1 string类介绍
C++ 的 string 类是 C++ 标准库中提供的一个用于处理字符串的类。它在 C++ 的历史中扮演了重要的角色,为字符串处理提供了更加方便、高效的方法。
在 C++ 的早期版本中,字符串处理并不是一个简单的事情。在 C++ 的最初版本中,字符串被处理为 char* 类型的指针,这使得字符串处理变得非常复杂,容易出错。例如,简单的字符串连接操作都需要手动管理内存,这无疑增加了编程的难度。
为了解决这个问题,C++98 引入了 头文件,其中包含了 string 类。这个类的引入,可以说是一场革命,因为它提供了一个安全、方便、可移植的字符串处理方式。也为以后STL的出现埋下了伏笔…
在现实生活中,string也有着大量的应用:
- 社交媒体: 当你在社交媒体上发布状态或评论时,你输入的文字内容会存储在一个 string 变量中。例如,你可能会写一条消息 like “I had a great day at the park!”,这条消息就是存储在一个 string 变量中的。
- 、电子邮件: 当你写一封电子邮件时,正文内容、主题行和收件人地址等都可能是 string 类型的。例如,你可能会写一封主题为 “Meeting Invitation” 的邮件,内容为 “Dear John, please join us for a meeting at 10am tomorrow.”,这些内容都是以 string 形式存储的。
- 购物车: 在在线购物时,你的购物车中商品的名称、价格和数量等信息通常会存储在 string 类型的变量中。例如,你的购物车中可能有 “T-shirt”、" Jeans" 和 “Shoes” 等商品,这些商品名称都是以 string 形式存储的。
- 等等等…
这里我们不管他的底层:basic_string模板类的别名,typedef basic_stringstring;
我们通过类与对象的相关知识来尝试完成 string项目!我们将通过先描述,在落地的原则开始,只有明白了功能模块,才能流畅的写出string。
2 功能描述
首先我们必须明白我们需要什么功能,所以我们可以熟悉一下官方的常用接口:string使用手册
当然,从实际出发不失为一种更好的选择,想象一下使用场景:
- 第一,因为本质是字符串,所以我们需要成员函数 char* _str,并且要做到很好控制的话还需要 数据大小size_t _size 和容量 size_t capacity。
- 第二,构造函数,析构函数必须要有的,而且构造函数需要支持多种构造方法(常量字符串,拷贝构造,空类构造)。
- 第三,我们一定要支持输入字符串来构造string类和输出string,这就需要做到<< >>的重载了。
- 第亖,要想实现输入>>的重载,就要辅助实现push_back尾插函数,实现了尾插那 +=的操作重载也就完成了。
- 第五,我们还需要通过对比大小的一系列操作符(
== <= >= > < !=
)的重载。 - 第六,根据字符串输入的特性,为了我们可以从一行中正确读取数据,我们还需getline函数来实现功能。
- 第七,回到最基础的功能增删查改,所以我们可以增加指定位置插入,指定位置删除,查找字符串等功能。
- 第八,对于C++新增特性迭代器,我们也可以用指针模拟实现一下。
- 第九,既然支持了迭代器,那最原始的小标操作也要支持一下。
以上就是对一个字符串类可能需要的功能的全面总结,通过实现这些功能,我们可以创建出一个既实用又灵活的字符串操作工具
接下来,我们将根据之前列出的功能需求,逐步实施我们的字符串模拟项目。在编写代码的过程中,我们必须保持细心和谨慎,这样可以避免后期出现不必要的调试困扰。
3 代码实现
在实现这个项目的过程中,我们需要注意以下几点:
- 保持代码的清晰和可读性(重中之重):在编写代码时,要注意命名规范、代码结构和注释,使得其他人能够轻松理解我们的代码。
- 模块化设计:将代码分为多个模块,每个模块负责一个特定的功能。这样可以降低代码的复杂度,也便于后期的维护和扩展。
- 充分测试(一定一定!!!):在代码实现完成后,要进行充分的测试,确保每个功能的正确性和稳定性。我们可以使用单元测试和集成测试来验证代码的质量。
- 优化性能:在保证功能实现的基础上,尽量优化代码的性能。我们可以关注一些常见的性能瓶颈,如内存分配、字符串拼接等,并寻求优化的方法。
总之,在实现这个项目的过程中,我们要注重代码的质量、可读性和可维护性。只有这样,我们才能构建出一个高效、稳定且易于扩展的字符串模拟类。接下来,让我们开始编写代码吧!
