上期主要分享了 From Java To Kotlin 1 :空安全、扩展、函数、Lambda。
这是 From Java to Kotlin 第二期。
带来 表达式思维、子类型化、类型系统、泛型。
From Java to Kotlin 关键在于 思维的转变。
表达式思维
Kotlin 中大部分语句是表达式。
表达式思维是一种编程思维。 编程思维是一种非常抽象的概念,很多时候是只可意会不可言传的。
不过,从某种程度上看,学习编程思维,比学习编程语法更重要。因为编程思维决定着我们的代码整体的架构与风格,而具体的某个语法反而没那么大的影响力。当然,如果对 Kotlin 的语法没有一个全面的认识,编程思维也只会是空中楼阁。就像,我们学会了基础的汉字以后开始写作文:学了汉字以后,如果没掌握写作的技巧,是写不出好的文章的。同理,如果学了 Kotlin 语法,却没有掌握它的编程思维,也是写不出优雅的 Kotlin 代码的。
下面我们看一段 Kotlin 代码
//--- 1
var i = 0
if (data != null) {
i = data
}
//--- 2
var j = 0
if (data != null) {
j = data
} else {
j = getDefault()
println(j)
}
//--- 3
var k = 0
if (data != null) {
k = data
} else {
throw NullPointerException()
}
//--- 4
var x = 0
when (data) {
is Int -> x = data
else -> x = 0
}
//--- 5
var y = 0
try {
y = "Kotlin".toInt()
} catch (e: NumberFormatException) {
println(e)
y = 0
}
这些代码,如果我们用平时写 Java 时的思维来分析的话,是挑不出太多毛病的。但是站在 Kotlin 的角度,就完全不一样了。利用 Kotlin 的语法,我们完全可以将代码写得更加简洁,就像下面这样:
//--- 1
val i = data ?: 0
//--- 2
val j = data ?: getDefault().also { println(it) }
//--- 3
val k = data?: throw NullPointerException()
//--- 4
val x = when (data) {
is Int -> data
else -> 0
}
//--- 5
val y = try {
"Kotlin".toInt()
} catch (e: NumberFormatException) {
println(e)
0
}
这段代码看起来就简洁了不少,所以从 Java 转到 Kotlin 要格外注意思维转变,培养表达式思维。
这里有个疑问:Kotlin 为什么就能用这样的方式写代码呢?其实这是因为:if、when、throw、try-catch 这些语法,在 Kotlin 当中都是表达式。
那么,这个“表达式”到底是什么呢?其实,与表达式(Expression)对应的,还有另一个概念,我们叫做语句(Statement)。
- 表达式(Expression),是一段可以产生值的代码;
- 语句(Statement),则是一句不产生值的代码。
我们可以简单来概括一下:
表达式(Expression)有值,而语句(Statement)不总有。
用一个更详细的例子解释:
val a = 1 // statement
println(a) // statement
// statement
var i = 0
if (data != null) {
i = data
}
// 1 + 2 是一个表达式,但是对b的赋值行为是statement
val b = 1 + 2
// if else 整体是一个表达式
// a > b是一个表达式, 子表达式
// a - b是一个表达式, 子表达式
// b - a是一个表达式, 子表达式。
fun minus(a: Int, b: Int) = if (a > b) a - b else b - a
// throw NotImplementedError() 是一个表达式
fun calculate(): Int = throw NotImplementedError()
这段代码是描述了常见的 Kotlin 代码模式,从它的注释当中,我们其实可以总结出这样几个规律:
- 赋值语句,就是典型的 statement;
- if 语法,既可以作为语句,也可以作为表达式;
- 语句与表达式,它们可能会出现在同一行代码中,比如 val b = 1 + 2;
- 表达式还可能包含“子表达式”,就比如这里的 minus 方法;
- throw 语句,也可以作为表达式。
看到这里,可能又有一个疑问,那就是:calculate() 这个函数难道不会引起编译器报错吗?
