Kotlin協程概念原理與使用實例分析

本篇內容介紹了“Kotlin協程概念原理與使用實例分析”的有關知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠學有所成！

一.協程概述

1.概念

協程是Coroutine的中文簡稱，co表示協同、協作，routine表示程序。協程可以理解為多個互相協作的程序。協程是輕量級的線程，它的輕量體現在啟動和切換，協程的啟動不需要申請額外的堆棧空間；協程的切換發生在用戶態，而非內核態，避免了復雜的系統調用。

2.特點

1）更加輕量級，占用資源更少。

2）避免“回調地獄”，增加代碼可讀性。

3）協程的掛起不阻塞線程。

3.原理

Kotlin協程原理核心體現在“續體傳遞”與“狀態機”兩部分。

1）續體傳遞

續體傳遞是一種代碼編寫風格——續體傳遞風格(Continuation-Passing-Style)，簡稱為CPS。續體傳遞本質上是代碼的回調與結果的傳遞。假設將順序執行代碼分成兩部分，第一部分執行完成，返回一個結果(可能為空、一個對象引用、一個具體的值)。接著通過回調執行第二部分代碼，并傳入第一部分代碼返回的結果，這種形式的代碼編寫風格就是續體傳遞風格。

具體地，假設要計算一個復雜的計算，正常情況會這樣編寫，代碼如下：

fun calculate(a: Int, b: Int): Int = a + b
fun main() {
    val result = calculate(1, 2)
    Log.d("liduo",result)
}

把上面的代碼改造成續體傳遞風格。首先，定義一個續體傳遞接口，代碼如下：

interface Continuation {
    fun next(result: Int)
}

對calculate方法進行改造，代碼如下：

fun calculate(a: Int, b: Int, continuation: Continuation) = 
    continuation.next(a + b)
fun main() {
    calculate(1, 2) { result ->
        Log.d("liduo", result)
    }
}

經過續體傳遞改造后，打印日志的操作被封裝到了Continuation中，并且依賴計算操作的回調。如果continuation方法不回調執行參數continuation，打印日志的操作將永遠不會被執行。

原本順序執行一段代碼(邏輯)，在經過一次續體改造后變成了兩段代碼(邏輯)。

2）狀態機

協程的代碼在經過Kotlin編譯器處理時，會被優化成狀態機模型。每段代碼有三個狀態：未執行、掛起、已恢復(完成)。處于未執行狀態的代碼可以被執行，執行過程中發生掛起，會進入掛起狀態，從掛起中恢復或執行完畢會進入已恢復(完成)狀態。當多個像這樣的代碼進行協作時，可以組合出更復雜的狀態機。

二.協程基礎

1.協程的上下文

協程上下文是一組可以附加到協程中的持久化用戶定義對象，代碼如下：

interface CoroutineContext {
    // 重載"[]"操作
    operator fun <E : Element> get(key: Key<E>): E?
    // 單值歸一化操作
    fun <R> fold(initial: R, operation: (R, Element) -> R): R
    // 重載 "+"操作
    operator fun plus(context: CoroutineContext): CoroutineContext
    // 獲取當前指定key外的其他上下文
    fun minusKey(key: Key<*>): CoroutineContext
    interface Element : CoroutineContext {
        val key: Key<*>
    }
    interface Key<E : Element>
}

Element接口繼承自CoroutineContext接口，協程中的攔截器、調度器、異常處理器以及代表協程自身生命周期等重要的類，都實現了Element接口。

Element接口規定每個實現該接口的對象都要有一個獨一無二的Key，以便在需要的時候可以在協程上下文中快速的找到。因此，協程上下文可以理解為是一個Element的索引集，一個結構介于Set和Map之間的索引集。

2.協程的作用域

協程作用域用于管理作用域內協程的生命周期，代碼如下：

interface CoroutineScope {
    // 作用域內啟動協程的默認上下文
    val coroutineContext: CoroutineContext
}

協程中提供了兩個常用的方法來創建新的協程作用域，一個是coroutineScope方法，一個是supervisorScope方法，這兩種方法創建的作用域中的上下文會自動繼承父協程的上下文。除此之外，使用GlobalScope啟動協程，也會為協程創建一個新的協程作用域，但協程作用域的上下文為空上下文。

