Java并发基础,进度和线程的原因

一.多线程的发展历史

上一篇微机种类008 –
操作系统概略中讲到,计算机操作系统发展的五个首要倾向是增加CPU使用率,以及下跌响应时长Java并发基础,进度和线程的原因。。那三头在微观调度方式一流来看是并行背离的,但从宏观调度策略来讲,仍旧得以做出折中的利弊权衡。当然,并非所有电脑体系都追求所谓的平衡,很多时候一定领域的种类更偏重高实时响应,而有的场景只须要尽可能选用CPU计算能力即可。

  转载自:

转载:http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3910667.html

四线程的升华大体上经过了多少个历史阶段: 1.最早出现的处理器紧如若为了化解复杂的测算问题,而中期的总结机只好够接受一些一定的下令,当用户在输入这么些命令的时候,总结机才会去做事,即使不输入指令,总计机就不会工作,因为电脑本身不会蕴藏指令,很多意况下,计算机都会处于等候状态,并没有当真利用总计机本身的资源。于是进入了批处理操作系统的演变进程。
2.批处理操作系统:用户把需要举办的多少个指令写在磁带上,然后让电脑去读取这几个磁带执行相应的程序,并把结果输出在其余一个磁带上。
3.即便批处理那种格局能大大升高总计机资源的利用率,可是会碰到一些题材,比如,操作系统的一个命令阻塞了,CPU会等到这一个命令执行达成后,再去履行下一个发令,那样的话就会使CPU处于等候状态,不可能增强资源的利用率。为了化解这几个标题,就应运而生了经过和线程的概念。

趋势决定方法,对于经过的了解,就从这八个对象开端。

  在眼前,已经介绍了Java的基础知识,现在大家来谈谈某些略带难一些的难点:Java并发编程。当然,Java并发编程涉及到众多方面的情节,不是不久就可以融会贯通使用的,须求在实践中不断积聚。由于出现肯定涉及到多线程,因而在进入并发编程宗旨以前,大家先来精晓一下进程和线程的缘故,那对后边对并发编程的敞亮将会有很大的帮助。

一.操作系统中为啥会产出进度?

说起经过的来头,大家须要从操作系统的前行历史谈起。

莫不在明日,大家无能为力想像在广大年此前总计机是怎么着样子。大家后天得以用计算机来做过多事情:办公、娱乐、上网,不过在电脑刚面世的时候,是为了缓解数学计算的题材,因为许多恢宏的盘算通过人工去做到是很耗时间和人工花费的。在初期的时候,计算机只可以承受一些一定的通令,用户输入一个发令,计算机就做一个操作。当用户在动脑筋或者输入数据时,总括机就在等候。鲜明那样功用和很低下,因为众多时候,总括机处于等候用户输入的情景。

那就是说能不可能把一密密麻麻需求操作的指令预先写下来,形成一个清单,然后五遍性交给总结机,统计机不断地去读取指令来展开对应的操作?似乎此,批处理操作系统诞生了。用户能够将必要举办的多少个程序写在磁带上,然后交由电脑去读取并一一地实践那个程序,并将出口结果写到另一个磁带上。

即使批处理操作系统的落地极大地提高了职分处理的便捷性,然则照旧存在一个很大的题材:

即使有八个职务A和B,义务A在推行到一半的进程中,要求读取大批量的数额输入(I/O操作),而那时CPU只可以静静地伺机任务A读取完数据才能继续执行,那样就白白浪费了CPU资源。人们于是想,能仍旧不能在任务A读取数据的进度中,让义务B去执行,当职责A读取完数据将来,让职分B暂停,然后让义务A继续执行?

不过尔尔就有一个难题,原来每一遍都是一个程序在总括机里面运行,也就说内存中始终唯有一个先后的运作数据。而只要想要职务A执行I/O操作的时候,让义务B去履行,必然内存中要装入八个程序,那么怎么样处理啊?八个程序行使的多少如何进行分辨呢?并且当一个程序运行暂停后,后边什么復苏到它以前实施的境况吧?