3.0 基础框架
我们先根据功能写一下大概的功能框架,方便书写:(其中许多函数需要重载多个)
#pragma once #include<iostream> #include<string.h> #include<assert.h> using namespace std; namespace bit { class string { public: //默认结尾 static const int npos; //构造函数 string() : { } string(const char* str = "") { } string(const string& s = "") { } //析构函数 ~string() { } //取等操作 string& operator=(string s) { } //迭代器模拟 char* begin() { } char* end() { } //逆转迭代器 char* rbegin() { } char* rend() { } //交换 void swap(string& s) { } //从pos位置开始搜索寻找ch第一次出现的位置 size_t find(const char ch, size_t pos = 0) { } //从pos位置开始搜索寻找 字符串s 第一次出现的位置 size_t find(const char* s, size_t pos = 0) { } //在pos位置插入字符 void insert(const char ch, size_t pos = 0) { } //在pos位置插入字符串 void insert(const char* s, size_t pos = 0) { } //返回成员变量 size_t size() const{ } size_t capacity() const { } //扩容操作 void reserve(size_t n){ } //重置数据大小 void resize(size_t n , char ch = '\0') { } //在pos位置后消除 n 个元素 void erase(size_t pos, size_t n = npos) { } //尾插 void push_back(const char* s) { } void push_back(char s) { } //清空 void clear() { } //+=操作符重载 void operator+= (const char* s) { } void operator+= (char s) { } //运算符重载 friend ostream& operator<< (ostream& out, const string& str); bool operator==(const string& s) { } bool operator>(const string& s) { } bool operator>=(const string& s) { } bool operator<=(const string& s) { } bool operator<(const string& s) { } bool operator!=(const string& s) { } //私有成员函数 private: char* _str; size_t _size; size_t _capacity; }; //流操作符重载 ostream& operator<< (ostream& out, const bit::string& str) { } istream& operator>> (istream& in, bit::string& str) { } //获取一行 istream& getline(istream& in, string& s) { } //结尾赋值 const int string::npos = -1;
框架写好,我们就可以开始逐个实现,一定注意其中的逻辑,不要刻意去实现一个功能,要联系其他功能,看看是否存在联系,进而通过调用函数简便我们的实现过程。
3.1 构造函数 和 析构函数
构造函数我们使用全却省,拷贝构造2个:这里注意初始化列表的使用
因为涉及了指针操作,所以必要的初始化是十分需要的
全缺省构造函数十分好用
//常量字符串构造 string(const char* str = "") :_str(new char[strlen(str) + 1]), _size(strlen(str)), _capacity(strlen(str) + 1) { //调用函数简单完成 strcpy(_str, str); } //拷贝构造 //这里使用到了 = 重载,所以它测试可以等到实现操作符重载之后在实现。 string(const string& s = "") : _str(new char[s._capacity + 1]) ,_size(0) ,_capacity(0) { strcpy(_str, s._str); _size = s._size; _capacity = s._capacity; }
析构函数就简单的多:正常释放空间即可
~string() { delete[] _str; _str = nullptr; _size = 0; _capacity = 0; }
再来增加一些获取私有变量的函数:
//返回成员变量 size_t size() const{ return _size; } size_t capacity() const{ return _capacity; }
3.2 流操作符重载 和 尾插扩容
接下来我们实现一下流操作符,方便我们可以快速进行一下测试。
对于流操作我们应该写在全局,这就可以正常的传入参数,不然就会报错哦。
//简单打印即可,注意设置友元哦 ostream& operator<< (ostream& out, const bit::string& str) { out << str._str; return out; } //这里是优化版本,可以避免频繁开空间,优化性能 istream& operator>> (istream& in, bit::string& str) { str.clear(); char* buff = new char[128]; char ch; ch = in.get(); int count = 0; //先存入中间数组再存入string中 while (ch != '\n' && ch != ' ') { buff[count++] = ch; ch = in.get(); if (count >= 127) { buff[127] = '\0'; str.push_back(buff); count = 0; } } buff[count] = '\0'; str.push_back(buff); return in; }
这里我们发现我们需要实现一下尾插操作才好进行流输入操作。看,这样一步一步我们就可以完成所需功能。
尾插 push_back
//插入字符串 void push_back(const char* s) { //先扩容!!! while (_size + strlen(s) >= _capacity) { reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity); } //然后依次读入即可 for (size_t i = 0; i < strlen(s); i++) { _str[_size++] = s[i]; } _str[_size] = '\0'; } //插入单个字符 void push_back(char s) { while (_size + 1 >= _capacity) { reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity); } _str[_size++] = s; _str[_size] = '\0'; }
可以想到,要实现尾插,扩容是必不可少的!!