// 函数返回值类型是Int,实际上却抛出了异常,没有返回Int
// ↓ ↓
fun calculate(): Int = throw NotImplementedError()
要想搞清楚这个疑问, 需要理解Kotlin的类型系统。
小结
- Koltin表达式思维是指时刻记住 Kotlin 大部分的语句都是表达式,它们可以产生返回值。利用这种思维,往往可以大大简化代码逻辑。
Kotlin 的类型系统
类、类型和子类型
- 类(class)是指一种数据类型,类定义定义对象的属性和方法,可以用来创建对象实例,例如
class Person(val name: String)
,用于表示一个人的属性和行为。 - 类型(type)是指一个变量或表达式 的 数据类型。类型可以用来描述变量或表达式的特征和限制(取值范围和可用的操作)。在Kotlin中,每个变量或表达式都有一个确定的类型,例如Int、String、Boolean等,类型可以是可空的或非空的,例如
String?
或String
。 - 子类型(subtype)是指一个类型的子集,即一个类型的值可以赋值给另一个类型的变量或表达式。例如
class Student(name: String, val grade: Int) : Person(name)
中,Student
是Person
的子类型,String
是String?
的子类型 。
在 Kotlin 中,类和类型之间有一定的对应关系,但并不完全相同。一个类可以用于构造多个类型,
例如泛型类 List<T>
可以构造出 List<String>
、List<Int>
等不同的类型。一个类型也可以由多个类实现,例如接口类型 Runnable
可以由多个实现了 run()
方法的类实现。
子类型化
先看一段代码:
非可空类型的 strNotNull:String ,可以赋值给 可空类型的strNullable:String? ;
可空类型的strNullable:String? 不可以赋值给 非可空类型的 strNotNull:String。
可以看出每一个Kotlin类都可以用于构造至少两种类型。
根据子类型化的定义,String 是 String?的子类型。
看到这里可能有个疑问?没有继承关系,String 并没有 继承 String?,为啥String是 String? 的子类型。
其实我也有, 经常开发 Java 会有一个误区:认为只有继承关系的类型之间才可以有父子类型关系。
因为在Java中,类与类型大部分情况下都是“等价”的(在Java泛型出现前)。事实上,“继承”和“子类型化”是两个完全不同的概念。子类型化的核心是一种类型的替代关系。
子类型化, 以下内容引用自维基百科
在编程语言理论中,子类型(动名词,英语:subtyping(也有翻译为子类型化))是一种类型多态)的形式。这种形式下,子类型(名词,英语:subtype)可以替换另一种相关的数据类型(超类型,英语:supertype)。也就是说,针对超类型元素进行操作的子程序、函数等程序元素,也可以操作相应的子类型。如果 S 是 T 的子类型,这种子类型关系通常写作 S <: T,意思是在任何需要使用 T 类型对象的环境中,都可以安全地使用 S 类型的对象。
由于子类型关系的存在,某个对象可能同时属于多种类型,因此,子类型(英语:subtyping)是一种类型多态)的形式,也被称作子类型多态(英语:subtype polymorphism)或者包含多态(英语:inclusion polymorphism)。
子类型与面向对象语言中(类或对象)的继承)是两个概念。子类型反映了类型(即面向对象中的接口)之间的关系;而继承反映了一类对象可以从另一类对象创造出来,是语言特性 的实现。因此,子类型也称接口继承;继承称作实现继承。
子类型化可表示为:
S <:T
以上S是T的子类,这意味着在需要T类型 值 的地方,S类型的 值 同样适用,可以用 S 类型的 值 替换。
所以在前面的例子中, 虽然String与String?看起来没有继承关系,然而在我们需要用String?类型值的地方,显然可以传入一个类型为String的值,这在编译上不会产生问题。反之却不然。 所以String?是String的父类型。
继承强调的是一种“实现上的复用”,而子类型化是一种类型语义的关系,与实现没关系。对于 Java 语言,由于一般在声明父子类型关系的同时也声明了继承的关系,所以造成了某种程度上的混淆。
类型系统
Kotlin 的类型还分为可空类型和不可空类型。Any 是所有非空类型的根类型;而 Any? 是所有可空类型的根类型。
我们猜测 Kotlin 的类型体系可能是这样的:
那Any 与 Any? 之间是什么关系呢?