其一时候人们就发明了经过,用经过来对号入座一个先后,每个进度对应一定的内存地址空间,并且只好动用它和谐的内存空间,各样进度间互不干扰。并且经过保存了先后每个时刻的运作情形,那样就为经过切换提供了说不定。当进度暂时时,它会保留当前进程的情景(比如进度标识、进度的运用的资源等),在下三回重复切换回来时,便基于此前封存的气象进行恢复生机,然后继续执行。

那就是出新,可以让操作系统从宏观上看起来同一个光阴段有多个职责在实践。换句话说,进度让操作系统的出现成为了也许。

Java并发基础,进度和线程的原因。留神,固然出现从微观上看有七个任务在进行,不过实际上,任一个实际的随时,只有一个义务在挤占CPU资源(当然是对于单核CPU来说的)。

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1. 进程

进度那么些定义忽然跳出来,略显突兀,但是很多素材上就像是此自然地位于这里。为了更好地领略进程概念的原因,那里先对照总计机种类发展史来证雀巢(Nestle)下。

  下边是本文的目录大纲:

二.怎么会产出线程?

在产出了经过之后,操作系统的性质获得了大大的提高。纵然经过的产出缓解了操作系统的产出难点,不过人们仍旧不满足,人们慢慢对实时性有了须要。因为一个进度在一个时刻段内只能够做一件事情,假使一个进度有多个子职分,只好逐个地去实施这一个子义务。比如对于一个监督系统的话,它不只要把图像数据显示在画面上,还要与服务端进行通讯获取图像数据,还要处理人们的互动操作。即使某一个时时该系统正在与服务器通讯获取图像数据,而用户又在督察连串上点击了某个按钮,那么该系统即将等待获取完图像数据之后才能处理用户的操作,借使获得图像数据需求消耗10s,那么用户就惟有直接在伺机。显著,对于这么的种类,人们是无力回天知足的。

那就是说可不得以将这几个子职务分别执行吗?即在系统得到图像数据的还要,假如用户点击了某个按钮,则会暂停获取图像数据,而先去响应用户的操作(因为用户的操作往往执行时间很短),在处理完用户操作之后,再持续获得图像数据。人们就注明了线程,让一个线程去履行一个子职务,那样一个进度就概括了七个线程,每个线程负责一个单独的子职分,那样在用户点击按钮的时候,就足以暂停获取图像数据的线程,让UI线程响应用户的操作,响应完事后再切换回来,让取得图像的线程得到CPU资源。从而让用户感到系统是还要在做多件事情的,满足了用户对实时性的需要。

换句话说,进度让操作系统的并发性成为可能,而线程让进程的里边出现成为可能。

不过要专注,一个历程尽管包涵多少个线程,可是那些线程是共同拥有进度占有的资源和地址空间的。进度是操作系统举办资源分配的骨干单位,而线程是操作系统举行调度的基本单位。

二.经过与线程

进度进程是资源(CPU、内存等)分配的为主单位,它是程序执行时的一个实例。程序运行时系统就会创建一个进程,系统会给每个进程分配独立的内存地址空间,并且每个进度的地方不会相互干扰。借使要形成CPU时间片的切换,就要保障此前的长河在实践的时候实施到某个地方,下次切换回来的时候还能从那几个职分上马推行。所以经过就是资源分配的纤维单元。
在经过出现此前,指令是一遍性加载到内存中,要是要拓展指令切换的话,就要对指令进行隔离,而在批处理操作系统中是无能为力对指令展开隔离的。
有了经过将来,能够让操作系统从微观上达成产出。并发是因此CPU时间片的不断切换执行的。在随机一个时时,对于单核CPU来说,只会有一个任务去实施,只是通过切换时间片的格局形成了并行执行。
线程
线程是程序执行时的矮小单位,它是进程的一个执行流,是CPU调度和分担的要旨单位,一个经过可以由许八个线程组成,每个线程会负责一个独立的子职分,在合营多核处理器,去贯彻七个子职责并行处理的结果。线程间共享进度的所有资源,每个线程有谈得来的仓库和有些变量。线程由CPU独立调度执行,在多核CPU环境下就同意七个线程同时运行。进度在一个日子内只好干一件工作,固然想同时干多件业务的话,
就要把进度中的多少个子职分划分到多少个线程,通过线程的切换执行去已毕职责的实时性。所以,线程是真正含义上落到实处了并行执行。

