淺析Java NIO

NIO概述

Java NIO全稱為Non-blocking IO或者New IO顿仇，從名字我們知道NIO是非阻塞的IO笤闯，而Java IO則是阻塞的IO差凹。在一般的情況下阻塞是低效率的老赤，特別是在高并發(fā)的場景下面逸嘀，因此Java引入了NIO。NIO相比IO來說主要有以下幾個區(qū)別：

  1. NIO是面向緩沖區(qū)的碰纬，IO則面向流萍聊。
  • 標準的IO編程接口是面向字節(jié)流和字符流的。而NIO是面向通道和緩沖區(qū)的悦析，數(shù)據(jù)總是從通道中讀到buffer緩沖區(qū)內(nèi)寿桨，或者從buffer緩沖區(qū)寫入到通道中；（ NIO中的所有I/O操作都是通過一個通道開始的她按。）
  • Java IO面向流意味著每次從流中讀一個或多個字節(jié)牛隅，直至讀取所有字節(jié)，它們沒有被緩存在任何地方酌泰；
  • Java NIO是面向緩存的I/O方法媒佣。 將數(shù)據(jù)讀入緩沖器，使用通道進一步處理數(shù)據(jù)陵刹。 在NIO中默伍，使用通道和緩沖區(qū)來處理I/O操作。
  1. NIO是非阻塞的衰琐，IO是阻塞的也糊。
  • Java NIO使我們可以進行非阻塞IO操作。比如說羡宙，單線程中從通道讀取數(shù)據(jù)到buffer狸剃，同時可以繼續(xù)做別的事情，當數(shù)據(jù)讀取到buffer中后狗热，線程再繼續(xù)處理數(shù)據(jù)钞馁。寫數(shù)據(jù)也是一樣的。另外匿刮，非阻塞寫也是如此僧凰。一個線程請求寫入一些數(shù)據(jù)到某通道，但不需要等待它完全寫入熟丸，這個線程同時可以去做別的事情训措。
  • Java IO的各種流是阻塞的。這意味著，當一個線程調(diào)用read() 或 write()時绩鸣，該線程被阻塞怀大，直到有一些數(shù)據(jù)被讀取，或數(shù)據(jù)完全寫入呀闻。該線程在此期間不能再干任何事情了
  1. NIO有Selectors（多路復用器）叉寂，而IO沒有Selectors。
  • 選擇器用于使用單個線程處理多個通道总珠。因此，它需要較少的線程來處理這些通道勘纯。
  • 線程之間的切換對于操作系統(tǒng)來說是昂貴的局服。 因此，為了提高系統(tǒng)效率選擇器是有用的

NIO中主要有以下三個概念：通道驳遵、緩沖區(qū)和Selectors淫奔。

通道

Java NIO Channel通道和流非常相似，主要有以下幾點區(qū)別：

  • 通道可以讀也可以寫堤结，流一般來說是單向的（只能讀或者寫）唆迁。
  • 通道可以異步讀寫。
  • 通道總是基于緩沖區(qū)Buffer來讀寫竞穷。
nio-channel

Java的NIO讀寫都是在通道中進行的唐责，通道涵蓋了網(wǎng)絡UDP，TCP網(wǎng)絡IO和文件IO：

  • DatagramChannel
  • SocketChannel
  • FileChannel
  • ServerSocketChannel
    各個Channel的UML類圖如下：
NIO-Channels

DatagramChannel

DatagramChannel用于處理UDP連接瘾带。

打開一個DatagramChannel

DatagramChannel channel = DatagramChannel.open();
channel.socket().bind(new InetSocketAddress(8888));

讀取數(shù)據(jù)

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
buf.clear();
channel.receive(buf);

發(fā)送數(shù)據(jù)

String msg = "Current time is: " + System.currentTimeMillis();
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
buf.clear();
buf.put(msg.getBytes());
buf.flip();
int bytesSent = channel.send(buf, new InetSocketAddress("host", port));

SocketChannel

打開 SocketChannel

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("host", 80));