Any 、Any?与 Java 的 Object
Java 当中的 Object 类型,对应 Kotlin 的“Any?”类型。但两者并不完全等价,因为 Kotlin 的 Any 可以没有 wait()、notify() 之类的方法。因此,我们只能说 Kotlin 的“Any?”与 Java 的 Object 是大致对应的。
下面是Java 代码,它有三个方法,分别是可为空的 Object 类型、不可为空的 Object 类型,以及无注解的 Object 类型。
public class TestTypeJava {
@Nullable // 可空注解
public Object test() { return null; }
// 默认
public Object test1() { return null; }
@NotNull // 不可空注解
public Object test2() { return 1; }
}
上面的代码通过 Convert Java File to Kotlin File
转换成 Kotlin:
class TestTypeJava {
// 可空注解
fun test(): Any? {
return null
}
fun test1(): Any? { // 可以看出默认情况下, Java Object 对应 Kotlin Any?
return null
}
// 不可空注解
fun test2(): Any {
return 1
}
}
可以看出默认情况下,没有注解标记可空信息的时候, Java Object 对应 Kotlin Any?。
有些时候Java代码包含了可空性的信息,这些信息使用注解来表达。当代码中出现了这样的信息时,Kotlin就会使用它。因此Java中的@Nullable String被Kotlin当作String?,而@NotNull String就是String
如果没有是否可空注解, Java类型会变成 Kotlin 中的平台类型(后面会解释)。
了解了 Any 和 Any?的关系,可以画出关系图
Unit 与 Void 与 void
先看一段 Java 代码
public class PrintHello {
public void printHelloWorld() {
System.out.println("Hello World!");
}
}
转成 Kotlin
class PrintHello {
fun printHelloWorld():Unit { // Redundant 'Unit' return type
println("Hello World!")
}
}
Java 的 void
关键字在 Kotlin 里是没有的,取而代之的是一个叫做 Unit
的东西,
Unit 和 Java 的 void
真正的区别在于,void
是真的表示什么都不返回,而 Kotlin 的 Unit
却是一个真实存在的类型:
public object Unit {
override fun toString() = "kotlin.Unit"
}
它是一个 object
,也就是 Kotlin 里的单例类型或者说单例对象。当一个函数的返回值类型是 Unit
的时候,它是需要返回一个 Unit
类型的对象的:
fun printHelloWorld():Unit {
println("Hello World!")
return Unit // return Unit 可以省略
}
只不过因为它是个 object
,所以唯一能返回的值就是 Unit
本身。
这两个 Unit
是不一样的,上面的是 Unit
这个类型,下面的是 Unit
这个单例对象,它俩长得一样但是是不同的东西。注意了,这个并不是 Kotlin 给Unit
的特权,而是 object
本来就有的语法特性。如果有需要,也可以用同样的格式来使用别的单例对象,是不会报错的:
包括也可以这样写:
val unit: Unit = Unit
也是一样的道理,等号左边是类型,等号右边是对象——当然这么写没什么实际作用啊,单例可以直接用。
object Zhangsan
fun getZhangsan(): Zhangsan { // 单例可以直接使用
return Zhangsan
}
因此,在结构上,Unit
并没有任何特别之处,它只是 Kotlin 的 object
。除了对于函数返回值类型和返回值的自动补充之外,它的特殊之处更多地在于语义和用途的角度。它是由官方规定的,用于表示「什么也不返回」的场景的返回值类型。但这只是它被规定的用法而已,本质上它是一个实实在在的类型。在 Kotlin 中,不存在真正没有返回值的函数,所有「没有返回值」的函数实质上的返回值类型都是 Unit,而返回值也都是 Unit 这个单例对象。这是 Unit 和 Java 的 void 在本质上的不同之处。
Unit 相比 void 带来什么不同
Unit 去除了无返回值函数的特殊性和有返回值函数之间的本质区别,从而使得很多事情变得更加简单,这种通用性为我们带来了便利。
例子: 函数类型的函数参数
虽然不能说Java中的所有函数调用都是表达式,但是可以说Kotlin中的所有函数调用都是表达式。
是因为存在特例void,在Java中如果声明的函数没有返回值,那么它就需要用void来修饰。如:
public void printHelloWorld() {
System.out.println("Hello World!");
}
因为 void 不是类型,所以 函数printHelloWorld()无法匹配 () -> Unit 函数类型
class VoidTest {
fun printHelloWorld1():Unit { // 作为参数时,就有函数类型 () -> Unit
println("Hello World!")
