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MongoDB中索引的示例分析

發布時間：2021-01-22 12:44:33 來源：億速云 閱讀：287 作者：小新 欄目：數據庫

這篇文章主要介紹MongoDB中索引的示例分析，文中介紹的非常詳細，具有一定的參考價值，感興趣的小伙伴們一定要看完！

一、索引究竟是什么東西？

大部分開發者接觸索引，大概知道索引類似書的目錄，你要找到想要的內容，通過目錄找到限定的關鍵字，進而找到對應的章節的pageno，再找到具體的內容。
在數據結構里面，最簡單的索引實現類似hashmap，通過關鍵字key，映射到具體的位置，找到具體的內容。但除了hash的方式，還有多種的方式實現索引。

（一）索引的多種實現方式以及特色

hash / b-tree / b+-tree redis HSET / MongoDB&PostgreSQL / MySQL

hashmap

MongoDB中索引的示例分析

一圖見b-tree & b+-tree 差別：

MongoDB中索引的示例分析

  • b+-tree 葉子存數據，非葉子存索引，不存數據，葉子間有link

  • b-tree 非葉子可存數據

算法查找復雜度上來說：

  • hash 接近O(1)

  • b-tree  O(1)~ O(Log(n))更快的平均查找時間，不穩定的查詢時間

  • b+ tree  O(Log(n)) 連續數據， 查詢的穩定性

至于為何MongoDB 的實現選擇b-tree 而非 b+-tree ？
網上多篇文章有闡述，非本文重點。

（二）數據&索引的存儲

MongoDB中索引的示例分析index盡量存儲在內存，data 其次。
注意只保留必要的index，內存盡量用在刀刃上。
如果index memory 都接近占滿memory，那么就很容易讀到disk，速度就下來了。

（三）知道索引的實現&存儲原理后的思考

insert/update/delete 會觸發rebalance tree，所以，增刪改數據，索引會觸發修改，性能會有損耗，索引不是越多越好。既然如此，選哪些字段作為索引呢？當查詢用到這些條件，怎么辦？
拿一個最簡單的hashmap來講，為什么復雜度不是O(1)，而是所謂接近 O(1)。因為有key 沖突/重復，DB 去找的時候，key 沖突的數據一大堆的話，還是得輪著繼續找。b-tree  看鍵(key)的選擇也是如此。
因此一個大部分開發經常犯的錯就是對沒有區分度的key建索引。例如：很多就只有集中類別的 type/status 的 documents count 達幾十萬以上的collection，通常這種索引沒什么幫助。

二、復合索引

（一）復合索引不是越多越好

如果不想多建多余的索引，開發的同事在復合 & 單個字段選擇上有時候挺糾結的。 根據典型碰到的場景，來做幾個實驗：
這里創建了個loans collection。簡化只有100條數據。這個是借貸的表有 _id, userId, status(借貸狀態), amount(金額).

db.loans.count()100

db.loans.find({ "userId" : "59e022d33f239800129c61c7", "status" : "repayed", }).explain()
{
"queryPlanner" : {
"plannerVersion" : 1,
"namespace" : "cashLoan.loans",
"indexFilterSet" : false,
"parsedQuery" : {
 "$and" : [
   {
     "status" : {
       "$eq" : "repayed"
     }
   },
   {
     "userId" : {
       "$eq" : "59e022d33f239800129c61c7"
     }
   }
 ]
},
"queryHash" : "15D5A9A1",
"planCacheKey" : "15D5A9A1",
"winningPlan" : {
 "stage" : "COLLSCAN",
 "filter" : {
   "$and" : [
     {
       "status" : {
         "$eq" : "repayed"
       }
     },
     {
       "userId" : {
         "$eq" : "59e022d33f239800129c61c7"
       }
     }
   ]
 },
 "direction" : "forward"
},
"rejectedPlans" : [ ]
},
"serverInfo" : {
"host" : "RMBAP",
"port" : 27017,
"version" : "4.1.11",
"gitVersion" : "1b8a9f5dc5c3314042b55e7415a2a25045b32a94"
},
"ok" : 1
}

