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多线程系列(十三) -一文带你搞懂阻塞队列

2024-03-05 09:34 由 程序员志哥 发表于 #后端开发

一、摘要

在之前的文章中，我们介绍了生产者和消费者模型的最基本实现思路，相信大家对它已经有一个初步的认识。

在 Java 的并发包里面还有一个非常重要的接口：BlockingQueue。

BlockingQueue是一个阻塞队列，更为准确的解释是：BlockingQueue是一个基于阻塞机制实现的线程安全的队列。通过它也可以实现生产者和消费者模型，并且效率更高、安全可靠，相比之前介绍的生产者和消费者模型，它可以同时实现生产者和消费者并行运行。

那什么是阻塞队列呢？

简单的说，就是当参数在入队和出队时，通过加锁的方式来避免线程并发操作时导致的数据异常问题。

在 Java 中，能对线程并发执行进行加锁的方式主要有synchronized和ReentrantLock，其中BlockingQueue采用的是ReentrantLock方式实现。

与此对应的还有非阻塞机制的队列，主要是采用 CAS 方式来控制并发操作，例如：ConcurrentLinkedQueue，这个我们在后面的文章再进行分享介绍。

今天我们主要介绍BlockingQueue相关的知识和用法，废话不多说了，进入正题！

二、BlockingQueue 方法介绍

打开BlockingQueue的源码，你会发现它继承自Queue，正如上文提到的，它本质是一个队列接口。

public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E> {
	//...省略
}

关于队列，我们在之前的集合系列文章中对此有过深入的介绍，本篇就再次简单的介绍一下。

队列其实是一个数据结构，元素遵循先进先出的原则，所有新元素的插入，也被称为入队操作，会插入到队列的尾部；元素的移除，也被称为出队操作，会从队列的头部开始移除，从而保证先进先出的原则。

在Queue接口中，总共有 6 个方法，可以分为 3 类，分别是：插入、移除、查询，内容如下：

方法 描述
add(e) 插入元素，如果插入失败，就抛异常
offer(e) 插入元素，如果插入成功，就返回 true；反之 false
remove() 移除元素，如果移除失败，就抛异常
poll() 移除元素，如果移除成功，返回 true；反之 false
element() 获取队首元素，如果获取结果为空，就抛异常
peek() 获取队首元素，如果获取结果为空，返回空对象

因为BlockingQueue是Queue的子接口，了解Queue接口里面的方法，有助于我们对BlockingQueue的理解。

除此之外，BlockingQueue还单独扩展了一些特有的方法，内容如下：

方法 描述
put(e) 插入元素，如果没有插入成功，线程会一直阻塞，直到队列中有空间再继续
offer(e, time, unit) 插入元素，如果在指定的时间内没有插入成功，就返回 false；反之 true
take() 移除元素，如果没有移除成功，线程会一直阻塞，直到队列中新的数据被加入
poll(time, unit) 移除元素，如果在指定的时间内没有移除成功，就返回 false；反之 true
drainTo(Collection c, int maxElements) 一次性取走队列中的数据到 c 中，可以指定取的个数。该方法可以提升获取数据效率，不需要多次分批加锁或释放锁

分析源码，你会发现相比普通的Queue子类，BlockingQueue子类主要有以下几个明显的不同点：

  • 1.元素插入和移除时线程安全：主要是通过在入队和出队时进行加锁，保证了队列线程安全，加锁逻辑采用ReentrantLock实现
  • 2.支持阻塞的入队和出队方法：当队列满时，会阻塞入队的线程，直到队列不满；当队列为空时，会阻塞出队的线程，直到队列中有元素；同时支持超时机制，防止线程一直阻塞

三、BlockingQueue 用法详解

打开源码，BlockingQueue接口的实现类非常多，我们重点讲解一下其中的 5 个非常重要的实现类，分别如下表所示。

实现类 功能
ArrayBlockingQueue 基于数组的阻塞队列，使用数组存储数据，需要指定长度，所以是一个有界队列
LinkedBlockingQueue 基于链表的阻塞队列，使用链表存储数据，默认是一个无界队列；也可以通过构造方法中的capacity设置最大元素数量，所以也可以作为有界队列
SynchronousQueue 一种没有缓冲的队列，生产者产生的数据直接会被消费者获取并且立刻消费
PriorityBlockingQueue 基于优先级别的阻塞队列，底层基于数组实现，是一个无界队列
DelayQueue 延迟队列，其中的元素只有到了其指定的延迟时间，才能够从队列中出队

