一种方法适合比较简单的数据,而第二种方法适用于需要异步工作的,例如 I/O 原语。由于我们使用的数据存储类型是 <code>HashMap</code>,使用到的相关操作是 <code>insert</code><code>get</code> ,又因为这两个操作都不是异步的,因此只要使用 <code>Mutex</code> 即可解决问题。</p>
<p>在上面的描述中,说实话第二种方法及其适用的场景并不是很好理解,但没关系,在后面章节会进行详细介绍。</p>
<h2 id="添加-bytes-依赖包"><a class="header" href="#添加-bytes-依赖包">添加 <code>bytes</code> 依赖包</a></h2>
<p>在上一节中,我们使用 <code>Vec&lt;u8&gt;</code> 来保存目标数据,但是它有一个问题,对它进行克隆时会将底层数据也整个复制一份,效率很低,但是克隆操作对于我们在多连接间共享数据又是必不可少的。</p>
<p>因此这里咱们新引入一个 <code>bytes</code> 包,它包含一个 <code>Bytes</code> 类型,当对该类型的值进行克隆时,就不再会克隆底层数据。事实上,<code>Bytes</code> 是一个引用计数类型,跟 <code>Arc</code> 非常类似,或者准确的说,<code>Bytes</code> 就是基于 <code>Arc</code> 实现的,但相比后者<code>Bytes</code> 提供了一些额外的能力。</p>
<p><code>Cargo.toml</code><code>[dependencies]</code> 中引入 <code>bytes</code> </p>
<pre><code class="language-console">bytes = &quot;1&quot;
</code></pre>
<h2 id="初始化-hashmap"><a class="header" href="#初始化-hashmap">初始化 HashMap</a></h2>
<p>由于 <code>HashMap</code> 会在多个任务甚至多个线程间共享,再结合之前的选择,最终我们决定使用 <code>Arc&lt;Mutex&lt;T&gt;&gt;</code> 的方式对其进行包裹。</p>
<p>但是,大家先来畅想一下使用它进行包裹后的类型长什么样? 大概,可能,长这样:<code>Arc&lt;Mutex&lt;HashMap&lt;String, Bytes&gt;&gt;&gt;</code>,天哪噜,一不小心,你就遇到了 Rust 的阴暗面:类型大串烧。可以想象,如果要在代码中到处使用这样的类型,可读性会极速下降,因此我们需要一个<a href="https://course.rs/advance/custom-type.html#%E7%B1%BB%E5%9E%8B%E5%88%AB%E5%90%8Dtype-alias">类型别名</a>( type alias )来简化下:</p>
<pre><pre class="playground"><code class="language-rust edition2021">
<span class="boring">#![allow(unused)]
</span><span class="boring">fn main() {
</span>use bytes::Bytes;
use std::collections::HashMap;
use std::sync::{Arc, Mutex};
type Db = Arc&lt;Mutex&lt;HashMap&lt;String, Bytes&gt;&gt;&gt;;
<span class="boring">}
</span></code></pre></pre>
<p>此时,<code>Db</code> 就是一个类型别名,使用它就可以替代那一大串的东东,等下你就能看到功效。</p>
<p>接着,我们需要在 <code>main</code> 函数中对 <code>HashMap</code> 进行初始化,然后使用 <code>Arc</code> 克隆一份它的所有权并将其传入到生成的异步任务中。事实上在 Tokio 中,这里的 <code>Arc</code> 被称为 <strong>handle</strong>,或者更宽泛的说,<code>handle</code> 在 Tokio 中可以用来访问某个共享状态。</p>
<pre><pre class="playground"><code class="language-rust edition2021">use tokio::net::TcpListener;
use std::collections::HashMap;
use std::sync::{Arc, Mutex};
#[tokio::main]
async fn main() {
let listener = TcpListener::bind(&quot;127.0.0.1:6379&quot;).await.unwrap();
println!(&quot;Listening&quot;);
let db = Arc::new(Mutex::new(HashMap::new()));
loop {
let (socket, _) = listener.accept().await.unwrap();
// 将 handle 克隆一份
let db = db.clone();
println!(&quot;Accepted&quot;);
tokio::spawn(async move {
process(socket, db).await;
});
}
}
</code></pre></pre>
<h4 id="为何使用-stdsyncmutex"><a class="header" href="#为何使用-stdsyncmutex">为何使用 <code>std::sync::Mutex</code></a></h4>
<p>上面代码还有一点非常重要,那就是我们使用了 <code>std::sync::Mutex</code> 来保护 <code>HashMap</code>,而不是使用 <code>tokio::sync::Mutex</code></p>
<p>在使用 Tokio 编写异步代码时,一个常见的错误无条件地使用 <code>tokio::sync::Mutex</code> 而真相是Tokio 提供的异步锁只应该在跨多个 <code>.await</code>调用时使用,而且 Tokio 的 <code>Mutex</code> 实际上内部使用的也是 <code>std::sync::Mutex</code></p>