再补充一个更改数据大小的函数。
扩容 reserve
void reserve(size_t n) { if (n > _capacity) { char* tmp = new char[n + 1]; strcpy(tmp, _str); delete[] _str; _str = tmp; _capacity = n; } } //重置数据大小 void resize(size_t n , char ch = '\0') { if ( n <= _size ) { _str[n] = '\0'; _size = n; } else { reserve(n); for (size_t i = _size; i < n; i++) { _str[i] = ch; } _str[n] = '\0'; _size = n; } }
这样我们 就初步完成了局部的可执行程序。接下来我们进行第一次测试来看是否能够成功运行
void test_string1(){ bit::string s1("123 456"); bit::string s2(""); cout << "\n-------流输出测试--------\n"; cout << s1 << endl; cout << s1.size() << ' ' << s1.capacity(); s1.push_back("abcdefg"); cout << "\n-------尾插测试--------\n"; cout << s1 << endl; cout << s1.size() << ' ' << s1.capacity(); cout << "\n-------流输入测试--------\n"; cin >> s2; cout << s2 << endl; cout << s2.size() << ' ' << s2.capacity(); }
来看效果:
这样我们初步就完成了我们基础功能。接下来我们继续实现!
3.4 运算符重载
这部分比较简单:
实现两个之后,就可以来回使用完成六个函数的书写!这是运算逻辑的体现,让我们的代码变得简洁明朗,减少冗杂,增加代码的可读性。
bool operator==(const string& s) { if (strcmp(_str, s._str) == 0) return true; else return false; } bool operator>(const string& s) { if (strcmp(_str, s._str) > 0) return true; else return false; } bool operator>=(const string& s) { return _str == s._str || _str > s._str; } bool operator<=(const string& s) { return !(_str > s._str); } bool operator<(const string& s) { return !(_str >= s._str); } bool operator!=(const string& s) { return !(_str == s._str); } string& operator=(string s) { //现代写法 //swap(tmp); char* tmp = new char[s._capacity + 1]; strcpy(tmp, s._str); delete[] _str; _str = tmp; _size = s._size; _capacity = s._capacity; return *this; } //交换 void swap(string& s) { std::swap(_str, s._str); std::swap(_size, s._size); std::swap(_capacity, s._capacity); }
然后我们来完成十分常用的+=操作,不用多说,这个底层逻辑和push_back是一致的,所以在底层直接调用即可,这样也变向保证了代码的鲁棒性,只需对一个功能做出维护,既可以扩展出其他接口。
注意这里面 的 = 重载,现代写法更加简单 只需一步 swap即可。这十分巧妙,通过调用不同函数就帮助我们改善了代码的复杂性。
//提供两个重载,让其使用体验更好 void operator+= (const char* s) { push_back(s); } void operator+= (char ch) { push_back(ch); }
然后,再来测试一下,保证我们的功能可以正常使用,一定一定要测试哦!测试十分重要,千万不能忽视!!!小心驶得万年船!
void test_string2(){ bit::string s1("123 456"); bit::string s2("123"); cout<< "-----------比较测试--------------\n" ; cout << (s2 == s1) << endl; cout << (s2 < s1) << endl; cout << (s2 > s1) << endl; cout << (s2 <= s1) << endl; cout << (s2 >= s1) << endl; cout << (s2 != s1) << endl; cout<< "-----------+=测试--------------\n" ; bit::string s3("123456789"); s3 += "abc"; char ch = '1'; s3 += ch; cout << s3; }
我们进行了每个操作符的测试和+= 单个字符 与字符串的测试。正常通过测试,返回的0 1 值符合我们的要求。
3.5 实用功能
上述我们已经实现了基本的功能,接下来我们要加入一些比较实用的功能,比如查找,指定位置插入,指定位置删除,获取一行的字符。这些函数大大加强了string 的可操作性,让string更加使用,与普通的 char 类型拉开差距!
