【Java数据结构及算法实战】系列009:Java队列03——数组实现的阻塞队列ArrayBlockingQueue

简介: 顾名思义,ArrayBlockingQueue是基于数组实现的有界阻塞队列。该队列对元素进行FIFO排序。队列的首元素是在该队列中驻留时间最长的元素。队列的尾部是在该队列中停留时间最短的元素。新的元素被插入到队列的尾部,队列检索操作获取队列头部的元素。

顾名思义,ArrayBlockingQueue是基于数组实现的有界阻塞队列。该队列对元素进行FIFO排序。队列的首元素是在该队列中驻留时间最长的元素。队列的尾部是在该队列中停留时间最短的元素。新的元素被插入到队列的尾部,队列检索操作获取队列头部的元素。




ArrayBlockingQueue是一个经典的“有界缓冲区(bounded buffer)”,其中内部包含了一个固定大小的数组,用于承载包含生产者插入的和消费者提取的元素。ArrayBlockingQueue的容量一旦创建,不可更改。试图将一个元素放入一个满队列将导致操作阻塞;试图从空队列中取出一个元素也同样会阻塞。




ArrayBlockingQueue支持排序的可选公平策略,用于等待生产者和消费者线程。默认情况下,不保证此顺序。然而,一个由公平性设置为true构造的队列允许线程以FIFO顺序访问。公平性一般会降低吞吐量,但可以减少可变性,避免线程饿死。




ArrayBlockingQueue类及其迭代器实现了CollectionIterator接口的所有可选方法。ArrayBlockingQueueJava Collections Framework的一个成员。






1.   ArrayBlockingQueue的声明


ArrayBlockingQueue的接口和继承关系如下




publicclassArrayBlockingQueue<E> extends AbstractQueue<E>


       implements BlockingQueue<E>, java.io.Serializable {


 


  …


}






完整的接口继承关系如下图所示。













从上述代码可以看出,ArrayBlockingQueue既实现了BlockingQueue<E>java.io.Serializable接口,又继承了java.util.AbstractQueue<E>。其中,AbstractQueueQueue接口的抽象类,核心代码如下。






package java.util;


 


publicabstractclass AbstractQueue<E>


   extends AbstractCollection<E>


   implements Queue<E> {


 


   protected AbstractQueue() {


   }


 


   publicboolean add(E e) {


       if (offer(e))


           returntrue;


       else


           thrownew IllegalStateException("Queue full");


   }


 


   public E remove() {


       E x = poll();


       if (x != null)


           returnx;


       else


           thrownew NoSuchElementException();


   }


 


   public E element() {


       E x = peek();


       if (x != null)


           returnx;


       else


           thrownew NoSuchElementException();


   }


 


   publicvoid clear() {


       while (poll() != null)


           ;


   }


 


   publicboolean addAll(Collection<? extends E> c) {


       if (c == null)


           thrownew NullPointerException();


       if (c == this)


           thrownew IllegalArgumentException();


       booleanmodified = false;


       for (E e : c)


           if (add(e))


               modified = true;


       returnmodified;


   }


 


}






2.   ArrayBlockingQueue的成员变量和构造函数






以下是ArrayBlockingQueue的构造函数和成员变量。




   // 元素数组


   final Object[] items;


 


   // 消费索引,用于takepollpeekremove操作


   inttakeIndex;


 


   // 生产索引,用于putofferadd操作


   intputIndex;


 


   // 队列中的元素个数


   intcount;


 


   /*


    * 使用经典的双条件算法(two-condition algorithm)实现并发控制


    */


 


   // 操作数组确保原子性的锁


   finalReentrantLocklock;


 


   // 数组非空,唤醒消费者


   privatefinal Condition notEmpty;


 


   // 数组非满,唤醒生产者


privatefinal Condition notFull;


 


// 迭代器状态


transient Itrs itrs;




public ArrayBlockingQueue(intcapacity) {


       this(capacity, false);


   }


 


   public ArrayBlockingQueue(intcapacity, booleanfair) {


       if (capacity <= 0)


           thrownew IllegalArgumentException();


       this.items = new Object[capacity];


       lock = new ReentrantLock(fair);


       notEmpty = lock.newCondition();


       notFull =  lock.newCondition();