1.1 进程的案由

最早的时候,也就是单处理器时期,系统要推行一个划算职责的步调是将全体程序加载到内存中,然后由CPU逐条读取并执行命令。程序包罗代码指令和约定的数额,指令执行期间,肯定会发出一些测算结果,部分为临时使用。所以本来而言,寄存器中应当保留一部分临时值,举个例子,加法器执行一个加法运算,寄存器中就要求仓储CF进位音讯。那么总的来讲,一个程序运行后,至少会蕴藏如下音讯:

  • 程序代码
  • 数据集
  • 运行时音信

其一时代中统计机种类的测算时间重点通过预订或批处理系统监控获取,所存在的最大难题是CPU和I/O运行速率量级相差太大,CPU的速率远远高过I/O速率,导致一旦实施到I/O指令时,系统中CPU资源就高居闲置状态,而下令每一遍执行,又至少会涉及到一遍内存地址的访问。也就是说,系统运作时期,CPU资源被多量荒废

为了升高CPU资源使用率,下落总计费用,可行的最主要措施是加载更加多的先后到内存中,一旦某个程序要实践I/O操作,就切换来其它程序运行。当然那里可以切换的前提是,I/O具体操作由其他单元举办控制,只需少量CPU执行前后准备、收尾工作即可,典型的有DMA间接内存访问。既然涉及到程序切换,这就必将要对一个运行中先后的富有相关信息进行合并保管,那样才能以该单位开展切换幸免失误,而这里,那一个单位就叫做进程。

  一.操作系统中为啥会并发进度?

三.多线程并发

鉴于多少个线程是一头占有所属进度的资源和地方空间的,那么就会设有一个标题:

比方三个线程要同时做客某个资源,怎么处理?

其一标题就是后序小说中要根本讲述的一块儿难题。

这就是说可能有心上人会问,现在广大时候都使用多线程编程,那么是否多线程的习性一定就由于单线程呢?

不自然,要看具体的职分以及总结机的布署。比如说:

对此单核CPU,若是是CPU密集型职分,如解压文件,多线程的性质反而不如单线程品质,因为解压文件须要直接占有CPU资源,借使使用多线程,线程切换导致的支出反而会让品质下降。

可是对于诸如交互类型的任务,肯定是急需使用十二线程的、

而对此多核CPU,对于解压文件来说,多线程肯定优于单线程,因为多少个线程可以更进一步充裕利用每个核的资源。

虽说多线程能够晋级程序品质,可是相对于单线程来说,它的编程要复杂地多,要考虑线程安全题材。由此,在其实编程进度中,要根据实际意况具体接纳。

至于进程和线程的来头,暂时就讲这么多了,感兴趣的心上人可以参照相关材料。

三.二十四线程的运用情况

因为十二线程最终解决的是“等待”的难题,所以八线程一般用于: 1.透过并行计算进步程序执行的品质,比如一个主次中的计算逻辑的推行质量能够通过多线程的技能将一个顺序中的八个逻辑运算并行操作执行。
2.亟待拭目以待互联网,IO响应等消耗多量的时光,可以选择异步的章程来减少总体的响应时间,也就是釜底抽薪阻塞(当程序运行到某个函数时,由于有些缘由造成程序要等待某个事件的暴发而临时平息占用CPU)的标题,阻塞会使CPU闲置而浪费资源。

1.2 进度情况

前边讲了将内存中运行中的程序也就是经过展开切换,来落成升高CPU利用率的指标。既然有切换,也就意味着至少有运行、非运行二种状态。在该粒度控制下,CPU可以在多个程序间展开切换,避开I/O操作的搁置指令周期,提高全体使用率。

只是上面的调度只是粗粒度的,别的时候,要想做出更纯粹的主宰,就非得根据更加多的实惠新闻。对于操作系统来讲,要想更确切地在不一致进度间切换CPU,就非得控制愈来愈多进度的有用新闻,而充实信息的率先步,就是下降粒度,细化进度情状的归类。例如对于非运行处境而言,它难以对新创制的历程和处于I/O等待进度中的进度做区分,那样一来,将处于I/O等待进程中的重新运行就绝对对CPU资源的荒废行为。