}
fun runTask(task: () -> Any) {
when (val result = task()) {
Unit -> println("result is Unit")
String -> println("result is a String: $result")
else -> println("result is an unknown type")
}
}
@Test
fun main1() {
val var1 = ::printHelloWorld1 // () -> Unit
runTask (var1) // () -> Unit
runTask { "This is string" } //:() -> String
runTask { 42 } // () -> Int
}
}
现在有了 Unit , fun printHelloWorld1():Unit 作为参数时,就有函数类型 () -> Unit 。
注意:在 Java 当中,Void 和 void 不是一回事(注意大小写),前者是一个 Java 的类,后者是一个用于修饰方法的关键字。如下所示:
public final class Void {
@SuppressWarnings("unchecked")
public static final Class<Void> TYPE = (Class<Void>) Class.getPrimitiveClass("void");
private Void() {}
}
JAVA中Void类是一个不可实例化的占位符类,用来保存一个引用代表Java关键字void的Class对象。它的作用是在反射或泛型中表示void类型。
例如:Map接口的put方法需要两个类型参数,如果我们只需要存储键而不需要存储值,就可以使用Void类作为类型参数
Map<String, Void> map = new HashMap<>(); map.put("key", null);。
了解了 Unit
和 Unit?
的关系后,可以画出关系图
Nothing
Nothing 是 Kotlin 所有类型的子类型。 Noting 的概念与 Any? 恰好相反。
Nothing 也叫底类型(BottomType)。
Nothing的源码是这样的:
public class Nothing private constructor()
可以看到它本身虽然是 public 的,但它的构造函数是 private 的,这就导致我们没法创建它的实例;而且它不像 Unit 那样是个 object:
public object Unit {
override fun toString() = "kotlin.Unit"
}
而是个普通的 class;并且在源码里 Kotlin 也没有帮我们创建它的实例。
这些条件加起来,结果就是:Nothing 这个类既没有、也不会有任何的实例对象。
基于这样的前提,当我们写出这个函数声明的时候:
fun nothing(): Nothing {
}
我们可能无法找到一个合适的值来返回,但是在编写代码时,我们必须返回一个值。这种情况下,我们遇到了一个悖论,即必须返回一个值,但却永远找不到合适的返回值
Nothing的作用: 作为函数 永远不会返回结果
的提示
fun nothing() : Nothing {
throw RuntimeException("Nothing!")
}
根据Nothing的特性, Nothing 专门用于抛异常。
public class NotImplementedError(message: String = "An operation is not implemented.") : Error(message)
@kotlin.internal.InlineOnly
public inline fun TODO(): Nothing = throw NotImplementedError()
从上面这段代码可以看出,Kotin 源码中 throw 表达式的返回值类型是 Nothing。
throw 这个表达式的返回值是 Nothing 类型。而既然 Nothing 是所有类型的子类型,那么它当然是可以赋值给任意其他类型的。
所以表达式思维中的问题就可以解答了
// 函数返回值类型是Int,实际上却抛出了异常,没有返回Int
// ↓ ↓
fun calculate(): Int = throw NotImplementedError()
作用二
Nothing 类的构造函数是私有的,因此我们无法构造出它的实例。当 Nothing 类型作为函数参数时,一个有趣的现象就出现了:
// 这是一个无法调用的函数,因为找不到合适的参数
fun show(msg: Nothing) {}
show(null) // 报错
show(throw Exception()) // 虽然不报错,但方法仍然不会调用
在这里,我们定义了一个 show 函数,它的参数类型是 Nothing。由于 Nothing 的构造函数是私有的,我们将无法调用 show 函数,除非我们抛出异常,但这没有意义。
这个概念在泛型星投影的时候是有应用的,具体后面会解释。
作用三
而除此之外,Nothing 还有助于编译器进行代码流程的推断。比如说,当一个表达式的返回值是 Nothing 的时候,就往往意味着它后面的语句不再有机会被执行。如下图所示:
了解了 Nothing 和 Nothing?的关系后,可以画出关系图
平台类型
平台类型在Kotlin中表示为type!(如String!,Int!, CustomClass!)。
Kotlin平台类型本质上就是Kotlin不知道可空性信息的类型,即可以当作可空类型,也可以当作非空类型。平台类型只能来自Java,因为Java中所有的引用都可能为null,而Kotlin中对null有严格的检查和限制。
但是在Kotlin中是禁止声明平台类型的变量的。
具体的代码示例如下:
// Java 代码
public class Person {
private String name;
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
}
// Kotlin 代码
fun main() {
val person = Person() //
val name = person.name // name 是 String! 类型
println(name.length) // 可能抛出空指针异常
person.name = null // 允许赋值为 null
}
在这个例子中, name 是平台类型,
因为它们来自于 Java 代码。Kotlin 编译器不会检查它们是否为 null,所以需要程序员自己负责。如果要避免空指针异常,可以使用安全调用运算符(?.)或非空断言运算符(!!)来处理平台类型。
println(name?.length) // 安全调用,如果 name 为 null 则返回 null
println(name!!.length) // 非空断言,如果 name 为 null 则抛出异常
平台类型是指 Kotlin 和 Java 的互操作性问题, 在混合项目中要多加注意。
小结
- Any 是所有非空类型的根类型,而 Any? 才是所有类型的根类型。
- Unit 与 Java 的 void 类型相似,代表一个函数不需要返回值;而 Unit? 这个类型则没有太多实际的意义。
- 当 Nothing 作为函数返回值时,意味着这个函数永远不会返回结果,而且还会截断程序的后续流程。Kotlin 编译器也会根据这一点进行流程分析。
- 当 Nothing 作为函数参数时,就意味着这个函数永远无法被正常调用。这在泛型星投影的时候是有一定应用的。
- Nothing 可以看作是 Nothing? 的子类型,因此,Nothing 可以看作是 Kotlin 所有类型的底类型。
- 正是因为 Kotlin 在类型系统中加入了 Unit、Nothing 这两个类型,才让大部分无法产生值的语句摇身一变,成为了表达式。这也是“Kotlin 大部分的语句都是表达式”的根本原因。
泛型:让类型更加安全
Kotlin 的泛型与 Java 一样,都是一种语法糖,即只在源代码中有泛型定义,到了class级别就被擦除了。 泛型(Generics)其实就是把类型参数化,真正的名字叫做类型参数,它的引入给强类型编程语言加入了更强的灵活性。
泛型的优点
- 类型安全:泛型可以在编译时检查类型,从而避免了在运行时出现类型不匹配的错误。这可以提高程序的可靠性和稳定性。
- 代码重用:泛型可以使代码更加通用和灵活,从而可以减少代码的重复和冗余。例如,我们可以编写一个通用的排序算法,可以用于任何实现了 Comparable 接口的类型。
在 Java 中,我们常见的泛型有:泛型类、泛型接口、泛型方法和泛型属性,Kotlin 泛型系统继承了 Java 泛型系统,同时添加了一些强化的地方。
泛型接口/类(泛型类型)
定义泛型类型,是在类型名之后、主构造函数之前用尖括号括起的大写字母类型参数指定:
声明泛型接口
Java:
//泛型接口
interface Drinks<T> {
T taste();
void price(T t);
}
Kotlin:
//泛型接口
interface Drinks<T> {
fun taste(): T
fun price(t: T)
}
声明泛型类
Java
abstract class Color<T> {
T t;
abstract void printColor();
}
class Blue {
String color = "blue";
}
class BlueColor extends Color<Blue> {
public BlueColor(Blue1 t) {
this.t = t;
}
@Override
public void printColor() {
System.out.println("color:" + t.color);
}
}
Kotlin
abstract class Color<T>(var t: T/*泛型字段*/) {
abstract fun printColor()
}
class Blue {
val color = "blue"
}
class BlueColor(t: Blue) : Color<Blue>(t) {
override fun printColor() {
println("color:${t.color}")
}
}
泛型字段
定义泛型类型字段,可以完整地写明类型参数,如果编译器可以自动推定类型参数,也可以省略类型参数:
abstract class Color<T>(var t: T/*泛型字段*/) {
abstract fun printColor()
}
声明泛型方法
Kotlin 泛型方法的声明与 Java 相同,类型参数要放在方法名的前面:
Java
public static <T> T fromJson(String json, Class<T> tClass) {
T t = null;
try {
t = tClass.newInstance();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return t;
}
Kotlin
fun <T> fromJson(json: String, tClass: Class<T>): T? {
/*获取T的实例*/
val t: T? = tClass.newInstance()
return t
}
泛型约束
Java 中可以通过有界类型参数来限制参数类型的边界,Kotlin中泛型约束也可以限制参数类型的上界:
Java
public static <T extends Comparable<T>> T maxOf(T a, T b) {