當父協程被取消或發生異常時，會自動取消父協程所有的子協程。當子協程取消或發生異常時，在coroutineScope作用域下，會導致父協程取消；而在supervisorScope作用域下，則不會影響父協程。

協程的作用域只對父子協程有效，對子孫協程無效。例如：啟動父協程，在supervisorScope作用域內啟動子協程。當子協程在啟動孫協程時，在不指定為supervisorScope作用域的情況下，默認為coroutineScope作用域。

3.協程調度器

協程調度器用于切換執行協程的線程。常見的調度器有以下4種：

• Dispatchers.Default：默認調度器。它使用JVM的共享線程池，該調度器的最大并發度是CPU的核心數，默認為2。

• Dispatchers.Unconfined：非受限調度器。該調度器不會限制代碼在指定的線程上執行。即掛起函數后面的代碼不會主動恢復到掛起之前的線程去執行，而是在執行掛起函數的線程上執行。

• Dispatchers.IO：IO調度器。它將阻塞的IO任務分流到一個共享的線程池中。該調度器和Dispatchers.Default共享線程。

• Dispatchers.Main：主線程調度器。一般用于操作與更新UI。

注意：Dispatchers.Default調度器和Dispatchers.IO 調度器分配的線程為守護線程。

4.協程的啟動模式

協程共有以下四種啟動模式：

• CoroutineStart.DEFAULT：立即執行協程，可以隨時取消。

• CoroutineStart.LAZY：創建一個協程，但不執行，在用戶需要時手動觸發執行。

• CoroutineStart.ATOMIC：立即執行協程，但在協程執行前無法取消。目前處于試驗階段。

• CoroutineStart.UNDISPATCHED：立即在當前線程執行協程，直到遇到第一個掛起。目前處于試驗階段。

5.協程的生命周期

每個協程在創建后都會返回一個Job接口指向的對象，一個Job對象代表一個協程，用于控制生命周期，代碼如下：

interface Job : CoroutineContext.Element {
    ...
    // 三個狀態標志
    val isActive: Boolean
    val isCompleted: Boolean
    val isCancelled: Boolean
    // 獲取具體的取消異常
    fun getCancellationException(): CancellationException
    // 啟動協程
    fun start(): Boolean
    // 取消協程
    fun cancel(cause: CancellationException? = null)
    ...
    // 等待協程執行結束
    suspend fun join()
    // 用于select語句
    val onJoin: SelectClause0
    // 用于注冊協程執行結束的回調
    fun invokeOnCompletion(handler: CompletionHandler): DisposableHandle
    ...
}

1）協程狀態的轉換

在DEFAULT、ATOMIC、UNDISPATCHED這三個模式下，啟動協程會進入Active狀態，而在LAZY模式下啟動的協程會進入New狀態，需要在手動調用start方法后進入Active狀態。

Completing是一個內部狀態，對外不可感知。

2）狀態標識的變化

三.協程使用

1.協程的啟動

1）runBlocking方法

fun <T> runBlocking(context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext, block: suspend CoroutineScope.() -> T): T

該方法用于在非協程作用域環境中啟動一個協程，并在這個協程中執行lambda表達式中的代碼。同時，調用該方法會阻塞當前線程，直到lambda表達式執行完畢。該方法不應該在協程中被調用，該方法設計的目的是為了讓suspend編寫的代碼可以在常規的阻塞代碼中調用。如果不設置協程調度器，那么協程將在當前被阻塞的線程中執行。示例代碼如下：

private fun main() {
    // 不指定調度器，在方法調用的線程執行
    runBlocking {
        // 這里是協程的作用域
        Log.d("liduo", "123")
    }
}
private fun main() {
    // 指定調度器，在IO線程中執行
    runBlocking(Dispatchers.IO) {
        // 這里是協程的作用域
        Log.d("liduo", "123")
    }
}

2）launch方法

fun CoroutineScope.launch(
    context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext,
    start: CoroutineStart = CoroutineStart.DEFAULT,
    block: suspend CoroutineScope.() -> Unit
): Job