注意我们都要提供两种重载,保证单个字符和字符串都可以正常进行操作
//指定位置删除 void erase(size_t pos, size_t n = npos) { assert(pos < _size); //n >= _size - pos 防止溢出!!! if (n == npos || n >= _size - pos) { _str[pos] = '\0'; _size = pos; } else { strcpy(_str + pos, _str + pos + n); _size -= n; } } //在pos位置插入字符串 void insert(const char* s, size_t pos = 0) { assert(pos < _size); int len = strlen(s); //保证容量足够不然会发生报错哦 while (_size + len >= _capacity) { reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity); } //挪动数据 size_t end = _size + len; while (end > pos + len - 1 ) { _str[end] = _str[end - len]; end--; } //拷贝到指定位置,不要拷贝‘\0’ strncpy(_str + pos, s, len); _str[_size + strlen(s)] = '\0'; _size += strlen(s); } //在pos位置插入字符 void insert(const char ch, size_t pos = 0) { assert(pos < _size); while (_size +1 >= _capacity) { reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity); } //普通写法?!?! /*int end = _size ; while (end >= (int)pos) { _str[end + 1] = _str[end]; --end; }*/ //使用这个避免发生类型转换 size_t end = _size + 1; while (end > pos) { _str[end] = _str[end - 1]; --end; } _str[pos] = ch; ++_size; } //从pos位置开始搜索寻找ch第一次出现的位置 size_t find(const char ch, size_t pos = 0) { assert(pos < _size); for (size_t i = pos; i < _size; i++) { if (_str[i] == ch) return i; } return npos; } //从pos位置开始搜索寻找 字符串s 第一次出现的位置 size_t find(const char* s, size_t pos = 0) { assert(pos < _size); const char* p = strstr(_str, s); if (p) return p - _str; else return npos; }
写入了这么多功能,快来进行测试一波!
void test_string3() { bit::string s1("123 456 abc"); cout << "---------find测试-------------\n"; cout << s1.find('1') << endl; cout << s1.find("457") << endl; cout << "---------insert测试-------------\n"; bit::string s2("123"); s1.insert("jkl465798", 0); cout << s1 << endl; cout << "---------resize测试-------------\n"; cout << s2 << endl; cout << s2.capacity() << endl; s1.resize(4); cout << s2 << endl; cout << s2.size() << ' ' << s2.capacity() << endl; s1.resize(10, 'c'); cout << s2 << endl; cout << s2.size() << ' ' << s2.capacity() << endl; cout << "---------erase测试-------------\n"; s2.erase(2, 5); cout << s2 << endl; cout << s2.size() << ' ' << s2.capacity() << endl;
我们成功完成了功能的扩展,实现了增删查改的重要部分,这下子我们的string就完成了绝大部分,接下来在补充上迭代器就更好了。
3.6 迭代器模拟
C++中的迭代器是用于访问容器元素的一种抽象指针。迭代器具有五个基本特性:
- 迭代器类型:迭代器是一个实现了迭代器协议的对象,它有一个类型,该类型指示它所指向的元素的类型。例如,在
std::string
中,迭代器类型是std::string::iterator
。 - 解引用:迭代器可以解引用,这意味着可以通过解引用迭代器来访问它所指向的元素。在
std::string
中,解引用迭代器可以访问字符串中的字符。 - 箭头操作符:大多数迭代器都支持箭头操作符
->
,用于访问迭代器所指向对象的成员。在std::string中,箭头操作符可以用于访问字符串中字符的成员函数,如std::string::iterator>std::string::value_type::operatorchar()
。 - 增加和减少:迭代器可以通过增加(++)和减少(–)操作符来遍历容器。在
std::string
中,增加迭代器会移动到下一个字符,减少迭代器会移动到前一个字符。 - 比较:迭代器可以比较,以确定它们是否指向同一个元素或是否在容器中相邻。在
std::string
中,两个迭代器可以通过比较操作符(==、!=)来比较它们是否相等,或者通过比较操作符(<、<=、>、>=)来比较它们的相对位置。
所以我们可以简单通过指针来模拟实现一下,让其可以初步使用即可。
依旧给出两套重载,保证常量与非常量的正常访问
//迭代器模拟 typedef char* iterator; typedef const char* const_iterator; iterator begin() { return _str; } iterator end() { return _str + _size; } iterator rbegin() { return _str + _size; } iterator rend() { return _str; } const_iterator begin() const { return _str; } const_iterator end() const{ return _str + _size; } const_iterator rbegin() const{ return _str + _size; } const_iterator rend() const{ return _str; } //提供下标访问 传回引用,可读可写 char& operator[](size_t i) { //保证数组不越界!比普通数组越界更好, //普通数组是抽查 , 不够稳定!!! assert(i < _size); return _str[i]; } //保证可以对常量string进行操作 const char& operator[](size_t i) const { assert(i < _size); return _str[i]; }