if (a.compareTo(b) > 0) return a;
else return b;
}
Kotlin
fun <T : Comparable<T>> maxOf(a: T, b: T): T {
return if (a > b) a else b
}
where关键字: 多个上界用 where
Java 中多约束: &
public static <T extends CharSequence & Comparable<T>> List<T> test(List<T> list, T threshold) {
return list.stream().filter(it -> it.compareTo(threshold) > 0).collect(Collectors.toList());
}
Kotin 中多约束:where
//多个上界的情况
fun <T> test(list: List<T>, threshold: T): List<T>
where T : CharSequence,
T : Comparable<T> {
return list.filter { it > threshold }.map { it }
}
所传递的类型T必须同时满足 where 子句的所有条件,在上述示例中,类型 T 必须既实现了 CharSequence 也实现了 Comparable。
泛型形参&泛型实参
泛型类:
泛型函数:
泛型的型变
不变
先看一段 Java 代码,我们知道在Java中 ,List无法赋值给List
public class JavaGeneryc {
public static void main(String[] args) {
List<Apple> apples = new ArrayList<>();
apples.add(new Apple());
List<Fruit> fruits = apples; // 编译错误
for (Fruit fruit : fruits) {
System.out.println(fruit);
}
}
}
class Fruit {
// 父类
}
class Apple extends Fruit {
// 子类
}
但是到了Kotlin这里我们发现了一个奇怪的现象
fun main2(args: Array<String>) {
val stringList:List<String> = ArrayList<String>()
val anyList:List<Any> = stringList//编译成功
}
在Kotlin中竟然能将List赋值给List,不是说好的Kotlin和Java的泛型原理是一样的吗?怎么到了Kotlin中就变了?其实我们前面说的都没错,关键在于这两个List并不是同一种类型。我们分别来看一下两种List的定义:
虽然都叫List,也同样支持泛型,但是Kotlin的List定义的泛型参数前面多了一个 out关键词(加上out 发生协变 ),这个关键词就对这个List的特性起到了很大的作用。
普通方式定义的泛型是不变的,简单来说就是不管类型A和类型B是什么关系,Generic与Generic(其中Generic代表泛型类)都没有任何关系。比如,在Java中String是Oject的子类型,但List并不是List
型变小结
协变 | 逆变 | 不变型 |
---|---|---|
Producer | Consumer | MutableList: |
类的子类型化保留了:Producers是 Producer<Animal>的子类型 | 子类型化反转了:Consumer 是 Consumer的子类型 | 没有子类型化 |
T只能在out 位置 | T只能在 in 位置 | T可以在任何位置 |
泛型中的out与in与 Java 上下界通配符关系
在Kotlin中out代表协变,in代表逆变,为了加深理解我们可以将Kotlin的协变看成Java的上界通配符,将逆变看成Java的下界通配符:
//Kotlin使用处协变
fun sumOfList(list: List<out Number>)
//Java上界通配符
void sumOfList(List<? extends Number> list)
//Kotlin使用处逆变
fun addNumbers(list: List<in Int>)
//Java下界通配符
void addNumbers(List<? super Integer> list)
小结
Java 泛型 | Java 中代码示例 | Kotlin 中代码示例 | Kotlin 泛型 |
---|---|---|---|
泛型类型 | class Box | class Box | 泛型类型 |
泛型方法 | T fromJson(String json, Class tClass) | fun fromJson(json: String, tClass: Class): T? | 泛型函数 |
有界类型参数 | class Box | class Box> | 泛型约束 |
上界通配符 | void sumOfList(List<? extends Number> list) | fun sumOfList(list: List) | 使用处协变 |
下界通配符 | void addNumbers(List<? super Integer> list) | fun addNumbers(list: List) | 使用处逆变 |
总的来说,Kotlin 泛型更加简洁安全,但是和 Java 一样都是有类型擦除的,都属于编译时泛型。
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星投影
注解 @UnsafeVariance
内联特化(内联强化) reified
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