   }


 


   public ArrayBlockingQueue(intcapacity, booleanfair,


                             Collection<? extends E> c) {


       this(capacity, fair);


 


       final ReentrantLock lock = this.lock;


       lock.lock(); // 只锁可见,不互斥


       try {


           final Object[] items = this.items;


           inti = 0;


           try {


               for (E e : c)


                   items[i++] = Objects.requireNonNull(e);


           } catch (ArrayIndexOutOfBoundsException ex) {


               thrownew IllegalArgumentException();


           }


           count = i;


           putIndex = (i == capacity) ? 0 : i;


       } finally {


           lock.unlock();  // 解锁


       }


}


 


 


从上述代码可以看出,构造函数有三种。构造函数中的参数含义如下




l  capacity用于设置队列容量


l  fair用于设置访问策略,如果为true,则对线程的访问在插入或移除时被阻塞,则按FIFO顺序处理;如果为false,则访问顺序未指定


l  c用于设置最初包含给定集合的元素,按集合迭代器的遍历顺序添加




类成员items是一个数组,用于存储队列中的元素。关键字final指明了,当ArrayBlockingQueue构造完成之后,通过new Object[capacity]的方式初始化items数组完成后,则后续items的容量将不再变化。




访问策略是通过ReentrantLock来实现的。通过两个加锁条件notEmptynotFull来实现并发控制。这是典型的双条件算法(two-condition algorithm)。




ArrayBlockingQueue生产则增加putIndex,消费则增加takeIndex




Itrs用于记录当前活动迭代器的共享状态,如果已知不存在任何迭代器,则为null允许队列操作更新迭代器状态。迭代器状态不是本节的重点,不再深入探讨。


3.   ArrayBlockingQueue的核心方法


以下对ArrayBlockingQueue常用核心方法的实现原理进行解释。






3.1.     offer(e)


执行offer(e)方法后有两种结果




l  队列未满时,返回 true


l  队列满时,返回 false




ArrayBlockingQueueoffer (e)方法源码如下:




publicbooleanoffer(E e) {


       Objects.requireNonNull(e);


       final ReentrantLock lock = this.lock;


       lock.lock(); // 加锁


       try {


           if (count == items.length)


               returnfalse;


           else {


               enqueue(e); // 入队


               returntrue;


           }


       } finally {


           lock.unlock();  // 解锁


       }


}






从上面代码可以看出,执行offer(e)方法时,分为以下几个步骤:




l  为了确保并发操作的安全先做了加锁处理。


l  而后判断count是否与数组items的长度一致,如果一致则证明队列已经满了,直接返回false;否则执行enqueue(e)方法做元素的入队,并返回true


l  最后解锁。




enqueue(e)方法源码如下:






privatevoidenqueue(E e) {


       final Object[] items = this.items;


       items[putIndex] = e;


       if (++putIndex == items.length) putIndex = 0;


       count++;


       notEmpty.signal(); // 唤醒等待中的线程


}




上面代码比较简单,在当前索引(putIndex)位置放置待入队的元素,而后putIndexcount分别递增,并通过signal()方法唤醒等待中的线程。其中一个注意点是,当putIndex 等于数组items长度时,putIndex置为0




思考:当putIndex 等于数组items长度时,putIndex为什么置为0呢?




3.2.     put(e)


执行put(e)方法后有两种结果:


     


l  队列未满时,直接插入没有返回值


l  队列满时,会阻塞等待,一直等到队列未满时再插入




ArrayBlockingQueueput (e)方法源码如下:




publicvoidput(E e) throws InterruptedException {


       Objects.requireNonNull(e);


       final ReentrantLock lock = this.lock;


       lock.lockInterruptibly();  // 获取锁


       try {


           while (count == items.length)


               notFull.await();  // 使线程等待


           enqueue(e);  // 入队


       } finally {


           lock.unlock();  // 解锁


       }


   }




从上面代码可以看出,put(e)方法的实现,分为以下几个步骤:




l  先是要获取锁。


l  而后判断count是否与数组items的长度一致,如果一致则证明队列已经满了,就等待;否则执行enqueue(e)方法做元素的入队。


l  最后解锁。




3.3.     offer(e,time,unit)


offer(e,time,unit)方法与offer(e)方法不同之处在于,前者加入了等待机制。设定等待的时间,如果在指定时间内还不能往队列中插入数据则返回false。执行offer(e,time,unit)方法有两种结果:


     


l  队列未满时,返回 true


l  队列满时,会阻塞等待,如果在指定时间内还不能往队列中插入数据则返回 false




ArrayBlockingQueueput (e)方法源码如下:




publicboolean offer(E e, longtimeout, TimeUnit unit)


       throws InterruptedException {


 


       Objects.requireNonNull(e);


       longnanos = unit.toNanos(timeout);


       final ReentrantLock lock = this.lock;


       lock.lockInterruptibly();  // 获取锁


       try {


           while (count == items.length) {


               if (nanos <= 0L)


                   returnfalse;


               nanos = notFull.awaitNanos(nanos);  // 使线程等待指定的时间


           }


           enqueue(e);


           returntrue;


       } finally {


           lock.unlock();  // 解锁


       }


   }




从上面代码可以看出,offer(e,time,unit)方法的实现,分为以下几个步骤:




l  先是要获取锁。


l  而后判断count是否与数组items的长度一致,如果一致则证明队列已经满了,就等待;否则执行enqueue(e)方法做元素的入队。


l  最后解锁。




3.4.     add(e)


执行add(e)方法后有两种结果




l  队列未满时,返回 true


l  队列满时,则抛出异常




ArrayBlockingQueueadd(e)方法源码如下:




   publicbooleanadd(E e) {


       returnsuper.add(e);


   }






从上面代码可以看出,add(e)方法的实现,直接是调用了父类AbstractQueueadd(e)方法。而AbstractQueueadd(e)方法源码如下:






publicbooleanadd(E e) {


       if (offer(e))


           returntrue;


       else


           thrownew IllegalStateException("Queue full");


}


 




从上面代码可以看出,add(e)方法又调用了offer(e)方法。offer(e)方法此处不再赘述。








3.5.     poll ()


执行poll ()方法后有两种结果:




l  队列不为空时,返回队首值并移除


l  队列为空时,返回 null






ArrayBlockingQueuepoll()方法源码如下:




public E poll() {


       final ReentrantLock lock = this.lock;


       lock.lock();  // 加锁


       try {


           return (count == 0) ? null : dequeue(); // 出队


       } finally {


           lock.unlock();  // 解锁


       }


   }




从上面代码可以看出,执行poll()方法时,分为以下几个步骤:




l  为了确保并发操作的安全先做了加锁处理。


l  而后判断count是否等于0,如果等于0则证明队列为空,直接返回null;否则执行dequeue()方法做元素的出队。


l  最后解锁。




dequeue()方法源码如下:






private E dequeue() {


       final Object[] items = this.items;


       @SuppressWarnings("unchecked")


       E e = (E) items[takeIndex];


       items[takeIndex] = null;  // 删除数据


       if (++takeIndex == items.length) takeIndex = 0;


       count--;


       if (itrs != null)


           itrs.elementDequeued();


       notFull.signal(); // 唤醒等待中的线程


       returne;


}




上面代码比较简单,在当前索引(takeIndex)位置取出待出队的元素并删除队列中的元素,而后takeIndex递增count递减,并通过signal()方法唤醒等待中的线程。其中一个注意点是,当takeIndex等于数组items长度时,takeIndex置为0




3.6.     take()


执行take()方法后有两种结果:




l  队列不为空时,返回队首值并移除


l  队列为空时,会阻塞等待,一直等到队列不为空时再返回队首值




ArrayBlockingQueuetake ()方法源码如下:




public E take() throws InterruptedException {


       final ReentrantLock lock = this.lock;


       lock.lockInterruptibly();  // 获取锁


       try {


           while (count == 0)


               notEmpty.await(); // 使线程等待


           return dequeue();  // 出队


       } finally {


           lock.unlock();  // 解锁


       }


   }




从上面代码可以看出,执行take()方法时,分为以下几个步骤:




l  先是要获取锁。


l  而后判断count是否等于0,如果等于0则证明队列为空,会阻塞等待;否则执行dequeue()方法做元素的出队。


l  最后解锁。




dequeue()方法此处不再赘述。




3.7.     poll(time,unit)


poll(time,unit)方法与poll()方法不同之处在于,前者加入了等待机制。设定等待的时间,如果在指定时间内队列还为空,则返回null。执行poll(time,unit)方法后有两种结果:




l  队列不为空时,返回队首值并移除


l  队列为空时,会阻塞等待,如果在指定时间内队列还为空则返回 null




ArrayBlockingQueuepoll(time,unit)方法源码如下:




public E poll(longtimeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException {


       longnanos = unit.toNanos(timeout);


       final ReentrantLock lock = this.lock;


       lock.lockInterruptibly();  // 获取锁


       try {


           while (count == 0) {


               if (nanos <= 0L)


                   returnnull;


               nanos = notEmpty.awaitNanos(nanos); // 使线程等待指定的时间


           }


           return dequeue();  // 出队


       } finally {


           lock.unlock();  // 解锁


       }


   }


从上面代码可以看出,执行poll(time,unit)方法时,分为以下几个步骤:




l  先是要获取锁。


l  而后判断count是否等于0,如果等于0则证明队列为空,会阻塞等待;否则执行dequeue()方法做元素的出队。


l  最后解锁。




dequeue()方法此处不再赘述。






3.8.     remove()


执行remove()方法后有两种结果:




l  队列不为空时,返回队首值并移除


l  队列为空时,抛出异常




ArrayBlockingQueueremove()方法其实是调用了父类AbstractQueueremove()方法,源码如下:




public E remove() {


       E x = poll();


       if (x != null)


           returnx;


       else


           thrownew NoSuchElementException();


}




从上面代码可以看出,remove()直接调用了poll()方法。如果poll()方法返回结果为null,则抛出NoSuchElementException异常。




poll()方法此处不再赘述。




3.9.     peek()


执行peek()方法后有两种结果:




l  队列不为空时,返回队首值但不移除


l  队列为空时,返回null






peek()方法源码如下:




public E peek() {


       final ReentrantLock lock = this.lock;


       lock.lock(); // 加锁


       try {


           return itemAt(takeIndex); // 空则返回null


       } finally {


           lock.unlock();  // 解锁


       }


}


 


final E itemAt(inti) {


       return (E) items[i];


}




从上面代码可以看出,peek()方法比较简单,直接就是获取了数组里面的索引为takeIndex的元素。




3.10.            element()


执行element()方法后有两种结果:




l  队列不为空时,返回队首值但不移除


l  队列为空时,抛出异常






element()方法其实是调用了父类AbstractQueueelement()方法,源码如下:




public E element() {


       E x = peek();


       if (x != null)


           returnx;


       else


           thrownew NoSuchElementException();


}




从上面代码可以看出,执行element()方法时,先是获取peek()方法的结果,如果结果是null,则抛出NoSuchElementException异常。






4.   ArrayBlockingQueue的单元测试




ArrayBlockingQueue的单元测试如下:




 


package com.waylau.java.demo.datastructure;


 


importstatic org.junit.jupiter.api.Assertions.assertEquals;


importstatic org.junit.jupiter.api.Assertions.assertFalse;


importstatic org.junit.jupiter.api.Assertions.assertNotNull;


importstatic org.junit.jupiter.api.Assertions.assertNull;


importstatic org.junit.jupiter.api.Assertions.assertThrows;


importstatic org.junit.jupiter.api.Assertions.assertTrue;


 


import java.util.NoSuchElementException;


import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;


import java.util.concurrent.BlockingQueue;


import java.util.concurrent.TimeUnit;


 


import org.junit.jupiter.api.Test;


 


/**


* ArrayBlockingQueue Tests


*


* @since 1.0.0 202053


* @author <a href="https://waylau.com">Way Lau</a>


*/


class ArrayBlockingQueueTests {


   @Test


   void testOffer() {


       // 初始化队列


       BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(3);


 


       // 测试队列未满时,返回 true


       booleanresultNotFull = queue.offer("Java");


       assertTrue(resultNotFull);