該方法用于在協程作用域中異步啟動一個新的協程，調用該方法不會阻塞線程。示例代碼如下：

private fun test() {
    // 作用域為GlobalScope
    // 懶啟動，主線程執行
    val job = GlobalScope.launch(
            context = Dispatchers.Main, 
            start = CoroutineStart.LAZY) {
        Log.d("liduo", "123")
    }
    // 啟動協程
    job.start()
}

3）async方法

fun <T> CoroutineScope.async(
    context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext,
    start: CoroutineStart = CoroutineStart.DEFAULT,
    block: suspend CoroutineScope.() -> T
): Deferred<T>

該方法用于在協程作用域中中異步啟動一個新的協程，調用該方法不會阻塞線程。async方法與launch方法的不同之處在于可以攜帶返回值。調用該方法會返回一個Deferred接口指向的對象，調用該對象可以獲取協程執行的結果。同時，Deferred接口繼承自Job接口，因此仍然可以操作協程的生命周期。示例代碼如下：

// suspend標記
private suspend fun test(): Int {
    // 作用域為GlobalScope，返回值為Int類型，，泛型可省略，自動推斷
    val deffer = GlobalScope.async<Int> {
        Log.d("liduo", "123")
        // 延時1s
        delay(1000)
        1
    }
    // 獲取返回值
    return deffer.await()
}

通過調用返回的Deferred接口指向對象的await方法可以獲取返回值。在調用await方法時，如果協程執行完畢，則直接獲取返回值。如果協程還在執行，則該方法會導致協程掛起，直到執行結束或發生異常。

4）suspend關鍵字

suspend關鍵字用于修飾一個方法(lambda表達式)。suspend修飾的方法稱為suspend方法，表示方法在執行中可能發生掛起。為什么是可能呢？比如下面的代碼雖然被suspend修飾，但實際并不會發生掛起：

private suspend fun test() {
    Log.d("liduo", "123")
}

由于會發生掛起，因此suspend方法只能在協程中使用。suspend方法內部可以調用其他的suspend方法，也可以非suspend方法。但suspend方法只能被其他的suspend方法調用。

5）withContext方法

suspend fun <T> withContext(
    context: CoroutineContext,
    block: suspend CoroutineScope.() -> T
): T

該方法用于在當前協程的執行過程中，切換到調度器指定的線程去執行參數block中的代碼，并返回一個結果。調用該方法可能會使當前協程掛起，并在方法執行結束時恢復掛起。示例代碼如下：

private suspend fun test() {
    // IO線程啟動并執行，啟動模式DEFAULT
    GlobalScope.launch(Dispatchers.IO) {
        Log.d("liduo", "start")
        // 線程主切換并掛起，泛型可省略，自動推斷
        val result = withContext<String>(Dispatchers.Main) {
            // 網絡請求
            "json data"
        }
        // 切換回IO線程
        Log.d("liduo", result)
    }
}

6）suspend方法

inline fun <R> suspend(noinline block: suspend () -> R): suspend () -> R = block

該方法用于對掛起方法進行包裹，使掛起方法可以在非掛起方法中調用。該方法需要配合createCoroutine方法啟動協程。示例代碼如下：

// 返回包含當前的協程代碼的續體
val continuation = suspend {
    // 執行協程代碼
    // 泛型可以修改需要的類型
}.createCoroutine(object : Continuation<Any> {
    override val context: CoroutineContext
        get() = EmptyCoroutineContext + Dispatchers.Main

    override fun resumeWith(result: Result<Any>) {
        // 獲取最終結果
    }
})
// 執行續體內容
continuation.resume(Unit)

一般開發中不會通過該方法啟動協程，但該方法可以更本質的展示協程的啟動、恢復、掛起。

2.協程間通信

1）Channel

Channel用于協程間的通信。Channel本質上是一個并發安全的隊列，類似BlockingQueue。在使用時，通過調用同一個Channel對象的send和receive方法實現通信，示例代碼如下：