讀取數(shù)據(jù)

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
int bytesRead = socketChannel.read(buf);

如果 read()返回 -1, 表明連接已經(jīng)中斷鼠哥。

寫入數(shù)據(jù)

String msg = "Current Time is: " + System.currentTimeMillis();
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.clear();
buf.put(msg.getBytes());

buf.flip();

while(buf.hasRemaining()) {
    channel.write(buf);
}

非阻塞模式

socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("host", 80));

while (!socketChannel.finishConnect()) {
      
}

我們可以設置 SocketChannel 為異步模式, 這樣 connect, read, write 都是異步的了。在異步模式中, 或許連接還沒有建立, connect 方法就返回了, 因此我們需要檢查當前是否是連接到了主機看政，因此通過一個 while 循環(huán)來判斷朴恳。

FileChannel

打開

RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("test.txt", "rw");
FileChannel inChannel = aFile.getChannel();

讀取

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
int bytesRead = inChannel.read(buf);

寫入

String newData = "Current time is: " + System.currentTimeMillis();

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
buf.clear();
buf.put(newData.getBytes());
buf.flip();
while (buf.hasRemaining()) {
    channel.write(buf);
}

關(guān)閉

channel.close();

設置 position

long pos = channel.position();
channel.position(pos + 123);

文件大小

我們可以通過 channel.size()獲取關(guān)聯(lián)到這個 Channel 中的文件的大小。注意, 這里返回的是文件的大小, 而不是 Channel 中剩余的元素個數(shù)允蚣。

截斷文件

channel.truncate(1024);

將文件的大小截斷為1024字節(jié)于颖。

強制寫入

channel.force(true);

強制將緩存中的數(shù)據(jù)寫入文件中：

ServerSocketChannel

ServerSocketChannel顧名思義，它是用來監(jiān)聽server端的socket連接嚷兔。
打開和關(guān)閉

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.close();

監(jiān)聽連接

使用ServerSocketChannel的accept()方法來監(jiān)聽客戶端的TCP連接請求森渐，accept()方法是阻塞的，直到有連接進來谴垫。

while(true){
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
    //do something with socketChannel...
}

非阻塞模式

如果設定ServerSocketChannel是非阻塞的章母，則accept()方法不會阻塞。如果返回的是null證明沒有新的連接翩剪，如果不是null乳怎，則有新的連接請求。

ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(9999));
serverSocketChannel.configureBlocking(false);
while (true) {
    SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
    if(socketChannel != null) {
        // do something with socketChannel...
    }
}

Buffer緩沖區(qū)

Java NIO Buffers用于和NIO Channel交互。正如你已經(jīng)知道的蚪缀，我們從channel中讀取數(shù)據(jù)到buffers里秫逝，從buffer把數(shù)據(jù)寫入到channels。

buffer本質(zhì)上就是一塊內(nèi)存區(qū)询枚，可以用來寫入數(shù)據(jù)违帆，并在稍后讀取出來。這塊內(nèi)存被NIO Buffer包裹起來金蜀，對外提供一系列的讀寫方便開發(fā)的接口刷后。

Buffer基本用法

利用Buffer讀寫數(shù)據(jù)，通常遵循四個步驟：

  • 把數(shù)據(jù)寫入buffer渊抄；
  • 調(diào)用flip尝胆；
  • 從Buffer中讀取數(shù)據(jù)；
  • 調(diào)用buffer.clear()或者buffer.compact()

當寫入數(shù)據(jù)到buffer中時护桦，buffer會記錄已經(jīng)寫入的數(shù)據(jù)大小含衔。當需要讀數(shù)據(jù)時，通過flip()方法把buffer從寫模式調(diào)整為讀模式二庵；在讀模式下贪染，可以讀取所有已經(jīng)寫入的數(shù)據(jù)。