下面我们对以上实现类的用法，进行一一介绍。

3.1、ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue是一个基于数组的阻塞队列，初始化的时候必须指定队列大小，源码实现比较简单，采用的是ReentrantLock和Condition实现生产者和消费者模型，部分核心源码如下：

public class ArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {

	/** 使用数组存储队列中的元素 */
	final Object[] items;

	/** 使用独占锁ReetrantLock */
	final ReentrantLock lock;

	/** 等待出队的条件 */
	private final Condition notEmpty;

	/** 等待入队的条件 */
	private final Condition notFull;

	/** 初始化时，需要指定队列大小 */
	public ArrayBlockingQueue(int capacity) {
        this(capacity, false);
    }

    /** 初始化时，也指出指定是否为公平锁， */
    public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {
        if (capacity <= 0)
            throw new IllegalArgumentException();
        this.items = new Object[capacity];
        lock = new ReentrantLock(fair);
        notEmpty = lock.newCondition();
        notFull =  lock.newCondition();
    }

    /**入队操作*/
    public void put(E e) throws InterruptedException {
        checkNotNull(e);
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == items.length)
                notFull.await();
            enqueue(e);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    /**出队操作*/
    public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count == 0)
                notEmpty.await();
            return dequeue();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

ArrayBlockingQueue采用ReentrantLock进行加锁，只有一个ReentrantLock对象，这意味着生产者和消费者无法并行运行。

我们看一个简单的示例代码如下：

public class Container {

    /**
     * 初始化阻塞队列
     */
    private final BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);

    /**
     * 添加数据到阻塞队列
     * @param value
     */
    public void add(Integer value) {
        try {
            queue.put(value);
            System.out.println("生产者："+ Thread.currentThread().getName()+"，add：" + value);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 从阻塞队列获取数据
     */
    public void get() {
        try {
            Integer value = queue.take();
            System.out.println("消费者："+ Thread.currentThread().getName()+"，value：" + value);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

/**
 * 生产者
 */
public class Producer extends Thread {

    private Container container;

    public Producer(Container container) {
        this.container = container;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 6; i++) {
            container.add(i);
        }
    }
}

/**
 * 消费者
 */
public class Consumer extends Thread {

    private Container container;

    public Consumer(Container container) {
        this.container = container;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 6; i++) {
            container.get();
        }
    }
}

/**
 * 测试类
 */
public class MyThreadTest {

    public static void main(String[] args) {
        Container container = new Container();

        Producer producer = new Producer(container);
        Consumer consumer = new Consumer(container);

        producer.start();
        consumer.start();
    }
}

运行结果如下：

生产者：Thread-0，add：0
生产者：Thread-0，add：1
生产者：Thread-0，add：2
生产者：Thread-0，add：3
生产者：Thread-0，add：4
生产者：Thread-0，add：5
消费者：Thread-1，value：0
消费者：Thread-1，value：1
消费者：Thread-1，value：2
消费者：Thread-1，value：3
消费者：Thread-1，value：4
消费者：Thread-1，value：5

可以很清晰的看到，生产者线程执行完毕之后，消费者线程才开始消费。

3.2、LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue是一个基于链表的阻塞队列，初始化的时候无须指定队列大小，默认队列长度为Integer.MAX_VALUE，也就是 int 型最大值。

同样的，采用的是ReentrantLock和Condition实现生产者和消费者模型，不同的是它使用了两个lock，这意味着生产者和消费者可以并行运行，程序执行效率进一步得到提升。

部分核心源码如下：

public class LinkedBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
        implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {
    /** 使用出队独占锁ReetrantLock */
    private final ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();

    /** 等待出队的条件 */
    private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();

    /** 使用入队独占锁ReetrantLock */
    private final ReentrantLock putLock = new ReentrantLock();

    /** 等待入队的条件 */
    private final Condition notFull = putLock.newCondition();

    /**入队操作*/
    public void put(E e) throws InterruptedException {
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        int c = -1;
        Node<E> node = new Node<E>(e);
        final ReentrantLock putLock = this.putLock;
        final AtomicInteger count = this.count;
        putLock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count.get() == capacity) {
                notFull.await();
            }
            enqueue(node);
            c = count.getAndIncrement();
            if (c + 1 < capacity)
                notFull.signal();
        } finally {
            putLock.unlock();
        }
        if (c == 0)
            signalNotEmpty();
    }