<p>多补充几句,在异步代码中,关于锁的使用有以下经验之谈:</p>
<ul>
<li>锁如果在多个 <code>.await</code> 过程中持有,应该使用 Tokio 提供的锁,原因是 <code>.await</code>的过程中锁可能在线程间转移,若使用标准库的同步锁存在死锁的可能性,例如某个任务刚获取完锁,还没使用完就因为 <code>.await</code> 让出了当前线程的所有权,结果下个任务又去获取了锁,造成死锁</li>
<li>锁竞争不多的情况下,使用 <code>std::sync::Mutex</code></li>
<li>锁竞争多,可以考虑使用三方库提供的性能更高的锁,例如 <a href="https://docs.rs/parking_lot/0.10.2/parking_lot/type.Mutex.html"><code>parking_lot::Mutex</code></a></li>
</ul>
<h2 id="更新-process"><a class="header" href="#更新-process">更新 <code>process()</code></a></h2>
<p><code>process()</code> 函数不再初始化 <code>HashMap</code>,取而代之的是它使用了 <code>HashMap</code> 的一个 <code>handle</code> 作为参数:</p>
<pre><pre class="playground"><code class="language-rust edition2021">
<span class="boring">#![allow(unused)]
</span><span class="boring">fn main() {
</span>use tokio::net::TcpStream;
use mini_redis::{Connection, Frame};
async fn process(socket: TcpStream, db: Db) {
use mini_redis::Command::{self, Get, Set};
let mut connection = Connection::new(socket);
while let Some(frame) = connection.read_frame().await.unwrap() {
let response = match Command::from_frame(frame).unwrap() {
Set(cmd) =&gt; {
let mut db = db.lock().unwrap();
db.insert(cmd.key().to_string(), cmd.value().clone());
Frame::Simple(&quot;OK&quot;.to_string())
}
Get(cmd) =&gt; {
let db = db.lock().unwrap();
if let Some(value) = db.get(cmd.key()) {
Frame::Bulk(value.clone())
} else {
Frame::Null
}
}
cmd =&gt; panic!(&quot;unimplemented {:?}&quot;, cmd),
};
connection.write_frame(&amp;response).await.unwrap();
}
}
<span class="boring">}
</span></code></pre></pre>
<h2 id="任务线程和锁竞争"><a class="header" href="#任务线程和锁竞争">任务、线程和锁竞争</a></h2>
<p>当竞争不多的时候,使用阻塞性的锁去保护共享数据是一个正确的选择。当一个锁竞争触发后,当前正在执行任务(请求锁)的线程会被阻塞,并等待锁被前一个使用者释放。这里的关键就是:<strong>锁竞争不仅仅会导致当前的任务被阻塞,还会导致执行任务的线程被阻塞,因此该线程准备执行的其它任务也会因此被阻塞!</strong></p>
<p>默认情况下Tokio 调度器使用了多线程模式,此时如果有大量的任务都需要访问同一个锁,那么锁竞争将变得激烈起来。当然,你也可以使用 <a href="https://docs.rs/tokio/1.15.0/tokio/runtime/index.html#current-thread-scheduler"><strong>current_thread</strong></a> 运行时设置,在该设置下会使用一个单线程的调度器(执行器),所有的任务都会创建并执行在当前线程上,因此不再会有锁竞争。</p>
<blockquote>
<p>current_thread 是一个轻量级、单线程的运行时,当任务数不多或连接数不多时是一个很好的选择。例如你想在一个异步客户端库的基础上提供给用户同步的 API 访问时,该模式就很适用</p>
</blockquote>
<p>当同步锁的竞争变成一个问题时,使用 Tokio 提供的异步锁几乎并不能帮你解决问题,此时可以考虑如下选项:</p>
<ul>
<li>创建专门的任务并使用消息传递的方式来管理状态</li>
<li>将锁进行分片</li>
<li>重构代码以避免锁</li>
</ul>
<p>在我们的例子中,由于每一个 <code>key</code> 都是独立的,因此对锁进行分片将成为一个不错的选择:</p>
<pre><pre class="playground"><code class="language-rust edition2021">
<span class="boring">#![allow(unused)]
</span><span class="boring">fn main() {
</span>type ShardedDb = Arc&lt;Vec&lt;Mutex&lt;HashMap&lt;String, Vec&lt;u8&gt;&gt;&gt;&gt;&gt;;
fn new_sharded_db(num_shards: usize) -&gt; ShardedDb {
let mut db = Vec::with_capacity(num_shards);
for _ in 0..num_shards {
db.push(Mutex::new(HashMap::new()));
}
Arc::new(db)
}
<span class="boring">}