在上述三种情状的基础上,现代操作系统寻常会区分为如下二种情状:

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  • www.5929.com,新建态

  • 就绪态

  • 挂起态(可选)
    添加挂起态的根本原因是每多加载一个历程进入内存空间就多了一个挑选,就可以更大程度地规避I/O等待,有效应用CPU资源。但出于大体内存有数,导致能加载入内存的经过数量也有数。为了拥有越多可挑选进度,就经过将有些高居I/O等待历程中的进程从内存空间写出到磁盘空间,当须要重新调度被写出进程时,再从磁盘空间重新读取。
    自然也设有其余艺术去下落一个经过所需的情理内存,如基于页互换硬件辅助,来完毕只加载进度的画龙点睛音信而非全体内容来兑现下降内存占用。这一部分会再后边的内存管理越来越介绍。

    • 阻塞/挂起态
    • 就绪/挂起态
  • 阻塞/等待态
    进度在某些事件时有暴发前不可能继续执行,如I/O操作已毕事件。

  • 运行态

  • 退出态

  二.怎么会现出线程?

1.3 进度调度

正如图所示,内存(虚拟内存)中经过全部重组如下。进程情状属于进程运行时音讯中的一局地,现代操作系统中相比通用的周转时情形音信是一个誉为进度控制块PCB(Process
Control Block)的结构体。

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PCB中重大含有三类新闻:

  • 过程标识音信
    表示音讯根本目标识符,包含过程ID(PID)、父进度ID、用户ID(UID)

  • 进度景况音讯
    席卷用户可知寄存器、控制和景观寄存器、栈指针三个子类型数据,日常CPU设计中存在一组称为程序状态字PSW(Program
    Status Word)的寄存器,它涵盖条件码和任何情形音信。

    以Intel X86为例:

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  • 进程控制新闻
    席卷调度和景况音信(如优先级、事件等)、数据结构、进程间通讯、进程特权、存储管理、资源的所有权和选择景况等。

而所谓的各个景况进度队列,实际上都是以链表格局管理各进程PCB数据结构。

迄今截止大家领会,进度由代码、数据、栈、运行时音讯整合,进度概念的指出重点是造福调度管理,其中所含有的运行时新闻方可为调度形式提供有效新闻。而调度本身又是由此在地处分化景观的历程间切换以躲过I/O等待,从而达到增加CPU利用率的目标。

  三.二十四线程并发

2. 线程

上一节中大家从全体操作系统的角度来谈谈了经过概念的原故和须求性,同时也关乎,在装有越多一蹴而就信息的功底上,更小粒度的决定可以达标尤其规范的调度结果,从而充裕利用CPU。那么对于每一个经过而言,是或不是有艺术可以直达更精细的支配?

答案就是线程。

一、操作系统中缘何会见世进度?

  说起进度的缘由,大家必要从操作系统的进化历史谈起。

  也许在后天,大家鞭长莫及想像在无数年在此之前计算机是何等样子。大家现在可以用电脑来做过多作业:办公、娱乐、上网,可是在计算机刚面世的时候,是为通晓决数学总括的题材,因为众多恢宏的盘算通过人工去做到是很耗时间和人工开销的。在初期的时候,总结机只可以接受部分一定的授命,用户输入一个下令,总括机就做一个操作。当用户在揣摩或者输入数据时,统计机就在等候。显明那样效用和很低下,因为众多时候,总结机处于等候用户输入的处境。

  那么能或不能够把一层层需求操作的通令预先写下去,形成一个清单,然后五次性交给统计机,总结机不断地去读取指令来举行相应的操作?就像此,批处理操作系统诞生了。用户可以将要求执行的多少个程序写在磁带上,然后交由电脑去读取并逐条地履行那几个程序,并将出口结果写到另一个磁带上。

  就算批处理操作系统的诞生极大地升高了职务处理的便捷性,不过仍然存在一个很大的题材:

  若是有七个职务A和B,职务A在实施到一半的长河中,需求读取大批量的数额输入(I/O操作),而那时CPU只好静静地等候任务A读取完数据才能继续执行,那样就白白浪费了CPU资源。人们于是想,能如故不能在任务A读取数据的历程中,让任务B去履行,当职分A读取完数据未来,让职务B暂停,然后让任务A继续执行?

