切片的解析
当我们的代码敲下[]
时,便会被go编译器解析为抽象语法树上的切片节点, 被初始化为切片表达式SliceType
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// go/src/cmd/compile/internal/syntax/parser.go // TypeSpec = identifier [ TypeParams ] [ "=" ] Type . func (p *parser) typeDecl(group *Group) Decl { ... if p.tok == _Lbrack { // d.Name "[" ... // array/slice type or type parameter list pos := p.pos() p.next() switch p.tok { ... case _Rbrack: // d.Name "[" "]" ... p.next() d. Type = p.sliceType(pos) ... } } ... } func (p *parser) sliceType(pos Pos) Expr { t := new (SliceType) t.pos = pos t.Elem = p.type_() return t } // go/src/cmd/compile/internal/syntax/nodes.go type ( ... // []Elem SliceType struct { Elem Expr expr } ... ) |
编译时切片定义为Slice
结构体,属性只包含同一类型的元素Elem
,编译时通过NewSlice()
函数进行创建:
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// go/src/cmd/compile/internal/types/type.go type Slice struct { Elem * Type // element type } func NewSlice(elem * Type ) * Type { if t := elem.cache.slice; t != nil { if t.Elem() != elem { base.Fatalf( "elem mismatch" ) } if elem.HasTParam() != t.HasTParam() || elem.HasShape() != t.HasShape() { base.Fatalf( "Incorrect HasTParam/HasShape flag for cached slice type" ) } return t } t := newType(TSLICE) t.extra = Slice{Elem: elem} elem.cache.slice = t if elem.HasTParam() { t.SetHasTParam( true ) } if elem.HasShape() { t.SetHasShape( true ) } return t } |
切片的初始化
切片有两种初始化方式,一种声明即初始化称为字面量初始化,一种称为make
初始化,
例如:
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litSlic := [] int { 1 , 2 , 3 , 4 } // 字面量初始化 makeSlic := make ([] int , 0 ) // make初始化 |
字面量初始化
切片字面量的初始化是在生成抽象语法树后进行遍历的walk
阶段完成的。通过walkComplit
方法,首先会进行类型检查,此时会计算出切片元素的个数length
,然后通过slicelit
方法完成具体的初始化工作。整个过程会先创建一个数组存储于静态区(static array)
,并在堆区创建一个新的切片(auto array)
,然后将静态区的数据复制到堆区(copy the static array to the auto array)
,对于切片中的元素会按索引位置一个一个的进行赋值。 在程序启动时这一过程会加快切片的初始化。
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// go/src/cmd/compile/internal/walk/complit.go // walkCompLit walks a composite literal node: // OARRAYLIT, OSLICELIT, OMAPLIT, OSTRUCTLIT (all CompLitExpr), or OPTRLIT (AddrExpr). func walkCompLit(n ir.Node, init *ir.Nodes) ir.Node { if isStaticCompositeLiteral(n) && !ssagen.TypeOK(n. Type ()) { n := n.(*ir.CompLitExpr) // not OPTRLIT // n can be directly represented in the read-only data section. // Make direct reference to the static data. See issue 12841. vstat := readonlystaticname(n. Type ()) fixedlit(inInitFunction, initKindStatic, n, vstat, init) return typecheck.Expr(vstat) } var_ := typecheck.Temp(n. Type ()) anylit(n, var_, init) return var_ } |
类型检查时,计算出切片长度的过程为:
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// go/src/cmd/compile/internal/typecheck/expr.go func tcCompLit(n *ir.CompLitExpr) (res ir.Node) { ... t := n. Type () base.AssertfAt(t != nil , n.Pos(), "missing type in composite literal" ) switch t.Kind() { ... case types.TSLICE: length := typecheckarraylit(t.Elem(), - 1 , n.List, "slice literal" ) n.SetOp(ir.OSLICELIT) n. Len = length ... } return n } |
切片的具体初始化过程为:
- 在静态存储区创建一个数组;
- 将数组赋值给一个常量部分;
- 创建一个自动指针即切片分配到堆区,并指向数组;
- 将数组中的数据从静态区拷贝到切片的堆区;
- 对每一个切片元素按索引位置分别进行赋值;
- 最后将分配到堆区的切片赋值给定义的变量;
源代码通过注释也写明了整个过程。