</span></code></pre></pre>
<p>在这里,我们创建了 N 个不同的存储实例,每个实例都会存储不同的分片数据,例如我们有<code>a-i</code>共 9 个不同的 <code>key</code>, 可以将存储分成 3 个实例,那么第一个实例可以存储 <code>a-c</code>,第二个<code>d-f</code>,以此类推。在这种情况下,访问 <code>b</code> 时,只需要锁住第一个实例,此时二、三实例依然可以正常访问,因此锁被成功的分片了。</p>
<p>在分片后,使用给定的 key 找到对应的值就变成了两个步骤:首先,使用 <code>key</code> 通过特定的算法寻找到对应的分片,然后再使用该 <code>key</code> 从分片中查询到值:</p>
<pre><pre class="playground"><code class="language-rust edition2021">
<span class="boring">#![allow(unused)]
</span><span class="boring">fn main() {
</span>let shard = db[hash(key) % db.len()].lock().unwrap();
shard.insert(key, value);
<span class="boring">}
</span></code></pre></pre>
<p>这里我们使用 <code>hash</code> 算法来进行分片,但是该算法有个缺陷:分片的数量不能变,一旦变了后,那之前落入分片 1 的<code>key</code>很可能将落入到其它分片中,最终全部乱掉。此时你可以考虑<a href="https://docs.rs/dashmap">dashmap</a>,它提供了更复杂、更精妙的支持分片的<code>hash map</code></p>
<h2 id="在-await-期间持有锁"><a class="header" href="#在-await-期间持有锁"><code>.await</code> 期间持有锁</a></h2>
<p>在某些时候,你可能会不经意写下这种代码:</p>
<pre><pre class="playground"><code class="language-rust edition2021">
<span class="boring">#![allow(unused)]
</span><span class="boring">fn main() {
</span>use std::sync::{Mutex, MutexGuard};
async fn increment_and_do_stuff(mutex: &amp;Mutex&lt;i32&gt;) {
let mut lock: MutexGuard&lt;i32&gt; = mutex.lock().unwrap();
*lock += 1;
do_something_async().await;
} // 锁在这里超出作用域
<span class="boring">}
</span></code></pre></pre>
<p>如果你要 <code>spawn</code> 一个任务来执行上面的函数的话,会报错:</p>
<pre><code class="language-console">error: future cannot be sent between threads safely
--&gt; src/lib.rs:13:5
|
13 | tokio::spawn(async move {
| ^^^^^^^^^^^^ future created by async block is not `Send`
|
::: /playground/.cargo/registry/src/github.com-1ecc6299db9ec823/tokio-0.2.21/src/task/spawn.rs:127:21
|
127 | T: Future + Send + 'static,
| ---- required by this bound in `tokio::task::spawn::spawn`
|
= help: within `impl std::future::Future`, the trait `std::marker::Send` is not implemented for `std::sync::MutexGuard&lt;'_, i32&gt;`
note: future is not `Send` as this value is used across an await
--&gt; src/lib.rs:7:5
|
4 | let mut lock: MutexGuard&lt;i32&gt; = mutex.lock().unwrap();
| -------- has type `std::sync::MutexGuard&lt;'_, i32&gt;` which is not `Send`
...
7 | do_something_async().await;
| ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ await occurs here, with `mut lock` maybe used later
8 | }
| - `mut lock` is later dropped here
</code></pre>
<p>错误的原因在于 <code>std::sync::MutexGuard</code> 类型并没有实现 <code>Send</code> 特征,这意味着你不能将一个 <code>Mutex</code> 锁发送到另一个线程,因为 <code>.await</code> 可能会让任务转移到另一个线程上执行,这个之前也介绍过。</p>
<h4 id="提前释放锁"><a class="header" href="#提前释放锁">提前释放锁</a></h4>
<p>要解决这个问题,就必须重构代码,让 <code>Mutex</code> 锁在 <code>.await</code> 被调用前就被释放掉。</p>
<pre><pre class="playground"><code class="language-rust edition2021">
<span class="boring">#![allow(unused)]
</span><span class="boring">fn main() {
</span>// 下面的代码可以工作!