    /**出队操作*/
    public E take() throws InterruptedException {
        E x;
        int c = -1;
        final AtomicInteger count = this.count;
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lockInterruptibly();
        try {
            while (count.get() == 0) {
                notEmpty.await();
            }
            x = dequeue();
            c = count.getAndDecrement();
            if (c > 1)
                notEmpty.signal();
        } finally {
            takeLock.unlock();
        }
        if (c == capacity)
            signalNotFull();
        return x;
    }
}

把最上面的样例Container中的阻塞队列实现类换成LinkedBlockingQueue，调整如下：

/**
 * 初始化阻塞队列
 */
private final BlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>();

再次运行结果如下：

生产者：Thread-0，add：0
消费者：Thread-1，value：0
生产者：Thread-0，add：1
消费者：Thread-1，value：1
生产者：Thread-0，add：2
消费者：Thread-1，value：2
生产者：Thread-0，add：3
生产者：Thread-0，add：4
生产者：Thread-0，add：5
消费者：Thread-1，value：3
消费者：Thread-1，value：4
消费者：Thread-1，value：5

可以很清晰的看到，生产者线程和消费者线程，交替并行执行。

3.3、SynchronousQueue

SynchronousQueue是一个没有缓冲的队列，生产者产生的数据直接会被消费者获取并且立刻消费，相当于传统的一个请求对应一个应答模式。

相比ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue，SynchronousQueue实现机制也不同，它主要采用队列和栈来实现数据的传递，中间不存储任何数据，生产的数据必须得消费者处理，线程阻塞方式采用 JDK 提供的LockSupport park/unpark函数来完成，也支持公平和非公平两种模式。

  • 当采用公平模式时：使用一个 FIFO 队列来管理多余的生产者和消费者
  • 当采用非公平模式时：使用一个 LIFO 栈来管理多余的生产者和消费者，这也是SynchronousQueue默认的模式

部分核心源码如下：

public class SynchronousQueue<E> extends AbstractQueue<E>
    implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {

    /**不同的策略实现*/
    private transient volatile Transferer<E> transferer;

	/**默认非公平模式*/
    public SynchronousQueue() {
        this(false);
    }

    /**可以选策略，也可以采用公平模式*/
    public SynchronousQueue(boolean fair) {
        transferer = fair ? new TransferQueue<E>() : new TransferStack<E>();
    }

	/**入队操作*/
    public void put(E e) throws InterruptedException {
        if (e == null) throw new NullPointerException();
        if (transferer.transfer(e, false, 0) == null) {
            Thread.interrupted();
            throw new InterruptedException();
        }
    }

    /**出队操作*/
    public E take() throws InterruptedException {
        E e = transferer.transfer(null, false, 0);
        if (e != null)
            return e;
        Thread.interrupted();
        throw new InterruptedException();
    }
}

同样的，把最上面的样例Container中的阻塞队列实现类换成SynchronousQueue，代码如下：

public class Container {

    /**
     * 初始化阻塞队列
     */
    private final BlockingQueue<Integer> queue = new SynchronousQueue<>();


    /**
     * 添加数据到阻塞队列
     * @param value
     */
    public void add(Integer value) {
        try {
            queue.put(value);
            Thread.sleep(100);
            System.out.println("生产者："+ Thread.currentThread().getName()+"，add：" + value);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }


    /**
     * 从阻塞队列获取数据
     */
    public void get() {
        try {
            Integer value = queue.take();
            Thread.sleep(200);
            System.out.println("消费者："+ Thread.currentThread().getName()+"，value：" + value);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

再次运行结果如下：

生产者：Thread-0，add：0
消费者：Thread-1，value：0
生产者：Thread-0，add：1
消费者：Thread-1，value：1
生产者：Thread-0，add：2
消费者：Thread-1，value：2
生产者：Thread-0，add：3
消费者：Thread-1，value：3
生产者：Thread-0，add：4
消费者：Thread-1，value：4
生产者：Thread-0，add：5
消费者：Thread-1，value：5

可以很清晰的看到，生产者线程和消费者线程，交替串行执行，生产者每投递一条数据，消费者处理一条数据。

3.4、PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一个基于优先级别的阻塞队列，底层基于数组实现，可以认为是一个无界队列。

PriorityBlockingQueue与ArrayBlockingQueue的实现逻辑，基本相似，也是采用ReentrantLock来实现加锁的操作。

最大不同点在于：

  • 1.PriorityBlockingQueue内部基于数组实现的最小二叉堆算法，可以对队列中的元素进行排序，插入队列的元素需要实现Comparator或者Comparable接口，以便对元素进行排序
  • 2.其次，队列的长度是可扩展的，不需要显式指定长度，上限为Integer.MAX_VALUE - 8