當讀取完數(shù)據(jù)后催享，需要清空buffer杭隙，以滿足后續(xù)寫入操作。清空buffer有兩種方式：調(diào)用clear()或compact()方法因妙。clear會清空整個buffer寺渗，compact則只清空已讀取的數(shù)據(jù)，未被讀取的數(shù)據(jù)會被移動到buffer的開始位置兰迫，寫入位置則近跟著未讀數(shù)據(jù)之后信殊。

這里有一個簡單的buffer案例，包括了write汁果，flip和clear操作：

RandomAccessFile aFile = new RandomAccessFile("data/nio-data.txt", "rw");
FileChannel inChannel = aFile.getChannel();

// create buffer with capacity of 48 bytes
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.
while (bytesRead != -1) {

  buf.flip();  // make buffer ready for read

  while(buf.hasRemaining()){
      System.out.print((char) buf.get()); // read 1 byte at a time
  }

  buf.clear(); //make buffer ready for writing
  bytesRead = inChannel.read(buf);
}
aFile.close();

Buffer的容量涡拘，位置，上限（Buffer Capacity, Position and Limit）
buffer緩沖區(qū)實質(zhì)上就是一塊內(nèi)存据德，用于寫入數(shù)據(jù)鳄乏，也供后續(xù)再次讀取數(shù)據(jù)。這塊內(nèi)存被NIO Buffer管理棘利，并提供一系列的方法用于更簡單的操作這塊內(nèi)存橱野。

一個Buffer有三個屬性是必須掌握的，分別是：

  • capacity容量
  • position位置
  • limit限制

position和limit的具體含義取決于當前buffer的模式善玫。capacity在兩種模式下都表示容量水援。

下面有張示例圖，描訴了不同模式下position和limit的含義：

nio-buffers-modes

容量（Capacity）

作為一塊內(nèi)存，buffer有一個固定的大小蜗元，叫做capacity容量或渤。也就是最多只能寫入容量值得字節(jié)，整形等數(shù)據(jù)奕扣。一旦buffer寫滿了就需要清空已讀數(shù)據(jù)以便下次繼續(xù)寫入新的數(shù)據(jù)薪鹦。

位置（Position）

當寫入數(shù)據(jù)到Buffer的時候需要中一個確定的位置開始，默認初始化時這個位置position為0惯豆，一旦寫入了數(shù)據(jù)比如一個字節(jié)池磁，整形數(shù)據(jù)，那么position的值就會指向數(shù)據(jù)之后的一個單元楷兽，position最大可以到capacity - 1框仔。

當從Buffer讀取數(shù)據(jù)時，也需要從一個確定的位置開始拄养。buffer從寫入模式變?yōu)樽x取模式時，position會歸零银舱，每次讀取后瘪匿，position向后移動。

上限（Limit）

在寫模式寻馏，limit的含義是我們所能寫入的最大數(shù)據(jù)量棋弥。它等同于buffer的容量。

一旦切換到讀模式诚欠，limit則代表我們所能讀取的最大數(shù)據(jù)量顽染，他的值等同于寫模式下position的位置。

數(shù)據(jù)讀取的上限時buffer中已有的數(shù)據(jù)轰绵，也就是limit的位置（原position所指的位置）粉寞。

Buffer Types

Java NIO有如下具體的Buffer類型：

ByteBuffer
MappedByteBuffer
CharBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
IntBuffer
LongBuffer
ShortBuffer
正如你看到的，Buffer的類型代表了不同數(shù)據(jù)類型左腔，換句話說唧垦，Buffer中的數(shù)據(jù)可以是上述的基本類型；

分配一個Buffer（Allocating a Buffer）

為了獲取一個Buffer對象液样，你必須先分配振亮。每個Buffer實現(xiàn)類都有一個allocate()方法用于分配內(nèi)存。下面看一個實例,開辟一個48字節(jié)大小的buffer：

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
開辟一個1024個字符的CharBuffer：

CharBuffer buf = CharBuffer.allocate(1024);