来进行测试一下:(const 变量与普通变量都进行测试)
void test_string4(){ bit::string s1("123456789"); for (auto ch : s1) { cout << ch << ' '; } reverse(s1.begin(), s1.end()); cout << endl; for (size_t i = 0; i < s1.size();i++) { cout << s1[i] << " "; } cout << endl; const bit::string s2("abcdefg"); for (auto ch : s2) { cout << ch << ' '; } cout << endl; for (size_t i = 0; i < s2.size();i++) { cout << s2[i] << " "; } }
这下也间接证明了基于范围的for循环是以迭代器为底层的。并且我们实现了[ ] 的成功可读可写访问
总结
实现string类的过程就像是在黑暗中寻找光明,每一个难题都是我前进路上的绊脚石,但我没有退缩,我勇往直前。我看着那些曾经困扰着我的问题,一步步被我解决,就像是看着黑暗中的光明一点点被我点亮。那种成就感,那种喜悦,无法用言语表达!!!
肆无忌惮的放任自己,这样得来的自由,终将在现实中轰然倒塌。而自律赢来的,是你对现实的自主感,是真正的自由。
我看着电脑屏幕上的代码,每一个字符都像是我的朋友,我的伙伴。我用心去理解它们,去掌握它们,去运用它们。我发现,当我用自律的态度去面对这些代码时,它们不再是我眼中的难题,而是我手中的工具,是我实现梦想的桥梁。
我知道,这只是我开始,这只是我旅程的一小步。前方还有更多的挑战等待着我,有更多的困难需要我去克服。但我不再害怕,因为我知道,只要我保持着自律的态度,我就能够战胜一切。
这里提供一下源代码:
#pragma once #include<iostream> #include<string.h> #include<assert.h> using namespace std; namespace bit { class string { public: static const int npos; //构造函数 //string() : //_str(new char[1]), //_size(0), //_capacity(0) //{ // _str[0] = '\0'; //} //一个全缺省即可 string(const char* str = "") :_str(new char[strlen(str) + 1]), _size(strlen(str)), _capacity(strlen(str) + 1) { strcpy(_str, str); } string(const string& s = "") : _str(new char[s._capacity + 1]) ,_size(0) ,_capacity(0) { strcpy(_str, s._str); _size = s._size; _capacity = s._capacity; } ~string() { delete[] _str; _str = nullptr; _size = 0; _capacity = 0; } string& operator=(string s) { //现代写法 //swap(tmp); char* tmp = new char[s._capacity + 1]; strcpy(tmp, s._str); delete[] _str; _str = tmp; _size = s._size; _capacity = s._capacity; return *this; } char& operator[](size_t i) { assert(i < _size); return _str[i]; } const char& operator[](size_t i) const { assert(i < _size); return _str[i]; } //迭代器模拟 typedef char* iterator; typedef const char* const_iterator; iterator begin() { return _str; } iterator end() { return _str + _size; } iterator rbegin() { return _str + _size; } iterator rend() { return _str; } const_iterator begin() const { return _str; } const_iterator end() const{ return _str + _size; } const_iterator rbegin() const{ return _str + _size; } const_iterator rend() const{ return _str; } //交换 void swap(string& s) { std::swap(_str, s._str); std::swap(_size, s._size); std::swap(_capacity, s._capacity); } //从pos位置开始搜索寻找ch第一次出现的位置 size_t find(const char ch, size_t pos = 0) { assert(pos < _size); for (size_t i = pos; i < _size; i++) { if (_str[i] == ch) return i; } return npos; } //从pos位置开始搜索寻找 字符串s 第一次出现的位置 size_t find(const char* s, size_t pos = 0) { assert(pos < _size); const char* p = strstr(_str, s); if (p) return p - _str; else return npos; } //在pos位置插入字符 void insert(const char ch, size_t pos = 0) { assert(pos < _size); while (_size +1 >= _capacity) { reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity); } size_t