部分核心源码如下：

public class PriorityBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>
    implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {

 	/**队列元素*/
    private transient Object[] queue;

    /**比较器*/
    private transient Comparator<? super E> comparator;

    /**采用ReentrantLock进行加锁*/
    private final ReentrantLock lock;

    /**条件等待与通知*/
    private final Condition notEmpty;

    /**入队操作*/
    public boolean offer(E e) {
        if (e == null)
            throw new NullPointerException();
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        int n, cap;
        Object[] array;
        while ((n = size) >= (cap = (array = queue).length))
            tryGrow(array, cap);
        try {
            Comparator<? super E> cmp = comparator;
            if (cmp == null)
                siftUpComparable(n, e, array);
            else
                siftUpUsingComparator(n, e, array, cmp);
            size = n + 1;
            notEmpty.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
        return true;
    }

    /**出队操作*/
    public E take() throws InterruptedException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lockInterruptibly();
        E result;
        try {
            while ( (result = dequeue()) == null)
                notEmpty.await();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
        return result;
    }
}

同样的，把最上面的样例Container中的阻塞队列实现类换成PriorityBlockingQueue，调整如下：

/**
 * 初始化阻塞队列
 */
private final BlockingQueue<Integer> queue = new PriorityBlockingQueue<>();

生产者插入数据的内容，我们改下插入顺序。

/**
 * 生产者
 */
public class Producer extends Thread {

    private Container container;

    public Producer(Container container) {
        this.container = container;
    }

    @Override
    public void run() {
        container.add(5);
        container.add(3);
        container.add(1);
        container.add(2);
        container.add(0);
        container.add(4);
    }
}

最后运行结果如下：

生产者：Thread-0，add：5
生产者：Thread-0，add：3
生产者：Thread-0，add：1
生产者：Thread-0，add：2
生产者：Thread-0，add：0
生产者：Thread-0，add：4
消费者：Thread-1，value：0
消费者：Thread-1，value：1
消费者：Thread-1，value：2
消费者：Thread-1，value：3
消费者：Thread-1，value：4
消费者：Thread-1，value：5

从日志上可以很明显看出，对于整数，默认情况下，按照升序排序，消费者默认从 0 开始处理。

3.5、DelayQueue

DelayQueue是一个线程安全的延迟队列，存入队列的元素不会立刻被消费，只有到了其指定的延迟时间，才能够从队列中出队。

底层采用的是PriorityQueue来存储元素，DelayQueue的特点在于：插入队列中的数据可以按照自定义的delay时间进行排序，快到期的元素会排列在前面，只有delay时间小于 0 的元素才能够被取出。

部分核心源码如下：

public class DelayQueue<E extends Delayed> extends AbstractQueue<E>
    implements BlockingQueue<E> {

    /**采用ReentrantLock进行加锁*/
    private final transient ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    /**采用PriorityQueue进行存储数据*/
    private final PriorityQueue<E> q = new PriorityQueue<E>();

	/**条件等待与通知*/
    private final Condition available = lock.newCondition();

    /**入队操作*/
    public boolean offer(E e) {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            q.offer(e);
            if (q.peek() == e) {
                leader = null;
                available.signal();
            }
            return true;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    /**出队操作*/
    public E poll() {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            E first = q.peek();
            if (first == null || first.getDelay(NANOSECONDS) > 0)
                return null;
            else
                return q.poll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

同样的，把最上面的样例Container中的阻塞队列实现类换成DelayQueue，代码如下：

public class Container {

    /**
     * 初始化阻塞队列
     */
    private final BlockingQueue<DelayedUser> queue = new DelayQueue<DelayedUser>();


    /**
     * 添加数据到阻塞队列
     * @param value
     */
    public void add(DelayedUser value) {
        try {
            queue.put(value);
            System.out.println("生产者："+ Thread.currentThread().getName()+"，add：" + value);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }


    /**
     * 从阻塞队列获取数据
     */
    public void get() {
        try {
            DelayedUser value = queue.take();
            String time = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(new Date());
            System.out.println(time + " 消费者："+ Thread.currentThread().getName()+"，value：" + value);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

DelayQueue队列中的元素需要显式实现Delayed接口，定义一个DelayedUser类，代码如下：

public class DelayedUser implements Delayed {

    /**
     * 当前时间戳
     */
    private long start;

    /**
     * 延迟时间(单位：毫秒)
     */
    private long delayedTime;

    /**
     * 名称
     */
    private String name;

    public DelayedUser(long delayedTime, String name) {
        this.start = System.currentTimeMillis();
        this.delayedTime = delayedTime;
        this.name = name;
    }