suspend fun main() {
    // 創建
    val channel = Channel<Int>()
    val producer = GlobalScope.launch {
        var i = 0
        while (true){
            // 發送
            channel.send(i++)
            delay(1000)
            // channel不需要時要及時關閉
            if(i == 10)
                channel.close()
        }
    }
    // 寫法1:常規
    val consumer = GlobalScope.launch {
        while(true){
            // 接收
            val element = channel.receive()
            Log.d("liduo", "$element")
        }
    }
    // 寫法2:迭代器
    val consumer = GlobalScope.launch {
        val iterator = channel.iterator()
        while(iterator.hasNext()){
            // 接收
            val element = iterator.next()
            Log.d("liduo", "$element")
        }
    }
    // 寫法3:增強for循環
    val consumer = GlobalScope.launch {
        for(element in channel){
            Log.d("liduo", "$element")
        }
    }
    // 上面的協程由于不是懶啟動，因此創建完成直接就會start去執行
    // 也就是說，代碼走到這里，上面的兩個協程已經開始工作
    // join方法會掛起當前協程，而不是上面已經啟動的兩個協程
    // 在Android環境中，下面兩行代碼可以不用添加
    // producer.join()
    // consumer.join()
}

上述例子是一個經典的生產者-消費者模型。在寫法1中，由于send方法和receive方法被suspend關鍵字修飾，因此，在默認情況下，當生產速度與消費速度不匹配時，調用這兩個方法會導致協程掛起。

除此之外，Channel支持使用迭代器進行接收。其中，hasNext方法也可能會導致協程掛起。

Channel對象在不使用時要及時關閉，可以由發送者關閉，也可以由接收者關閉，具體取決于業務場景。

2）Channel的容量

Channel方法不是Channel的構造方法，而是一個工廠方法，代碼如下：

fun <E> Channel(capacity: Int = RENDEZVOUS): Channel<E> =
    when (capacity) {
        RENDEZVOUS -> RendezvousChannel()
        UNLIMITED -> LinkedListChannel()
        CONFLATED -> ConflatedChannel()
        BUFFERED -> ArrayChannel(CHANNEL_DEFAULT_CAPACITY)
        else -> ArrayChannel(capacity)
    }

在創建Channel時可以指定容量：

• RENDEZVOUS：創建一個容量為0的Channel，類似于SynchronousQueue。send之后會掛起，直到被receive。枚舉值為0。

• UNLIMITED：創建一個容量無限的Channel，內部通過鏈表實現。枚舉值為Int.MAX_VALUE。

• CONFLATED：創建一個容量為1的Channel，當后一個的數據會覆蓋前一個數據。枚舉值為-1。

• BUFFERED：創建一個默認容量的Channel，默認容量為kotlinx.coroutines.channels.defaultBuffer配置變量指定的值，未配置情況下，默認為64。枚舉值為-2。

• 如果capacity的值不為上述的枚舉值，則創建一個指定容量的Channel。

3）produce方法與actor方法

fun <E> CoroutineScope.produce(
    context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext,
    capacity: Int = 0,
    @BuilderInference block: suspend ProducerScope<E>.() -> Unit
): ReceiveChannel<E>

fun <E> CoroutineScope.actor(
    context: CoroutineContext = EmptyCoroutineContext,
    capacity: Int = 0,
    start: CoroutineStart = CoroutineStart.DEFAULT,
    onCompletion: CompletionHandler? = null,
    block: suspend ActorScope<E>.() -> Unit
): SendChannel<E>

與launch方法和async方法相同，使用produce方法與actor方法也可以啟動協程。但不同的是，在produce方法與actor方法中可以更簡潔的使用Channel。示例代碼如下：

// 啟動協程，返回一個接收Channel
val receiveChannel: ReceiveChannel<Int> = GlobalScope.produce {
    while(true){
        delay(100)
        // 發送
        send(1)
    }
}
// 啟動協程，返回一個發送Channel
val sendChannel: SendChannel<Int> = GlobalScope.actor<Int> {
    while(true){
        // 接收
        val element = receive()
        Log.d("liduo","$element")
    }
}

produce方法與actor方法內部對Channel對象做了處理，當協程執行完畢，自動關閉Channel對象。

但目前，produce方法還處于試驗階段(被ExperimentalCoroutinesApi注解修飾)。而actor方法也已經過時(被ObsoleteCoroutinesApi注解修飾)。因此在實際開發中最好不要使用！