end = _size + 1; while (end > pos) { _str[end] = _str[end - 1]; --end; } _str[pos] = ch; ++_size; } //在pos位置插入字符串 void insert(const char* s, size_t pos = 0) { assert(pos < _size); int len = strlen(s); while (_size + len >= _capacity) { reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity); } size_t end = _size + len; while (end > pos + len - 1 ) { _str[end] = _str[end - len]; end--; } strncpy(_str + pos, s, len); _str[_size + strlen(s)] = '\0'; _size += strlen(s); } //返回成员变量 size_t size() const{ return _size; } size_t capacity() const{ return _capacity; } //扩容操作 //错误示范 //void reserve(size_t newcapacity) //{ // char* tmp = new char[newcapacity + 1]; // strcpy(tmp, _str); // _capacity = newcapacity + 1; // delete _str; // _str = tmp; //} void reserve(size_t n) { if (n > _capacity) { char* tmp = new char[n + 1]; strcpy(tmp, _str); delete[] _str; _str = tmp; _capacity = n; } } //重置数据大小 void resize(size_t n , char ch = '\0') { if ( n <= _size ) { _str[n] = '\0'; _size = n; } else { reserve(n); for (size_t i = _size; i < n; i++) { _str[i] = ch; } _str[n] = '\0'; _size = n; } } //在pos位置后消除 n 个元素 void erase(size_t pos, size_t n = npos) { assert(pos < _size); //防止溢出!!! if (n == npos || n >= _size - pos) { _str[pos] = '\0'; _size = pos; } else { strcpy(_str + pos, _str + pos + n); _size -= n; } } void push_back(const char* s) { while (_size + strlen(s) >= _capacity) { reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity); } for (size_t i = 0; i < strlen(s); i++) { _str[_size++] = s[i]; } _str[_size] = '\0'; } void push_back(char s) { while (_size + 1 >= _capacity) { reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity); } _str[_size++] = s; _str[_size] = '\0'; } //清空 void clear() { _str[0] = '\0'; _size = 0; _capacity = 0; } void operator+= (const char* s) { push_back(s); } void operator+= (char s) { push_back(s); } //运算符重载 friend ostream& operator<< (ostream& out, const string& str); bool operator==(const string& s) { if (strcmp(_str, s._str) == 0) return true; else return false; } bool operator>(const string& s) { if (strcmp(_str, s._str) > 0) return true; else return false; } bool operator>=(const string& s) { return _str == s._str || _str > s._str; } bool operator<=(const string& s) { return !(_str > s._str); } bool operator<(const string& s) { return !(_str >= s._str); } bool operator!=(const string& s) { return !(_str == s._str); } private: char* _str; size_t _size; size_t _capacity; }; //运算符重载 ostream& operator<< (ostream& out, const bit::string& str) { out << str._str; return out; } istream& operator>> (istream& in, bit::string& str) { str.clear(); char* buff = new char[128]; char ch; ch = in.get(); int count = 0; while (ch != '\n' && ch != ' ') { buff[count++] = ch; ch = in.get(); if (count >= 127) { buff[127] = '\0'; str.push_back(buff); count = 0; } } buff[count] = '\0'; str.push_back(buff); return in; } istream& getline(istream& in, string& s) { char ch; ch = in.get(); while (ch != '\n') { s += ch; ch = in.get(); } return in; } const int string::npos = -1; }
Thanks♪(・ω・)ノ谢谢阅读!!!
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