寫入數(shù)據(jù)到Buffer（Writing Data to a Buffer）

寫數(shù)據(jù)到Buffer有兩種方法：

  • 從Channel中寫數(shù)據(jù)到Buffer鞭莽。
  • 手動寫數(shù)據(jù)到Buffer坊秸，調(diào)用put方法。
    下面是一個實例澎怒，演示從Channel寫數(shù)據(jù)到Buffer：
    int bytesRead = inChannel.read(buf); // read into buffer
    通過put寫數(shù)據(jù)：

buf.put(127);
put方法有很多不同版本褒搔，對應不同的寫數(shù)據(jù)方法。例如把數(shù)據(jù)寫到特定的位置，或者把一個字節(jié)數(shù)據(jù)寫入buffer站超≥┧。看考JavaDoc文檔可以查閱的更多數(shù)據(jù)。

翻轉(zhuǎn)（flip()）

flip()方法可以吧Buffer從寫模式切換到讀模式死相。調(diào)用flip方法會把position歸零融求，并設置limit為之前的position的值。也就是說算撮，現(xiàn)在position代表的是讀取位置生宛，limit表示的是已寫入的數(shù)據(jù)位置。

從Buffer讀取數(shù)據(jù)（Reading Data from a Buffer）
沖Buffer讀數(shù)據(jù)也有兩種方式肮柜。

  • 從buffer讀數(shù)據(jù)到channel
  • 從buffer直接讀取數(shù)據(jù)陷舅，調(diào)用get方法
    讀取數(shù)據(jù)到channel的例子：
// read from buffer into channel.
int bytesWritten = inChannel.write(buf);

調(diào)用get讀取數(shù)據(jù)的例子：

byte aByte = buf.get();
get也有諸多版本，對應了不同的讀取方式审洞。

rewind()

Buffer.rewind()方法將position置為0莱睁，這樣我們可以重復讀取buffer中的數(shù)據(jù)。limit保持不變芒澜。

clear() and compact()

一旦我們從buffer中讀取完數(shù)據(jù)仰剿，需要復用buffer為下次寫數(shù)據(jù)做準備。只需要調(diào)用clear或compact方法痴晦。

clear方法會重置position為0南吮，limit為capacity，也就是整個Buffer清空誊酌。實際上Buffer中數(shù)據(jù)并沒有清空部凑，我們只是把標記為修改了。

如果Buffer還有一些數(shù)據(jù)沒有讀取完碧浊，調(diào)用clear就會導致這部分數(shù)據(jù)被“遺忘”涂邀，因為我們沒有標記這部分數(shù)據(jù)未讀。

針對這種情況箱锐，如果需要保留未讀數(shù)據(jù)必孤，那么可以使用compact。 因此compact和clear的區(qū)別就在于對未讀數(shù)據(jù)的處理瑞躺，是保留這部分數(shù)據(jù)還是一起清空敷搪。

mark() and reset()

通過mark方法可以標記當前的position，通過reset來恢復mark的位置幢哨，這個非常像canvas的save和restore：

buffer.mark();

// call buffer.get() a couple of times, e.g. during parsing.

buffer.reset();  // set position back to mark.

Selector

Selector是Java NIO中的一個組件赡勘，用于檢查一個或多個NIO Channel的狀態(tài)是否處于可讀、可寫捞镰。如此可以實現(xiàn)單線程管理多個channels,也就是可以管理多個網(wǎng)絡鏈接闸与。

為什么使用Selector（Why Use a Selector?）

用單線程處理多個channels的好處是我需要更少的線程來處理channel毙替。實際上，你甚至可以用一個線程來處理所有的channels践樱。從操作系統(tǒng)的角度來看厂画，切換線程開銷是比較昂貴的，并且每個線程都需要占用系統(tǒng)資源拷邢，因此暫用線程越少越好袱院。

需要留意的是，現(xiàn)代操作系統(tǒng)和CPU在多任務處理上已經(jīng)變得越來越好瞭稼，所以多線程帶來的影響也越來越小忽洛。如果一個CPU是多核的，如果不執(zhí)行多任務反而是浪費了機器的性能环肘。不過這些設計討論是另外的話題了欲虚。簡而言之，通過Selector我們可以實現(xiàn)單線程操作多個channel悔雹。