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// go/src/cmd/compile/internal/walk/complit.go func anylit(n ir.Node, var_ ir.Node, init *ir.Nodes) { t := n. Type () switch n.Op() { ... case ir.OSLICELIT: n := n.(*ir.CompLitExpr) slicelit(inInitFunction, n, var_, init) ... } } func slicelit(ctxt initContext, n *ir.CompLitExpr, var_ ir.Node, init *ir.Nodes) { // make an array type corresponding the number of elements we have t := types.NewArray(n. Type ().Elem(), n. Len ) types.CalcSize(t) if ctxt == inNonInitFunction { // put everything into static array vstat := staticinit.StaticName(t) fixedlit(ctxt, initKindStatic, n, vstat, init) fixedlit(ctxt, initKindDynamic, n, vstat, init) // copy static to slice var_ = typecheck.AssignExpr(var_) name, offset, ok := staticinit.StaticLoc(var_) if !ok || name.Class != ir.PEXTERN { base.Fatalf( "slicelit: %v" , var_) } staticdata.InitSlice(name, offset, vstat.Linksym(), t.NumElem()) return } // recipe for var = []t{...} // 1. make a static array // var vstat [...]t // 2. assign (data statements) the constant part // vstat = constpart{} // 3. make an auto pointer to array and allocate heap to it // var vauto *[...]t = new([...]t) // 4. copy the static array to the auto array // *vauto = vstat // 5. for each dynamic part assign to the array // vauto[i] = dynamic part // 6. assign slice of allocated heap to var // var = vauto[:] // // an optimization is done if there is no constant part // 3. var vauto *[...]t = new([...]t) // 5. vauto[i] = dynamic part // 6. var = vauto[:] // if the literal contains constants, // make static initialized array (1),(2) var vstat ir.Node mode := getdyn(n, true ) if mode&initConst != 0 && !isSmallSliceLit(n) { if ctxt == inInitFunction { vstat = readonlystaticname(t) } else { vstat = staticinit.StaticName(t) } fixedlit(ctxt, initKindStatic, n, vstat, init) } // make new auto *array (3 declare) vauto := typecheck.Temp(types.NewPtr(t)) // set auto to point at new temp or heap (3 assign) var a ir.Node if x := n.Prealloc; x != nil { // temp allocated during order.go for dddarg if !types.Identical(t, x. Type ()) { panic ( "dotdotdot base type does not match order's assigned type" ) } a = initStackTemp(init, x, vstat) } else if n.Esc() == ir.EscNone { a = initStackTemp(init, typecheck.Temp(t), vstat) } else { a = ir.NewUnaryExpr(base.Pos, ir.ONEW, ir.TypeNode(t)) } appendWalkStmt(init, ir.NewAssignStmt(base.Pos, vauto, a)) if vstat != nil && n.Prealloc == nil && n.Esc() != ir.EscNone { // If we allocated on the heap with ONEW, copy the static to the // heap (4). We skip this for stack temporaries, because // initStackTemp already handled the copy. a = ir.NewStarExpr(base.Pos, vauto) appendWalkStmt(init, ir.NewAssignStmt(base.Pos, a, vstat)) } // put dynamics into array (5) var index int64 for _, value := range n.List { if value.Op() == ir.OKEY { kv := value.(*ir.KeyExpr) index = typecheck.IndexConst(kv.Key) if index < 0 { base.Fatalf( "slicelit: invalid index %v" , kv.Key) } value = kv.Value } a := ir.NewIndexExpr(base.Pos, vauto, ir.NewInt(index)) a.SetBounded( true ) index++ // TODO need to check bounds? switch value.Op() { case ir.OSLICELIT: break case ir.OARRAYLIT, ir.OSTRUCTLIT: value := value.(*ir.CompLitExpr) k := initKindDynamic if vstat == nil { // Generate both static and dynamic initializations. // See issue #31987. k = initKindLocalCode } fixedlit(ctxt, k, value, a, init) continue } if vstat != nil && ir.IsConstNode(value) { // already set by copy from static value continue } // build list of vauto[c] = expr ir.SetPos(value) as := ir.NewAssignStmt(base.Pos, a, value) appendWalkStmt(init, orderStmtInPlace(typecheck.Stmt(as), map [ string ][]*ir.Name{})) } // make slice out of heap (6) a = ir.NewAssignStmt(base.Pos, var_, ir.NewSliceExpr(base.Pos, ir.OSLICE, vauto, nil , nil , nil )) appendWalkStmt(init, orderStmtInPlace(typecheck.Stmt(a), map [ string ][]*ir.Name{})) } |
make初始化
当使用make