  不过这么就有一个标题,原来每一回都是一个先后在微机里面运行,也就说内存中始终只有一个主次的周转数据。而一旦想要职分A执行I/O操作的时候,让职务B去执行,必然内存中要装入几个程序,那么哪些处理吧?五个程序选择的数码怎样开展识别呢?并且当一个程序运行暂停后,后边什么回复到它前边实施的景观呢?

  那几个时候人们就表明了经过,用经过来对号入座一个主次,每个进程对应一定的内存地址空间,并且不得不动用它自己的内存空间,各种进度间互不干扰。并且经过保存了程序每个时刻的周转状态,那样就为经过切换提供了也许。当进度暂时时,它会保留当前进度的意况(比如进度标识、进度的利用的资源等),在下五次重复切换回来时,便根据之前封存的意况举办还原,然后继续执行。

  那就是出现,能够让操作系统从微观上看起来同一个时日段有七个职务在举行。换句话说,进程让操作系统的产出成为了或者。

  注意,即使现身从宏观上看有三个职务在推行,不过事实上,任一个切实的每日,唯有一个职分在挤占CPU资源(当然是对此单核CPU来说的)。

2.1 线程概念

爆冷又跳出来一个名词,线程。从字面来看,也看不出什么,只可以记住一个定义,线程是对经过展开更小粒度的划分。对于单处理器单核系统来讲,每趟只可以运行一个经过,即使举行了更小粒度的细分,也并不可以在整机上加速进程运行速度,甚至有可能由于反复切换而引入越来越多的损耗。
但考虑实际使用中,每个程序代码中可能存在对于多少个硬件部件的操作,如一部分进行内部数据总括、一部分担当文件读写、一部分担当突显刷新,最终一对负责与用户交互

那边的用户交互使用了粗体举行强调,的确,单CPU单核处境下,只好通过不断切换进度之中举办的下令来提供卓绝的相互响应。例如,对程序代码进行八个部分的撤并,一个有些承担文件读写,一部分承担与用户交互。每个部分以一个线程情势运行,通过将CPU在进程之中的三个线程间切换,达到执行慢I/O操作的还要,也能插入执行用户交互代码。那样一来,在不难的硬件资源意况下,也迟早水平下降了平均响应时长

对此单核来讲,可能奏效一般,然而对于多处理器多核来讲,将每一个线程分配各同一CPU种的多核后,那就是并行执行四个线程,全部所需时长也将下滑。从用户的角度来讲,同样是降落了程序执行所需平均时长

由此综合来看,线程在单核系统上中可以有效下降平均响应时长,在多核系统上,通过互动,能够有效下落全体时长。为了达到精确调度,与经过一样,线程也应该保护运行时音讯。寻常二十四线程技术适用于如下使用景况:

  • 前台和后台工作
  • 异步处理
  • 拉长执行进程
  • 模块化程序结构

二、为何会出现线程?

  在出现了经过之后,操作系统的特性得到了大大的升高。就算进度的产出解决了操作系统的产出难点,不过人们仍然不满意,人们渐渐对实时性有了需要。因为一个历程在一个岁月段内只好做一件业务,如若一个进程有多个子职务,只好逐个地去执行这么些子义务。比如对于一个监察系统的话,它不但要把图像数据体现在画面上,还要与服务端进行通信获取图像数据,还要处理人们的相互操作。假诺某一个天天该系统正在与服务器通讯获取图像数据,而用户又在监督系统上点击了某个按钮,那么该连串即将等待获取完图像数据未来才能处理用户的操作,假若得到图像数据必要消耗10s,那么用户就唯有直接在等待。鲜明,对于那样的种类,人们是力不从心知足的。

  那么可不得以将那一个子职务分别执可以吗?即在系统获得图像数据的还要,假设用户点击了某个按钮,则会中断获取图像数据,而先去响应用户的操作(因为用户的操作往往执行时间很短),在拍卖完用户操作之后,再持续得到图像数据。人们就注明了线程,让一个线程去执行一个子任务,那样一个经过就包括了多个线程,每个线程负责一个独立的子职责,那样在用户点击按钮的时候,就可以暂停获取图像数据的线程,让UI线程响应用户的操作,响应完之后再切换回来,让取得图像的线程得到CPU资源。从而让用户感到系统是同时在做多件业务的,知足了用户对实时性的渴求。