4）BroadcastChannel

當遇到一個發送者對應多個接收者的場景時，可以使用BroadcastChannel。代碼如下：

fun <E> BroadcastChannel(capacity: Int): BroadcastChannel<E> = 
    when (capacity) {
        0 -> throw IllegalArgumentException("Unsupported 0 capacity for BroadcastChannel")
        UNLIMITED -> throw IllegalArgumentException("Unsupported UNLIMITED capacity for BroadcastChannel")
        CONFLATED -> ConflatedBroadcastChannel()
        BUFFERED -> ArrayBroadcastChannel(CHANNEL_DEFAULT_CAPACITY)
        else -> ArrayBroadcastChannel(capacity)
    }

創建BroadcastChannel對象時，必須指定容量大小。接收者通過調用BroadcastChannel對象的openSubscription方法，獲取ReceiveChannel對象來接收消息。示例代碼如下：

// 創建BroadcastChannel，容量為5
val broadcastChannel = BroadcastChannel<Int>(5)
// 創建發送者協程
GlobalScope.launch {
    // 發送 1
    broadcastChannel.send(1)
    delay(100)
    // 發送 2
    broadcastChannel.send(2)
    // 關閉
    broadcastChannel.close()
}.join()
// 創建接收者1協程
GlobalScope.launch {
    // 獲取ReceiveChannel
    val receiveChannel = broadcastChannel.openSubscription()
    // 接收
    for (element in receiveChannel) {
        Log.d("receiver_1: ", "$element")
    }
}.join()
// 創建接收者2協程
GlobalScope.launch {
    // 獲取ReceiveChannel
    val receiveChannel = broadcastChannel.openSubscription()
    // 接收
    for (element in receiveChannel) {
        Log.d("receiver_2: ", "$element")
    }
}.join()

每個接收者都可以收到發送者發送的每一條消息。使用擴展方法broadcast可以直接將Channel對象轉化為BroadcastChannel對象，示例代碼如下：

val channel = Channel<Int>()
val broadcastChannel = channel.broadcast(10)

BroadcastChannel的很多方法也處于試驗階段(被ExperimentalCoroutinesApi注解修飾)，使用時需慎重！

3.多路復用

協程中提供了類似Java中Nio的select方法，用于多路復用，代碼如下：

suspend inline fun <R> select(crossinline builder: SelectBuilder<R>.() -> Unit): R

以Channel的多路復用為例，具體看一下select方法的使用。示例代碼如下：

private suspend fun test() {
    // 創建一個Channel列表
    val channelList = mutableListOf<Channel<Int>>()
    // 假設其中有5個Channel
    channelList.add(Channel())
    channelList.add(Channel())
    channelList.add(Channel())
    channelList.add(Channel())
    channelList.add(Channel())
    // 調用select方法，協程掛起
    val result = select<Int> {
        // 對5個Channel進行注冊監聽，等待接收
        channelList.forEach {
            it.onReceive
        }
    }
    // 當5個Channel中任意一個接收到消息時，select掛起恢復
    // 并將返回值賦給result
    Log.d("liduo", "$result")
}

除此之外，協程中還有很多接口定義了名字為"onXXX"的方法，比如Job接口的onJoin方法，Deferred接口的onAwait方法，都是用于配合select方法來進行多路復用。

4.序列生成器

協程中提供了sequence方法來生成序列。示例代碼如下：

private suspend fun test() {
    // 創建一個可以輸出奇數的序列，泛型可省略，自動推斷
    val singleNumber = sequence<Int> {
        val i = 0
        while (true) {
            // 在需要輸出的地方調用yield方法
            yield(2 * i - 1)
        }
    }
    // 調用迭代器，獲取序列的輸出
    singleNumber.iterator().forEach {
        Log.d("liduo", "$it")
    }
    // 獲取序列前五項，迭代輸出
    singleNumber.take(5).forEach {
        Log.d("liduo", "$it")
    }
}

調用yield方法會使協程掛起，同時輸出這個序列當前生成的值。除此之外，也可以調用yieldAll方法來輸出序列產生值的合集，示例代碼如下：

private suspend fun test() {
    // 創建一個可以輸出奇數的序列，泛型可省略，自動推斷
    val singleNumber = sequence<Int> {
        yieldAll(listOf(1,3,5,7))
        yieldAll(listOf(9,11,13))
        yieldAll(listOf(15,17))
    }
    // 調用迭代器，獲取序列的輸出，最多為9項
    singleNumber.iterator().forEach {
        Log.d("liduo", "$it")
    }
    // 獲取序列前五項，迭代輸出
    singleNumber.take(5).forEach {
        // 1，3，5，7，9
        Log.d("liduo", "$it")
    }    
}