注意上面 COLLSCAN 全表掃描了,因為沒有索引。接下來我們分別建立幾個索引。
step 1 先建立 {userId:1, status:1}

db.loans.createIndex({userId:1, status:1})
{
"createdCollectionAutomatically" : false,
"numIndexesBefore" : 1,
"numIndexesAfter" : 2,
"ok" : 1
}
db.loans.find({ "userId" : "59e022d33f239800129c61c7", "status" : "repayed", }).explain()
{
"queryPlanner" : {
"plannerVersion" : 1,
"namespace" : "cashLoan.loans",
"indexFilterSet" : false,
"parsedQuery" : {
 "$and" : [
   {
     "status" : {
       "$eq" : "repayed"
     }
   },
   {
     "userId" : {
       "$eq" : "59e022d33f239800129c61c7"
     }
   }
 ]
},
"queryHash" : "15D5A9A1",
"planCacheKey" : "BB87F2BA",
"winningPlan" : {
 "stage" : "FETCH",
 "inputStage" : {
   "stage" : "IXSCAN",
   "keyPattern" : {
     "userId" : 1,
     "status" : 1
   },
   "indexName" : "userId_1_status_1",
   "isMultiKey" : false,
   "multiKeyPaths" : {
     "userId" : [ ],
     "status" : [ ]
   },
   "isUnique" : false,
   "isSparse" : false,
   "isPartial" : false,
   "indexVersion" : 2,
   "direction" : "forward",
   "indexBounds" : {
     "userId" : [
       "["59e022d33f239800129c61c7", "59e022d33f239800129c61c7"]"
     ],
     "status" : [
       "["repayed", "repayed"]"
     ]
   }
 }
},
"rejectedPlans" : [ ]
},
"serverInfo" : {
"host" : "RMBAP",
"port" : 27017,
"version" : "4.1.11",
"gitVersion" : "1b8a9f5dc5c3314042b55e7415a2a25045b32a94"
},
"ok" : 1
}

結果：如愿命中 {userId:1, status:1} 作為 winning plan。

step2：再建立個典型的索引 userId

db.loans.createIndex({userId:1})
{
"createdCollectionAutomatically" : false,
"numIndexesBefore" : 2,
"numIndexesAfter" : 3,
"ok" : 1
}
db.loans.find({ "userId" : "59e022d33f239800129c61c7", "status" : "repayed", }).explain()
{
"queryPlanner" : {
"plannerVersion" : 1,
"namespace" : "cashLoan.loans",
"indexFilterSet" : false,
"parsedQuery" : {
 "$and" : [
   {
     "status" : {
       "$eq" : "repayed"
     }
   },
   {
     "userId" : {
       "$eq" : "59e022d33f239800129c61c7"
     }
   }
 ]
},
"queryHash" : "15D5A9A1",
"planCacheKey" : "1B1A4861",
"winningPlan" : {
 "stage" : "FETCH",
 "inputStage" : {
   "stage" : "IXSCAN",
   "keyPattern" : {
     "userId" : 1,
     "status" : 1
   },
   "indexName" : "userId_1_status_1",
   "isMultiKey" : false,
   "multiKeyPaths" : {
     "userId" : [ ],
     "status" : [ ]
   },
   "isUnique" : false,
   "isSparse" : false,
   "isPartial" : false,
   "indexVersion" : 2,
   "direction" : "forward",
   "indexBounds" : {
     "userId" : [
       "[\"59e022d33f239800129c61c7\", \"59e022d33f239800129c61c7\"]"
     ],
     "status" : [
       "[\"repayed\", \"repayed\"]"
     ]
   }
 }
},
"rejectedPlans" : [
 {
   "stage" : "FETCH",
   "filter" : {
     "status" : {
       "$eq" : "repayed"
     }
   },
   "inputStage" : {
     "stage" : "IXSCAN",
     "keyPattern" : {
       "userId" : 1
     },
     "indexName" : "userId_1",
     "isMultiKey" : false,
     "multiKeyPaths" : {
       "userId" : [ ]
     },
     "isUnique" : false,
     "isSparse" : false,
     "isPartial" : false,
     "indexVersion" : 2,
     "direction" : "forward",
     "indexBounds" : {
       "userId" : [
         "["59e022d33f239800129c61c7", "59e022d33f239800129c61c7"]"
       ]
     }
   }
 }
]
},
"serverInfo" : {
"host" : "RMBAP",
"port" : 27017,
"version" : "4.1.11",
"gitVersion" : "1b8a9f5dc5c3314042b55e7415a2a25045b32a94"
},
"ok" : 1
}