 


       // 测试队列满则,返回 false


       queue.offer("C");


       queue.offer("Python");


       booleanresultFull = queue.offer("C++");


       assertFalse(resultFull);


   }


 


   @Test


   void testPut() throws InterruptedException {


       // 初始化队列


       BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(3);


 


       // 测试队列未满时,直接插入没有返回值;


       queue.put("Java");


 


       // 测试队列满则,会阻塞等待,一直等到队列未满时再插入。


       queue.put("C");


       queue.put("Python");


       queue.put("C++");  // 阻塞等待


   }


 


   @Test


   void testOfferTime() throws InterruptedException {


       // 初始化队列


       BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(3);


 


       // 测试队列未满时,返回 true


       booleanresultNotFull = queue.offer("Java", 5, TimeUnit.SECONDS);


       assertTrue(resultNotFull);


 


       // 测试队列满则,返回 false


       queue.offer("C");


       queue.offer("Python");


       booleanresultFull = queue.offer("C++", 5, TimeUnit.SECONDS); // 5


       assertFalse(resultFull);


   }


 


   @Test


   void testAdd() {


       // 初始化队列


       BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(3);


 


       // 测试队列未满时,返回 true


       booleanresultNotFull = queue.add("Java");


       assertTrue(resultNotFull);


 


       // 测试队列满则抛出异常


       queue.add("C");


       queue.add("Python");


 


       Throwable excpetion = assertThrows(IllegalStateException.class, () -> {


           queue.add("C++");// 抛异常


       });


 


       assertEquals("Queue full", excpetion.getMessage());


   }


 


   @Test


   void testPoll() throws InterruptedException {


       // 初始化队列


       BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(3);


 


       // 测试队列为空时,返回 null


       String resultEmpty = queue.poll();


       assertNull(resultEmpty);


 


       // 测试队列不为空时,返回队首值并移除


       queue.put("Java");


       queue.put("C");


       queue.put("Python");


       String resultNotEmpty = queue.poll();


       assertEquals("Java", resultNotEmpty);


   }


 


   @Test


   void testTake() throws InterruptedException {


       // 初始化队列


       BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(3);


 


       // 测试队列不为空时,返回队首值并移除


       queue.put("Java");


       queue.put("C");


       queue.put("Python");


       String resultNotEmpty = queue.take();


       assertEquals("Java", resultNotEmpty);


 


       // 测试队列为空时,会阻塞等待,一直等到队列不为空时再返回队首值


       queue.clear();


       String resultEmpty = queue.take(); // 阻塞等待


       assertNotNull(resultEmpty);


   }


 


   @Test


   void testPollTime() throws InterruptedException {


       // 初始化队列


       BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(3);


 


       // 测试队列不为空时,返回队首值并移除


       queue.put("Java");


       queue.put("C");


       queue.put("Python");


       String resultNotEmpty = queue.poll(5, TimeUnit.SECONDS);


       assertEquals("Java", resultNotEmpty);


 


       // 测试队列为空时,会阻塞等待,如果在指定时间内队列还为空则返回 null


       queue.clear();


       String resultEmpty = queue.poll(5, TimeUnit.SECONDS); // 等待5


       assertNull(resultEmpty);


   }


 


   @Test


   void testRemove() throws InterruptedException {


       // 初始化队列


       BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(3);


 


       // 测试队列为空时,抛出异常


       Throwable excpetion = assertThrows(NoSuchElementException.class, () -> {


           queue.remove();// 抛异常


       });


 


       assertEquals(null, excpetion.getMessage());


 


       // 测试队列不为空时,返回队首值并移除


       queue.put("Java");


       queue.put("C");


       queue.put("Python");


       String resultNotEmpty = queue.remove();


       assertEquals("Java", resultNotEmpty);


   }


 


@Test


   void testPeek() throws InterruptedException {


       // 初始化队列


       Queue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(3);


 


       // 测试队列不为空时,返回队首值并但不移除


       queue.add("Java");


       queue.add("C");


       queue.add("Python");


       String resultNotEmpty = queue.peek();


       assertEquals("Java", resultNotEmpty);


       resultNotEmpty = queue.peek();


       assertEquals("Java", resultNotEmpty);


       resultNotEmpty = queue.peek();


       assertEquals("Java", resultNotEmpty);