初始化一个切片时,会被编译器解析为一个OMAKESLICE
操作:
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// go/src/cmd/compile/internal/walk/expr.go func walkExpr1(n ir.Node, init *ir.Nodes) ir.Node { switch n.Op() { ... case ir.OMAKESLICE: n := n.(*ir.MakeExpr) return walkMakeSlice(n, init) ... } |
如果make
初始化一个较大的切片则会逃逸到堆中,如果分配了一个较小的切片则直接在栈中分配。
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在
walkMakeSlice
函数中,如果未指定切片的容量Cap
,则初始容量等于切片的长度。 -
如果切片的初始化未发生内存逃逸
n.Esc() == ir.EscNone
,则会先在内存中创建一个同样容量大小的数组NewArray()
, 然后按切片长度将数组中的值arr[:l]
赋予切片。 -
如果发生了内存逃逸,切片会调用运行时函数
makeslice
和makeslice64
在堆中完成对切片的初始化。
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// go/src/cmd/compile/internal/walk/builtin.go func walkMakeSlice(n *ir.MakeExpr, init *ir.Nodes) ir.Node { l := n. Len r := n. Cap if r == nil { r = safeExpr(l, init) l = r } ... if n.Esc() == ir.EscNone { if why := escape.HeapAllocReason(n); why != "" { base.Fatalf( "%v has EscNone, but %v" , n, why) } // var arr [r]T // n = arr[:l] i := typecheck.IndexConst(r) if i < 0 { base.Fatalf( "walkExpr: invalid index %v" , r) } ... t = types.NewArray(t.Elem(), i) // [r]T var_ := typecheck.Temp(t) appendWalkStmt(init, ir.NewAssignStmt(base.Pos, var_, nil )) // zero temp r := ir.NewSliceExpr(base.Pos, ir.OSLICE, var_, nil , l, nil ) // arr[:l] // The conv is necessary in case n.Type is named. return walkExpr(typecheck.Expr(typecheck.Conv(r, n. Type ())), init) } // n escapes; set up a call to makeslice. // When len and cap can fit into int, use makeslice instead of // makeslice64, which is faster and shorter on 32 bit platforms. len , cap := l, r fnname := "makeslice64" argtype := types.Types[types.TINT64] // Type checking guarantees that TIDEAL len/cap are positive and fit in an int. // The case of len or cap overflow when converting TUINT or TUINTPTR to TINT // will be handled by the negative range checks in makeslice during runtime. if ( len . Type ().IsKind(types.TIDEAL) || len . Type ().Size() <= types.Types[types.TUINT].Size()) && ( cap . Type ().IsKind(types.TIDEAL) || cap . Type ().Size() <= types.Types[types.TUINT].Size()) { fnname = "makeslice" argtype = types.Types[types.TINT] } fn := typecheck.LookupRuntime(fnname) ptr := mkcall1(fn, types.Types[types.TUNSAFEPTR], init, reflectdata.TypePtr(t.Elem()), typecheck.Conv( len , argtype), typecheck.Conv( cap , argtype)) ptr.MarkNonNil() len = typecheck.Conv( len , types.Types[types.TINT]) cap = typecheck.Conv( cap , types.Types[types.TINT]) sh := ir.NewSliceHeaderExpr(base.Pos, t, ptr, len , cap ) return walkExpr(typecheck.Expr(sh), init) } |
切片在栈中初始化还是在堆中初始化,存在一个临界值进行判断。临界值maxImplicitStackVarSize
默认为64kb。从下面的源代码可以看到,显式变量声明explicit variable declarations
和隐式变量implicit variables
逃逸的临界值并不一样。
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当我们使用
var变量声明
以及:=赋值操作
时,内存逃逸的临界值为10M
, 小于该值的对象会分配在栈中。 -
当我们使用如下操作时,内存逃逸的临界值为
64kb
,小于该值的对象会分配在栈中。
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p := new (T) p := &T{} s := make ([]T, n) s := [] byte ( "..." ) |
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// go/src/cmd/compile/internal/ir/cfg.go var ( // maximum size variable which we will allocate on the stack. // This limit is for explicit variable declarations like "var x T" or "x := ...". // Note: the flag smallframes can update this value. MaxStackVarSize = int64 ( 10 * 1024 * 1024 ) // maximum size of implicit variables that we will allocate on the stack. // p := new(T) allocating T on the stack // p := &T{} allocating T on the stack // s := make([]T, n) allocating [n]T on the stack // s := []byte("...") allocating [n]byte on the stack // Note: the flag smallframes can update this value. MaxImplicitStackVarSize = int64 ( 64 * 1024 ) // MaxSmallArraySize is the maximum size of an array which is considered small. // Small arrays will be initialized directly with a sequence of constant stores. // Large arrays will be initialized by copying from a static temp. // 256 bytes was chosen to minimize generated code + statictmp size. MaxSmallArraySize = int64 ( 256 ) ) |