留意到 DB 檢測到 {userId:1, status:1} 為更優執行的方案.

db.loans.find({ "userId" : "59e022d33f239800129c61c7" }).explain()
{
"queryPlanner" : {
"plannerVersion" : 1,
"namespace" : "cashLoan.loans",
"indexFilterSet" : false,
"parsedQuery" : {
 "userId" : {
   "$eq" : "59e022d33f239800129c61c7"
 }
},
"queryHash" : "B1777DBA",
"planCacheKey" : "1F09D68E",
"winningPlan" : {
 "stage" : "FETCH",
 "inputStage" : {
   "stage" : "IXSCAN",
   "keyPattern" : {
     "userId" : 1
   },
   "indexName" : "userId_1",
   "isMultiKey" : false,
   "multiKeyPaths" : {
     "userId" : [ ]
   },
   "isUnique" : false,
   "isSparse" : false,
   "isPartial" : false,
   "indexVersion" : 2,
   "direction" : "forward",
   "indexBounds" : {
     "userId" : [
       "["59e022d33f239800129c61c7", "59e022d33f239800129c61c7"]"
     ]
   }
 }
},
"rejectedPlans" : [
 {
   "stage" : "FETCH",
   "inputStage" : {
     "stage" : "IXSCAN",
     "keyPattern" : {
       "userId" : 1,
       "status" : 1
     },
     "indexName" : "userId_1_status_1",
     "isMultiKey" : false,
     "multiKeyPaths" : {
       "userId" : [ ],
       "status" : [ ]
     },
     "isUnique" : false,
     "isSparse" : false,
     "isPartial" : false,
     "indexVersion" : 2,
     "direction" : "forward",
     "indexBounds" : {
       "userId" : [
         "["59e022d33f239800129c61c7", "59e022d33f239800129c61c7"]"
       ],
       "status" : [
         "[MinKey, MaxKey]"
       ]
     }
   }
 }
]
},
"serverInfo" : {
"host" : "RMBAP",
"port" : 27017,
"version" : "4.1.11",
"gitVersion" : "1b8a9f5dc5c3314042b55e7415a2a25045b32a94"
},
"ok" : 1
}

留意到 DB 檢測到 {userId:1} 為更優執行的方案，嗯~，如我們所料.

db.loans.find({ "status" : "repayed" }).explain()
{
"queryPlanner" : {
"plannerVersion" : 1,
"namespace" : "cashLoan.loans",
"indexFilterSet" : false,
"parsedQuery" : {
 "status" : {
   "$eq" : "repayed"
 }
},
"queryHash" : "E6304EB6",
"planCacheKey" : "7A94191B",
"winningPlan" : {
 "stage" : "COLLSCAN",
 "filter" : {
   "status" : {
     "$eq" : "repayed"
   }
 },
 "direction" : "forward"
},
"rejectedPlans" : [ ]
},
"serverInfo" : {
"host" : "RMBAP",
"port" : 27017,
"version" : "4.1.11",
"gitVersion" : "1b8a9f5dc5c3314042b55e7415a2a25045b32a94"
},
"ok" : 1
}