  换句话说,进度让操作系统的并发性成为可能,而线程让进度的内部出现成为可能。

  可是要专注,一个进度纵然包涵五个线程,不过那么些线程是一道享有进度占有的资源和地点空间的。进度是操作系统举办资源分配的主导单位,而线程是操作系统进行调度的主干单位。

2.2 与经过关系

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如上图所示,一个历程中足足含有一个线程(也叫做主线程),当然也得以依据程序特性拔取使用多线程技术。存在两个线程时,线程间互为共享进度用户地址空间。

何以看头?换句话就是说,即使内存是成套街道,那么进度就是一避孕套房子,每套房屋相互之间共享道路等资源,似乎经过在操作系统中共享总线一样。如果经过是房屋,那么线程就是房屋中的房间,各有各的户型。房间里面互相共享房子内公共资源,如厨房、卫生间等,当然每个屋子我也设有必然内部资源,仅供自己行使。

要是房子创制了,那么必然至少会创造一个房间。如若房子销毁了,那么内部有着房间也理所当然被灭绝。

三、多线程并发

  由于八个线程是一块占有所属进度的资源和地方空间的,那么就会存在一个标题:

  假设七个线程要同时做客某个资源,怎么处理?

  这一个标题就是后序小说中要重点讲述的一起难点。

  那么可能有对象会问,现在众多时候都施用三八线程编程,那么是否十六线程的属性一定就由于单线程呢?

  不肯定,要看具体的义务以及总括机的配备。比如说:

  对于单核CPU,假诺是CPU密集型职分,如解压文件,十二线程的属性反而不如单线程品质,因为解压文件要求直接占有CPU资源,即便选取多线程,线程切换导致的开支反而会让品质下降。

  可是对于诸如交互类型的天职,肯定是索要接纳三四线程的、

  而对于多核CPU,对于解压文件来说,三十二线程肯定优于单线程,因为八个线程可以越来越足够利用每个核的资源。

  固然二十四线程可以晋级程序品质,可是相对于单线程来说,它的编程要复杂地多,要考虑线程安全题材。因而,在其实编程进程中,要根据实际情况具体选取。

  关于进程和线程的缘由,暂时就讲这么多了,感兴趣的情侣可以参照相关资料。

 

2.3 线程支持级别

线程的贯彻上分为用户级(ULT, User Level Thread)和内核级(KLT, Kernel
Level Thread)二种。

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  • 用户级
    线程管理所有工作在应用程序内到位,内核意识不到线程的留存。即应用程序本身有着相对自主权,它可以根据程序特点自由使用线程管理策略,同时,也防止了由于一些操作系统内核不支持多线程而望洋兴叹利用线程技术。
    但鉴于基础未举行匡助,内核仍以进程为单位对先后开展调度。因而在线程中调用操作系统API时,一旦爆发堵塞,则整个经过都将被封堵。

  • 内核级
    对应的有,内核级线程中线程管理工作全体由基本落成,应用程序只须求付出任务为线程即可。与用户级线程相比较,内核明白了更三十二线程相关音讯,可以将同一个历程调度到不相同电脑中,某一个线程的阻隔也不再会阻塞整个经过。
    但出于应用程序进度仍处于用户方式,而线程处于根本方式,由此再讲控制从一个线程传送到同一个进程的另一个线程时,须求举行状态切换。

鉴于各有优劣,某些操作系统就混合使用了用户级、内核级线程,在混合方法中,线程在用户空间中开创、调度,但也足以托管一部分给基础调度。通过在程序级别与硬件举办匹配,达到最合适的功力。

3. 总结

本篇首要从提高CPU利用率和下降平均响应时长多少个角度来分析了经过、线程概念的原委和须要性,它们均只是内存中的调度单位,创制进度或线程的目标是便利举行下一步的并行执行,也就是在分配给四个CPU或多核或是单核上,根据一定策略调度执行。下一篇旅长从相互设计先河说起,看看切换进程中要留意哪些事项。

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