這有一幅示意圖复哆，描述了單線程處理三個channel的情況：

nio-selector

創(chuàng)建Selector(Creating a Selector)

創(chuàng)建一個Selector可以通過Selector.open()方法：
Selector selector = Selector.open();

注冊Channel到Selector上(Registering Channels with the Selector)

為了同Selector掛了Channel，我們必須先把Channel注冊到Selector上腌零，這個操作使用SelectableChannel.register()：

channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

Channel必須是非阻塞的梯找。所以FileChannel不適用Selector，因為FileChannel不能切換為非阻塞模式莱没。Socket channel可以正常使用。

注意register的第二個參數(shù)酷鸦，這個參數(shù)是一個“關(guān)注集合”饰躲，代表我們關(guān)注的channel狀態(tài)，有四種基礎類型可供監(jiān)聽：

  1. Connect
  2. Accept
  3. Read
  4. Write

一個channel觸發(fā)了一個事件也可視作該事件處于就緒狀態(tài)臼隔。因此當channel與server連接成功后嘹裂，那么就是“連接就緒”狀態(tài)。server channel接收請求連接時處于“可連接就緒”狀態(tài)摔握。channel有數(shù)據(jù)可讀時處于“讀就緒”狀態(tài)寄狼。channel可以進行數(shù)據(jù)寫入時處于“寫就緒”狀態(tài)。

上述的四種就緒狀態(tài)用SelectionKey中的常量表示如下：

  1. SelectionKey.OP_CONNECT
  2. SelectionKey.OP_ACCEPT
  3. SelectionKey.OP_READ
  4. SelectionKey.OP_WRITE

如果對多個事件感興趣可利用位的或運算結(jié)合多個常量氨淌，比如：

int interestSet = SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE;

SelectionKey's

在上一小節(jié)中泊愧，我們利用register方法把Channel注冊到了Selectors上，這個方法的返回值是SelectionKeys盛正，這個返回的對象包含了一些比較有價值的屬性：

  • The interest set
  • The ready set
  • The Channel
  • The Selector
  • An attached object (optional)

Interest Set

這個“關(guān)注集合”實際上就是我們希望處理的事件的集合删咱，它的值就是注冊時傳入的參數(shù)，我們可以用按為與運算把每個事件取出來：

int interestSet = selectionKey.interestOps();

boolean isInterestedInAccept  = interestSet & SelectionKey.OP_ACCEPT;
boolean isInterestedInConnect = interestSet & SelectionKey.OP_CONNECT;
boolean isInterestedInRead    = interestSet & SelectionKey.OP_READ;
boolean isInterestedInWrite   = interestSet & SelectionKey.OP_WRITE;

Ready Set

"就緒集合"中的值是當前channel處于就緒的值豪筝，一般來說在調(diào)用了select方法后都會需要用到就緒狀態(tài)痰滋，select的介紹在胡須文章中繼續(xù)展開摘能。

int readySet = selectionKey.readyOps();

從“就緒集合”中取值的操作類似于“關(guān)注集合”的操作，當然還有更簡單的方法敲街，SelectionKey提供了一系列返回值為boolean的的方法：

selectionKey.isAcceptable();
selectionKey.isConnectable();
selectionKey.isReadable();
selectionKey.isWritable();

Channel + Selector

從SelectionKey操作Channel和Selector非常簡單：

Channel  channel  = selectionKey.channel();
Selector selector = selectionKey.selector();

Attaching Objects

我們可以給一個SelectionKey附加一個Object，這樣做一方面可以方便我們識別某個特定的channel，同時也增加了channel相關(guān)的附加信息亭病。例如因悲，可以把用于channel的buffer附加到SelectionKey上：

selectionKey.attach(theObject);

Object attachedObj = selectionKey.attachment();

附加對象的操作也可以在register的時候就執(zhí)行：

SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, theObject);