有趣的部分：status不命中索引，全表掃描
接下來的步驟，加個sort :

db.loans.find({ "userId" : "59e022d33f239800129c61c7" }).sort({status:1}).explain()
{
"queryPlanner" : {
"plannerVersion" : 1,
"namespace" : "cashLoan.loans",
"indexFilterSet" : false,
"parsedQuery" : {
 "userId" : {
   "$eq" : "59e022d33f239800129c61c7"
 }
},
"queryHash" : "F5ABB1AA",
"planCacheKey" : "764CBAA8",
"winningPlan" : {
 "stage" : "FETCH",
 "inputStage" : {
   "stage" : "IXSCAN",
   "keyPattern" : {
     "userId" : 1,
     "status" : 1
   },
   "indexName" : "userId_1_status_1",
   "isMultiKey" : false,
   "multiKeyPaths" : {
     "userId" : [ ],
     "status" : [ ]
   },
   "isUnique" : false,
   "isSparse" : false,
   "isPartial" : false,
   "indexVersion" : 2,
   "direction" : "forward",
   "indexBounds" : {
     "userId" : [
       "["59e022d33f239800129c61c7", "59e022d33f239800129c61c7"]"
     ],
     "status" : [
       "[MinKey, MaxKey]"
     ]
   }
 }
},
"rejectedPlans" : [
 {
   "stage" : "SORT",
   "sortPattern" : {
     "status" : 1
   },
   "inputStage" : {
     "stage" : "SORT_KEY_GENERATOR",
     "inputStage" : {
       "stage" : "FETCH",
       "inputStage" : {
         "stage" : "IXSCAN",
         "keyPattern" : {
           "userId" : 1
         },
         "indexName" : "userId_1",
         "isMultiKey" : false,
         "multiKeyPaths" : {
           "userId" : [ ]
         },
         "isUnique" : false,
         "isSparse" : false,
         "isPartial" : false,
         "indexVersion" : 2,
         "direction" : "forward",
         "indexBounds" : {
           "userId" : [
             "["59e022d33f239800129c61c7", "59e022d33f239800129c61c7"]"
           ]
         }
       }
     }
   }
 }
]
},
"serverInfo" : {
"host" : "RMBAP",
"port" : 27017,
"version" : "4.1.11",
"gitVersion" : "1b8a9f5dc5c3314042b55e7415a2a25045b32a94"
},
"ok" : 1
}
（二）其他嘗試

有趣的部分：status 不命中索引

db.loans.find({ "status" : "repayed","userId" : "59e022d33f239800129c61c7", }).explain()
{
"queryPlanner" : {
"plannerVersion" : 1,
"namespace" : "cashLoan.loans",
"indexFilterSet" : false,
"parsedQuery" : {
 "$and" : [
   {
     "status" : {
       "$eq" : "repayed"
     }
   },
   {
     "userId" : {
       "$eq" : "59e022d33f239800129c61c7"
     }
   }
 ]
},
"queryHash" : "15D5A9A1",
"planCacheKey" : "1B1A4861",
"winningPlan" : {
 "stage" : "FETCH",
 "inputStage" : {
   "stage" : "IXSCAN",
   "keyPattern" : {
     "userId" : 1,
     "status" : 1
   },
   "indexName" : "userId_1_status_1",
   "isMultiKey" : false,
   "multiKeyPaths" : {
     "userId" : [ ],
     "status" : [ ]
   },
   "isUnique" : false,
   "isSparse" : false,
   "isPartial" : false,
   "indexVersion" : 2,
   "direction" : "forward",
   "indexBounds" : {
     "userId" : [
       "[\"59e022d33f239800129c61c7\", \"59e022d33f239800129c61c7\"]"
     ],
     "status" : [
       "[\"repayed\", \"repayed\"]"
     ]
   }
 }
},
"rejectedPlans" : [
 {
   "stage" : "FETCH",
   "filter" : {
     "status" : {
       "$eq" : "repayed"
     }
   },
   "inputStage" : {
     "stage" : "IXSCAN",
     "keyPattern" : {
       "userId" : 1
     },
     "indexName" : "userId_1",
     "isMultiKey" : false,
     "multiKeyPaths" : {
       "userId" : [ ]
     },
     "isUnique" : false,
     "isSparse" : false,
     "isPartial" : false,
     "indexVersion" : 2,
     "direction" : "forward",
     "indexBounds" : {
       "userId" : [
         "["59e022d33f239800129c61c7", "59e022d33f239800129c61c7"]"
       ]
     }
   }
 }
]
},
"serverInfo" : {
"host" : "RMBAP",
"port" : 27017,
"version" : "4.1.11",
"gitVersion" : "1b8a9f5dc5c3314042b55e7415a2a25045b32a94"
},
"ok" : 1
}