    @Override
    public long getDelay(TimeUnit unit) {
        // 获取当前延迟的时间
        long diffTime = (start + delayedTime) - System.currentTimeMillis();
        return unit.convert(diffTime,TimeUnit.MILLISECONDS);
    }

    @Override
    public int compareTo(Delayed o) {
        // 判断当前对象的延迟时间是否大于目标对象的延迟时间
        return (int) (this.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS) - o.getDelay(TimeUnit.MILLISECONDS));
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "DelayedUser{" +
                "delayedTime=" + delayedTime +
                ", name='" + name + '\'' +
                '}';
    }
}

生产者插入数据的内容，做如下调整。

/**
 * 生产者
 */
public class Producer extends Thread {

    private Container container;

    public Producer(Container container) {
        this.container = container;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 6; i++) {
            container.add(new DelayedUser(1000 * i, "张三" +  i));
        }
    }
}

最后运行结果如下：

生产者：Thread-0，add：DelayedUser{delayedTime=0, name='张三0'}
生产者：Thread-0，add：DelayedUser{delayedTime=1000, name='张三1'}
生产者：Thread-0，add：DelayedUser{delayedTime=2000, name='张三2'}
生产者：Thread-0，add：DelayedUser{delayedTime=3000, name='张三3'}
生产者：Thread-0，add：DelayedUser{delayedTime=4000, name='张三4'}
生产者：Thread-0，add：DelayedUser{delayedTime=5000, name='张三5'}
2023-11-03 14:55:33 消费者：Thread-1，value：DelayedUser{delayedTime=0, name='张三0'}
2023-11-03 14:55:34 消费者：Thread-1，value：DelayedUser{delayedTime=1000, name='张三1'}
2023-11-03 14:55:35 消费者：Thread-1，value：DelayedUser{delayedTime=2000, name='张三2'}
2023-11-03 14:55:36 消费者：Thread-1，value：DelayedUser{delayedTime=3000, name='张三3'}
2023-11-03 14:55:37 消费者：Thread-1，value：DelayedUser{delayedTime=4000, name='张三4'}
2023-11-03 14:55:38 消费者：Thread-1，value：DelayedUser{delayedTime=5000, name='张三5'}

可以很清晰的看到，延迟时间最低的排在最前面。

四、小结

最后我们来总结一下BlockingQueue阻塞队列接口，它提供了很多非常丰富的生产者和消费者模型的编程实现，同时兼顾了线程安全和执行效率的特点。

开发者可以通过BlockingQueue阻塞队列接口，简单的代码编程即可实现多线程中数据高效安全传输的目的，确切的说，它帮助开发者减轻了不少的编程难度。

在实际的业务开发中，其中LinkedBlockingQueue使用的是最广泛的，因为它的执行效率最高，在使用的时候，需要平衡好队列长度，防止过大导致内存溢出。

举个最简单的例子，比如某个功能上线之后，需要做下压力测试，总共需要请求 10000 次，采用 100 个线程去执行，测试服务是否能正常工作。如何实现呢？

可能有的同学想到，每个线程执行 100 次请求，启动 100 个线程去执行，可以是可以，就是有点笨拙。

其实还有另一个办法，就是将 10000 个请求对象，存入到阻塞队列中，然后采用 100 个线程去消费执行，这种编程模型会更佳灵活。

具体示例代码如下：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    // 将每个用户访问百度服务的请求任务，存入阻塞队列中
    // 也可以也采用多线程写入
    BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>();
    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
        queue.put("https://www.baidu.com?paramKey=" + i);
    }

    // 模拟100个线程，执行10000次请求访问百度
    final int threadNum = 100;
    for (int i = 0; i < threadNum; i++) {
        final int threadCount = i + 1;
        new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                System.out.println("thread " + threadCount + " start");
                boolean over = false;
                while (!over) {
                    String url = queue.poll();
                    if(Objects.nonNull(url)) {
                        // 发起请求
                        String result =HttpUtils.getUrl(url);
                        System.out.println("thread " + threadCount + " run result:" + result);
                    }else {
                        // 任务结束
                        over = true;
                        System.out.println("thread " + threadCount + " final");
                    }
                }
            }
        }).start();
    }
}

本文主要围绕BlockingQueue阻塞队列接口，从方法介绍到用法详解，做了一次知识总结，如果有描述不对的地方，欢迎留言指出！

五、参考

1、https://www.cnblogs.com/xrq730/p/4855857.html

2、https://juejin.cn/post/6999798721269465102

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