切片的make初始化就属于s := make([]T, n)
操作,当切片元素分配的内存大小大于64kb
时, 切片会逃逸到堆中进行初始化。此时会调用运行时函数makeslice
来完成这一个过程:
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// go/src/runtime/slice.go func makeslice(et *_type, len , cap int ) unsafe.Pointer { mem, overflow := math.MulUintptr(et.size, uintptr ( cap )) if overflow || mem > maxAlloc || len < 0 || len > cap { // NOTE: Produce a 'len out of range' error instead of a // 'cap out of range' error when someone does make([]T, bignumber). // 'cap out of range' is true too, but since the cap is only being // supplied implicitly, saying len is clearer. // See golang.org/issue/4085. mem, overflow := math.MulUintptr(et.size, uintptr ( len )) if overflow || mem > maxAlloc || len < 0 { panicmakeslicelen() } panicmakeslicecap() } return mallocgc(mem, et, true ) } |
根据切片的运行时结构定义,运行时切片结构底层维护着切片的长度len
、容量cap
以及指向数组数据的指针array
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// go/src/runtime/slice.go type slice struct { array unsafe.Pointer len int cap int } // 或者 // go/src/reflect/value.go // SliceHeader is the runtime representation of a slice. type SliceHeader struct { Data uintptr Len int Cap int } |
切片的截取
从切片的运行时结构已经知道,切片底层数据是一个数组,切片本身只是持有一个指向改数组数据的指针。因此,当我们对切片进行截取操作时,新的切片仍然指向原切片的底层数据,当对原切片数据进行更新时,意味着新切片相同索引位置的数据也发生了变化:
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slic := [] int { 1 , 2 , 3 , 4 , 5 } slic1 := slic[: 2 ] fmt.Printf( "slic1: %v\n" , slic1) slic[ 0 ] = 0 fmt.Printf( "slic: %v\n" , slic) fmt.Printf( "slic1: %v\n" , slic1) // slic1: [1 2] // slic: [0 2 3 4 5] // slic1: [0 2] |
切片截取后,虽然底层数据没有发生变化,但指向的数据范围发生了变化,表现为截取后的切片长度、容量会相应发生变化:
- 长度为截取的范围
- 容量为截取起始位置到原切片末尾的范围
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slic := [] int { 1 , 2 , 3 , 4 , 5 } slic1 := slic[: 2 ] slic2 := slic[ 2 :] fmt.Printf( "len(slic): %v\n" , len (slic)) fmt.Printf( "cap(slic): %v\n" , cap (slic)) fmt.Printf( "len(slic1): %v\n" , len (slic1)) fmt.Printf( "cap(slic1): %v\n" , cap (slic1)) fmt.Printf( "len(slic2): %v\n" , len (slic2)) fmt.Printf( "cap(slic2): %v\n" , cap (slic2)) // len(slic): 5 // cap(slic): 5 // len(slic1): 2 // cap(slic1): 5 // len(slic2): 3 // cap(slic2): 3 |
所以,切片截取变化的是底层data指针、长度以及容量,data指针指向的数组数据本身没有变化。切片的赋值拷贝就等价于于全切片,底层data
指针仍然指向相同的数组地址,长度和容量保持不变:
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slic := [] int { 1 , 2 , 3 , 4 , 5 } s := slic // 等价于 s := slic[:] |
当切片作为参数传递时,即使切片中包含大量的数据,也只是切片数据地址的拷贝,拷贝的成本是较低的。
切片的复制
当我们想要完整拷贝一个切片时,可以使用内置的copy
函数,效果类似于"深拷贝"。
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slic := [] int { 1 , 2 , 3 , 4 , 5 } var slic1 [] int copy (slic1, slic) fmt.Printf( "slic: %p\n" , slic) fmt.Printf( "slic1: %p\n" , slic1) // slic: 0xc0000aa030 // slic1: 0x0 |
完整复制后,新的切片指向了新的内存地址。切片的复制在运行时会调用slicecopy()
函数,通过memmove
移动数据到新的内存地址:
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// go/src/runtime/slice.go func slicecopy(toPtr unsafe.Pointer, toLen int , fromPtr unsafe.Pointer, fromLen int , width uintptr ) int { if fromLen == 0 || toLen == 0 { return 0 } n := fromLen if toLen < n { n = toLen } ... if size == 1 { // common case worth about 2x to do here // TODO: is this still worth it with new memmove impl? *(* byte )(toPtr) = *(* byte )(fromPtr) // known to be a byte pointer } else { memmove(toPtr, fromPtr, size) } return n } |