 


       // 测试队列为空时,返回null


       queue.clear();


       String resultEmpty = queue.peek();


       assertNull(resultEmpty);


   }


 


   @Test


   void testElement() throws InterruptedException {


       // 初始化队列


       Queue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(3);


 


       // 测试队列不为空时,返回队首值并但不移除


       queue.add("Java");


       queue.add("C");


       queue.add("Python");


       String resultNotEmpty = queue.element();


       assertEquals("Java", resultNotEmpty);


       resultNotEmpty = queue.element();


       assertEquals("Java", resultNotEmpty);


       resultNotEmpty = queue.element();


       assertEquals("Java", resultNotEmpty);


 


       // 测试队列为空时,抛出异常


       queue.clear();


       Throwable excpetion = assertThrows(NoSuchElementException.class, () -> {


           queue.element();// 抛异常


       });


 


       assertEquals(null, excpetion.getMessage());


   }


}




5.   ArrayBlockingQueue的应用案例


以下是一个生产者-消费者的示例。该示例模拟了1个生产者,2个消费者。当队列满时,则会阻塞生产者生产;当队列空时,则会阻塞消费者消费。


 


package com.waylau.java.demo.datastructure;


 


import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;


import java.util.concurrent.BlockingQueue;


 


/**


* ArrayBlockingQueue Demo


*


* @since 1.0.0 202053


* @author <a href="https://waylau.com">Way Lau</a>


*/


publicclass ArrayBlockingQueueDemo {


 


   publicstaticvoid main(String[] args) {


       BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<String>(3);


     


       // 1个生产者


       Producer p = new Producer(queue);


     


       // 2个消费者


       Consumer c1 = new Consumer("c1", queue);


       Consumer c2 = new Consumer("c2", queue);


     


       // 启动线程


       new Thread(p).start();


       new Thread(c1).start();


       new Thread(c2).start();


   }


}


 


class Producer implements Runnable {


   privatefinal BlockingQueue<String> queue;


 


   Producer(BlockingQueue<String> queue) {


       this.queue = queue;


   }


 


   publicvoid run() {


       try {


           while (true) {


               // 模拟耗时操作


               Thread.sleep(1000L);


 


               queue.put(produce());


           }


       } catch (InterruptedException ex) {


           ex.printStackTrace();


       }


   }


 


   String produce() {


       String apple = "apple: " + System.currentTimeMillis();


       System.out.println("produce " + apple);


       returnapple;


   }


}


 


class Consumer implements Runnable {


   privatefinal BlockingQueue<String> queue;


 


   privatefinal String name;


 


   Consumer(String name, BlockingQueue<String> queue) {


       this.queue = queue;


       this.name = name;


   }


 


   publicvoid run() {


       try {


           while (true) {


               // 模拟耗时操作


               Thread.sleep(2000L);


 


               consume(queue.take());


           }


       } catch (InterruptedException ex) {


           ex.printStackTrace();


       }


   }


 


   void consume(Object x) {


       System.out.println(this.name + " consume " + x);


   }


}


 


 


 


 


运行上述程序,输出内容如下:


 


produce apple: 1590308383034


c2 consume apple: 1590308383034


produce apple: 1590308384034


c1 consume apple: 1590308384034


produce apple: 1590308385036


c2 consume apple: 1590308385036


produce apple: 1590308386036


c1 consume apple: 1590308386036


produce apple: 1590308387036


c2 consume apple: 1590308387036


produce apple: 1590308388036


c1 consume apple: 1590308388036


produce apple: 1590308389041


c2 consume apple: 1590308389041


produce apple: 1590308390041


c1 consume apple: 1590308390041


produce apple: 1590308391042


c2 consume apple: 1590308391042


produce apple: 1590308392042


c1 consume apple: 1590308392042


6.   参考引用


本系列归档至《Java数据结构及算法实战》:https://github.com/waylau/java-data-structures-and-algorithms-in-action

《数据结构和算法基础(Java语言实现)》(柳伟卫著,北京大学出版社出版):https://item.jd.com/13014179.html

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