命中索引，跟query的各個字段順序不相關，如我們猜測。
有趣部分再來， 我們刪掉索引{userId:1}

db.loans.dropIndex({"userId":1})
{ "nIndexesWas" : 3, "ok" : 1 }

db.loans.find({"userId" : "59e022d33f239800129c61c7", }).explain()
{
"queryPlanner" : {
"plannerVersion" : 1,
"namespace" : "cashLoan.loans",
"indexFilterSet" : false,
"parsedQuery" : {
 "userId" : {
   "$eq" : "59e022d33f239800129c61c7"
 }
},
"queryHash" : "B1777DBA",
"planCacheKey" : "5776AB9C",
"winningPlan" : {
 "stage" : "FETCH",
 "inputStage" : {
   "stage" : "IXSCAN",
   "keyPattern" : {
     "userId" : 1,
     "status" : 1
   },
   "indexName" : "userId_1_status_1",
   "isMultiKey" : false,
   "multiKeyPaths" : {
     "userId" : [ ],
     "status" : [ ]
   },
   "isUnique" : false,
   "isSparse" : false,
   "isPartial" : false,
   "indexVersion" : 2,
   "direction" : "forward",
   "indexBounds" : {
     "userId" : [
       "["59e022d33f239800129c61c7", "59e022d33f239800129c61c7"]"
     ],
     "status" : [
       "[MinKey, MaxKey]"
     ]
   }
 }
},
"rejectedPlans" : [ ]
},
"serverInfo" : {
"host" : "RMBAP",
"port" : 27017,
"version" : "4.1.11",
"gitVersion" : "1b8a9f5dc5c3314042b55e7415a2a25045b32a94"
},
"ok" : 1
}

DB 執行分析器覺得索引{userId:1, status:1} 能更優,沒有命中復合索引，這個是因為status不是leading field。

db.loans.find({ "status" : "repayed" }).explain()
{
"queryPlanner" : {
"plannerVersion" : 1,
"namespace" : "cashLoan.loans",
"indexFilterSet" : false,
"parsedQuery" : {
 "status" : {
   "$eq" : "repayed"
 }
},
"queryHash" : "E6304EB6",
"planCacheKey" : "7A94191B",
"winningPlan" : {
 "stage" : "COLLSCAN",
 "filter" : {
   "status" : {
     "$eq" : "repayed"
   }
 },
 "direction" : "forward"
},
"rejectedPlans" : [ ]
},
"serverInfo" : {
"host" : "RMBAP",
"port" : 27017,
"version" : "4.1.11",
"gitVersion" : "1b8a9f5dc5c3314042b55e7415a2a25045b32a94"
},
"ok" : 1
}

再換個角度sort 一遍， 與前面query & sort互換，之前是：

db.loans.find({userId:1}).sort({ "status" : "repayed" })

看看有啥不一樣？

db.loans.find({ "status" : "repayed" }).sort({userId:1}).explain()
{
"queryPlanner" : {
"plannerVersion" : 1,
"namespace" : "cashLoan.loans",
"indexFilterSet" : false,
"parsedQuery" : {
 "status" : {
   "$eq" : "repayed"
 }
},
"queryHash" : "56EA6313",
"planCacheKey" : "2CFCDA7F",
"winningPlan" : {
 "stage" : "FETCH",
 "filter" : {
   "status" : {
     "$eq" : "repayed"
   }
 },
 "inputStage" : {
   "stage" : "IXSCAN",
   "keyPattern" : {
     "userId" : 1,
     "status" : 1
   },
   "indexName" : "userId_1_status_1",
   "isMultiKey" : false,
   "multiKeyPaths" : {
     "userId" : [ ],
     "status" : [ ]
   },
   "isUnique" : false,
   "isSparse" : false,
   "isPartial" : false,
   "indexVersion" : 2,
   "direction" : "forward",
   "indexBounds" : {
     "userId" : [
       "[MinKey, MaxKey]"
     ],
     "status" : [
       "[MinKey, MaxKey]"
     ]
   }
 }
},
"rejectedPlans" : [ ]
},
"serverInfo" : {
"host" : "RMBAP",
"port" : 27017,
"version" : "4.1.11",
"gitVersion" : "1b8a9f5dc5c3314042b55e7415a2a25045b32a94"
},
"ok" : 1
}