5.協程異步流

協程中提供了類似RxJava的響應式編程API——Flow(官方稱為異步冷數據流，官方也提供了創建熱數據流的方法)。

1）基礎使用

// 在主線程上調用
GlobalScope.launch(Dispatchers.Main) {
    // 創建流
    flow<Int> {
        // 掛起，輸出返回值
        emit(1)
      // 設置流執行的線程，并消費流
    }.flowOn(Dispatchers.IO).collect {
            Log.d("liduo", "$it")
        }
}.join()

emit方法是一個掛起方法，類似sequence中的yield方法，用于輸出返回值。flowOn方法等同于Rxjava中的subscribeOn方法，用于切換flow執行的線程。為了避免理解混淆，Flow中沒有提供類似Rxjava中的observeOn方法，但可以通過指定流所在協程的上下文參數確定。collect方法等同于RxJava中的subscribe方法，用于觸發和消費流。

一個流可以被多次消費，示例代碼如下：

GlobalScope.launch(Dispatchers.IO) {
    val mFlow = flow<Int> {
        emit(1)
    }.flowOn(Dispatchers.Main)
    mFlow.collect { Log.d("liduo1", "$it") }
    mFlow.collect { Log.d("liduo2", "$it") }
}.join()

2）異常處理

Flow支持類似try-catch-finally的異常處理。示例代碼如下：

flow<Int> {
    emit(1)
    // 拋出異常
    throw NullPointerException()
}.catch { cause: Throwable ->
    Log.d("liduo", "${cause.message}")
}.onCompletion { cause: Throwable? ->
    Log.d("liduo", "${cause?.message}")
}

catch方法用于捕獲異常。onCompletion方法等同于finally代碼塊。Kotlin不建議直接在flow中通過try-catch-finally代碼塊去捕獲異常！

Flow中還提供了類似RxJava的onErrorReturn方法的操作，示例代碼如下：

flow<Int> {
    emit(1)
    // 拋出異常
    throw NullPointerException()
}.catch { cause: Throwable ->
    Log.d("liduo", "${cause.message}")
    emit(-1)
}

3）觸發分離

Flow支持提前寫好流的消費，在必要的時候再去觸發消費的操作。示例代碼如下：

// 創建Flow的方法
fun myFlow() = flow<Int> {
    // 生產過程
    emit(1)
}.onEach {
    // 消費過程
    Log.d("liduo", "$it")
}
suspend fun main() {
    // 寫法1
    GlobalScope.launch {
        // 觸發消費
        myFlow().collect()
    }.join()
    // 寫法2
    myFlow().launchIn(GlobalScope).join()
}

4）注意

• Flow中不提供取消collect的方法。如果要取消flow的執行，可以直接取消flow所在的協程。

• emit方法不是線程安全的，因此不要在flow中調用withContext等方法切換調度器。如果需要切換，可以使用channelFlow。

6.全局上下文

在本文中，啟動協程使用的都是GlobalScope，但在實際開發過程中，不應該使用GlobalScope。GlobalScope會開啟一個全新的協程作用域，并且不受我們控制。假設Activity頁面關閉時，其中的協程還沒有運行結束，并且我們還無法取消協程的執行，這時可能會導致內存泄漏。因此，在實際開發中，可以自定義一個全局的協程作用域，或者至少按照以下方法書寫代碼：

// 實現CoroutineScope接口
class MainActivity : AppCompatActivity(),CoroutineScope by MainScope() {
    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        setContentView(R.layout.activity_main)
        // 直接啟動協程
        launch {
            Log.d("liduo", "launch")
        }
    }
    override fun onDestroy() {
        super.onDestroy()
        // 取消頂級父協程
        cancel()
    }
}

MainScope的代碼如下：

public fun MainScope(): CoroutineScope = ContextScope(SupervisorJob() + Dispatchers.Main)

Dispatchers.Main表示在主線程調度，SupervisorJob()表示子協程取消不會影響父協程。

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