async fn increment_and_do_stuff(mutex: &amp;Mutex&lt;i32&gt;) {
{
let mut lock: MutexGuard&lt;i32&gt; = mutex.lock().unwrap();
*lock += 1;
} // lock在这里超出作用域 (被释放)
do_something_async().await;
}
<span class="boring">}
</span></code></pre></pre>
<blockquote>
<p>大家可能已经发现,很多错误都是因为 <code>.await</code> 引起的,其实你只要记住,在 <code>.await</code> 执行期间,任务可能会在线程间转移,那么这些错误将变得很好理解,不必去死记硬背</p>
</blockquote>
<p>但是下面的代码不工作:</p>
<pre><pre class="playground"><code class="language-rust edition2021">
<span class="boring">#![allow(unused)]
</span><span class="boring">fn main() {
</span>use std::sync::{Mutex, MutexGuard};
async fn increment_and_do_stuff(mutex: &amp;Mutex&lt;i32&gt;) {
let mut lock: MutexGuard&lt;i32&gt; = mutex.lock().unwrap();
*lock += 1;
drop(lock);
do_something_async().await;
}
<span class="boring">}
</span></code></pre></pre>
<p>原因我们之前解释过,编译器在这里不够聪明,目前它只能根据作用域的范围来判断,<code>drop</code> 虽然释放了锁,但是锁的作用域依然会持续到函数的结束,未来也许编译器会改进,但是现在至少还是不行的。</p>
<p>聪明的读者此时的小脑袋已经飞速运转起来,既然锁没有实现 <code>Send</code> 那我们主动给它实现如何?这样不就可以顺利运行了吗?答案依然是不可以,原因就是我们之前提到过的死锁,如果一个任务获取了锁,然后还没释放就在 <code>.await</code> 期间被挂起,接着开始执行另一个任务,这个任务又去获取锁,就会导致死锁。</p>
<p>再来看看其它解决方法:</p>
<h4 id="重构代码在-await-期间不持有锁"><a class="header" href="#重构代码在-await-期间不持有锁">重构代码:在 <code>.await</code> 期间不持有锁</a></h4>
<p>之前的代码其实也是为了在 <code>.await</code> 期间不持有锁,但是我们还有更好的实现方式,例如,你可以把 <code>Mutex</code> 放入一个结构体中,并且只在该结构体的非异步方法中使用该锁:</p>
<pre><pre class="playground"><code class="language-rust edition2021">
<span class="boring">#![allow(unused)]
</span><span class="boring">fn main() {
</span>use std::sync::Mutex;
struct CanIncrement {
mutex: Mutex&lt;i32&gt;,
}
impl CanIncrement {
// 该方法不是 `async`
fn increment(&amp;self) {
let mut lock = self.mutex.lock().unwrap();
*lock += 1;
}
}
async fn increment_and_do_stuff(can_incr: &amp;CanIncrement) {
can_incr.increment();
do_something_async().await;
}
<span class="boring">}
</span></code></pre></pre>
<h4 id="使用异步任务和通过消息传递来管理状态"><a class="header" href="#使用异步任务和通过消息传递来管理状态">使用异步任务和通过消息传递来管理状态</a></h4>
<p>该方法常常用于共享的资源是 I/O 类型的资源时,我们在下一章节将详细介绍。</p>
<h4 id="使用-tokio-提供的异步锁"><a class="header" href="#使用-tokio-提供的异步锁">使用 Tokio 提供的异步锁</a></h4>
<p>Tokio 提供的锁最大的优点就是:它可以在 <code>.await</code> 执行期间被持有,而且不会有任何问题。但是代价就是,这种异步锁的性能开销会更高,因此如果可以,使用之前的两种方法来解决会更好。</p>
<pre><pre class="playground"><code class="language-rust edition2021">
<span class="boring">#![allow(unused)]
</span><span class="boring">fn main() {
</span>use tokio::sync::Mutex; // 注意,这里使用的是 Tokio 提供的锁
// 下面的代码会编译
// 但是就这个例子而言,之前的方式会更好
async fn increment_and_do_stuff(mutex: &amp;Mutex&lt;i32&gt;) {
let mut lock = mutex.lock().await;
*lock += 1;
do_something_async().await;
} // 锁在这里被释放
<span class="boring">}
</span></code></pre></pre>
<div id="giscus-container"></div>
</main>
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