從Selector中選擇channel(Selecting Channels via a Selector)

一旦我們向Selector注冊了一個或多個channel后，就可以調(diào)用select來獲取channel墩蔓。select方法會返回所有處于就緒狀態(tài)的channel梢莽。 select方法具體如下：

  • int select()
  • int select(long timeout)
  • int selectNow()
    select()方法在返回channel之前處于阻塞狀態(tài)。 select(long timeout)和select做的事一樣奸披，不過他的阻塞有一個超時限制昏名。

selectNow()不會阻塞，根據(jù)當前狀態(tài)立刻返回合適的channel阵面。

select()方法的返回值是一個int整形轻局，代表有多少channel處于就緒了。也就是自上一次select后有多少channel進入就緒样刷。舉例來說仑扑，假設第一次調(diào)用select時正好有一個channel就緒，那么返回值是1置鼻，并且對這個channel做任何處理镇饮，接著再次調(diào)用select，此時恰好又有一個新的channel就緒箕母，那么返回值還是1储藐，現(xiàn)在我們一共有兩個channel處于就緒，但是在每次調(diào)用select時只有一個channel是就緒的嘶是。

selectedKeys()

在調(diào)用select并返回了有channel就緒之后钙勃，可以通過選中的key集合來獲取channel，這個操作通過調(diào)用selectedKeys()方法：

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
還記得在register時的操作吧聂喇，我們register后的返回值就是SelectionKey實例辖源，也就是我們現(xiàn)在通過selectedKeys()方法所返回的SelectionKey。

遍歷這些SelectionKey可以通過如下方法：

Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
while(keyIterator.hasNext()) {
    SelectionKey key = keyIterator.next();
    if(key.isAcceptable()) {
        // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.
    } else if (key.isConnectable()) {
        // a connection was established with a remote server.
    } else if (key.isReadable()) {
        // a channel is ready for reading
    } else if (key.isWritable()) {
        // a channel is ready for writing
    }
    keyIterator.remove();
}

上述循環(huán)會迭代key集合希太，針對每個key我們單獨判斷他是處于何種就緒狀態(tài)克饶。

注意keyIterator.remove()方法的調(diào)用，Selector本身并不會移除SelectionKey對象誊辉，這個操作需要我們收到執(zhí)行彤路。當下次channel處于就緒是，Selector任然會吧這些key再次加入進來芥映。

SelectionKey.channel返回的channel實例需要強轉(zhuǎn)為我們實際使用的具體的channel類型洲尊，例如ServerSocketChannel或SocketChannel.

wakeUp()

由于調(diào)用select而被阻塞的線程远豺，可以通過調(diào)用Selector.wakeup()來喚醒即便此時已然沒有channel處于就緒狀態(tài)。具體操作是坞嘀，在另外一個線程調(diào)用wakeup躯护，被阻塞與select方法的線程就會立刻返回。

close()

當操作Selector完畢后丽涩，需要調(diào)用close方法棺滞。close的調(diào)用會關(guān)閉Selector并使相關(guān)的SelectionKey都無效。channel本身不管被關(guān)閉矢渊。

完整的Selector案例

這有一個完整的案例继准，首先打開一個Selector,然后注冊channel，最后檢測Selector的狀態(tài)：

Selector selector = Selector.open();
channel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
while (true) {
    int readyChannels = selector.select();
    if (readyChannels == 0) continue;
    Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
    Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();
    while (keyIterator.hasNext()) {
        SelectionKey key = keyIterator.next();
        if (key.isAcceptable()) {
            // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.
        } else if (key.isConnectable()) {
            // a connection was established with a remote server.
        } else if (key.isReadable()) {
            // a channel is ready for reading
        } else if (key.isWritable()) {
            // a channel is ready for writing
        }
        keyIterator.remove();
    }
}

參考資料

http://tutorials.jenkov.com/java-nio/index.html

?著作權(quán)歸作者所有,轉(zhuǎn)載或內(nèi)容合作請聯(lián)系作者
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