切片的扩容
切片元素个数可以动态变化,切片初始化后会确定一个初始化容量,当容量不足时会在运行时通过growslice
进行扩容:
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func growslice(et *_type, old slice, cap int ) slice { ... newcap := old. cap doublecap := newcap + newcap if cap > doublecap { newcap = cap } else { const threshold = 256 if old. cap < threshold { newcap = doublecap } else { // Check 0 < newcap to detect overflow // and prevent an infinite loop. for 0 < newcap && newcap < cap { // Transition from growing 2x for small slices // to growing 1.25x for large slices. This formula // gives a smooth-ish transition between the two. newcap += (newcap + 3 *threshold) / 4 } // Set newcap to the requested cap when // the newcap calculation overflowed. if newcap <= 0 { newcap = cap } } } ... memmove(p, old.array, lenmem) return slice{p, old. len , newcap} } |
从growslice的代码可以看出:
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当新申请的容量(
cap
)大于二倍旧容量(old.cap
)时,最终容量(newcap
)是新申请的容量; -
当新申请的容量(
cap
)小于二倍旧容量(old.cap
)时,- 如果旧容量小于256,最终容量为旧容量的2倍;
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如果旧容量大于等于256,则会按照公式
newcap += (newcap + 3*threshold) / 4
来确定最终容量。实际的表现为:
- 当切片长度小于等于1024时,最终容量是旧容量的2倍;
- 当切片长度大于1024时,最终容量是旧容量的1.25倍,随着长度的增长,大于1.25倍;
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扩容后,会通过
memmove()
函数将旧的数组移动到新的地址,因此扩容后新的切片一般和原来的地址不同。
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var slic [] int oldCap := cap (slic) for i := 0 ; i < 2048 ; i++ { slic = append (slic, i) newCap := cap (slic) grow := float32 (newCap) / float32 (oldCap) if newCap != oldCap { fmt.Printf( "len(slic):%v cap(slic):%v grow:%v %p\n" , len (slic), cap (slic), grow, slic) } oldCap = newCap } // len(slic):1 cap(slic):1 grow:+Inf 0xc0000140c0 // len(slic):2 cap(slic):2 grow:2 0xc0000140e0 // len(slic):3 cap(slic):4 grow:2 0xc000020100 // len(slic):5 cap(slic):8 grow:2 0xc00001e340 // len(slic):9 cap(slic):16 grow:2 0xc000026080 // len(slic):17 cap(slic):32 grow:2 0xc00007e000 // len(slic):33 cap(slic):64 grow:2 0xc000100000 // len(slic):65 cap(slic):128 grow:2 0xc000102000 // len(slic):129 cap(slic):256 grow:2 0xc000104000 // len(slic):257 cap(slic):512 grow:2 0xc000106000 // len(slic):513 cap(slic):1024 grow:2 0xc000108000 // len(slic):1025 cap(slic):1280 grow:1.25 0xc00010a000 // len(slic):1281 cap(slic):1696 grow:1.325 0xc000114000 // len(slic):1697 cap(slic):2304 grow:1.3584906 0xc00011e000 |
总结
切片在编译时定义为Slice
结构体,并通过NewSlice()
函数进行创建;
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type Slice struct { Elem * Type // element type } |
切片的运行时定义为slice
结构体, 底层维护着指向数组数据的指针,切片长度以及容量;
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type slice struct { array unsafe.Pointer len int cap int } |
- 切片字面量初始化时,会在编译时的类型检查阶段计算出切片的长度,然后在walk遍历语法树时创建底层数组,并将切片中的每个字面量元素按索引赋值给数组,切片的数据指针指向该数组;
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切片make初始化时,会调用运行时
makeslice
函数进行内存分配,当内存占用大于64kb时会逃逸到堆中; -
切片截取后,底层数组数据没有发生变化,但指向的数据范围发生了变化,表现为截取后的切片长度、容量会相应发生变化:
- 长度为截取的范围
- 容量为截取起始位置到原切片末尾的范围
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使用
copy
复制切片时,会在运行时会调用slicecopy()
函数,通过memmove
移动数据到了新的内存地址; -
切片扩容是通过运行时
growslice
函数完成的,一般表现为:- 当切片长度小于等于1024时,最终容量是旧容量的2倍;
- 当切片长度大于1024时,最终容量是旧容量的1.25倍,并随着长度的增长,缓慢大于1.25倍;
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扩容时会通过
memmove()
函数将旧的数组移动到新的地址,因此扩容后地址会发生变化。
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