如猜測，命中索引。
再來玩玩，確認下leading filed試驗：

db.loans.dropIndex("userId_1_status_1")
{ "nIndexesWas" : 2, "ok" : 1 }
db.loans.getIndexes()
[
{
"v" : 2,
"key" : {
 "id" : 1
},
"name" : "id_",
"ns" : "cashLoan.loans"
}
]
db.loans.createIndex({status:1, userId:1})
{
"createdCollectionAutomatically" : false,
"numIndexesBefore" : 1,
"numIndexesAfter" : 2,
"ok" : 1
}
db.loans.getIndexes()
[
{
"v" : 2,
"key" : {
 "id" : 1
},
"name" : "id_",
"ns" : "cashLoan.loans"
},
{
"v" : 2,
"key" : {
 "status" : 1,
 "userId" : 1
},
"name" : "status_1_userId_1",
"ns" : "cashLoan.loans"
}
]
db.loans.find({ "status" : "repayed" }).explain()
{
"queryPlanner" : {
"plannerVersion" : 1,
"namespace" : "cashLoan.loans",
"indexFilterSet" : false,
"parsedQuery" : {
 "status" : {
   "$eq" : "repayed"
 }
},
"queryHash" : "E6304EB6",
"planCacheKey" : "7A94191B",
"winningPlan" : {
 "stage" : "FETCH",
 "inputStage" : {
   "stage" : "IXSCAN",
   "keyPattern" : {
     "status" : 1,
     "userId" : 1
   },
   "indexName" : "status_1_userId_1",
   "isMultiKey" : false,
   "multiKeyPaths" : {
     "status" : [ ],
     "userId" : [ ]
   },
   "isUnique" : false,
   "isSparse" : false,
   "isPartial" : false,
   "indexVersion" : 2,
   "direction" : "forward",
   "indexBounds" : {
     "status" : [
       "["repayed", "repayed"]"
     ],
     "userId" : [
       "[MinKey, MaxKey]"
     ]
   }
 }
},
"rejectedPlans" : [ ]
},
"serverInfo" : {
"host" : "RMBAP",
"port" : 27017,
"version" : "4.1.11",
"gitVersion" : "1b8a9f5dc5c3314042b55e7415a2a25045b32a94"
},
"ok" : 1
}
db.loans.getIndexes()
[
{
"v" : 2,
"key" : {
 "id" : 1
},
"name" : "id_",
"ns" : "cashLoan.loans"
},
{
"v" : 2,
"key" : {
 "status" : 1,
 "userId" : 1
},
"name" : "status_1_userId_1",
"ns" : "cashLoan.loans"
}
]
db.loans.find({"userId" : "59e022d33f239800129c61c7", }).explain()
{
"queryPlanner" : {
"plannerVersion" : 1,
"namespace" : "cashLoan.loans",
"indexFilterSet" : false,
"parsedQuery" : {
 "userId" : {
   "$eq" : "59e022d33f239800129c61c7"
 }
},
"queryHash" : "B1777DBA",
"planCacheKey" : "5776AB9C",
"winningPlan" : {
 "stage" : "COLLSCAN",
 "filter" : {
   "userId" : {
     "$eq" : "59e022d33f239800129c61c7"
   }
 },
 "direction" : "forward"
},
"rejectedPlans" : [ ]
},
"serverInfo" : {
"host" : "RMBAP",
"port" : 27017,
"version" : "4.1.11",
"gitVersion" : "1b8a9f5dc5c3314042b55e7415a2a25045b32a94"
},
"ok" : 1
}

看完這個試驗，明白了 {userId:1, status:1} vs {status:1,userId:1} 的差別了嗎？

PS：這個case 里面其實status 區分度不高，這里只是作為實例展示。

三、總結：

  • 注意使用上、使用頻率上、區分高的/常用的在前面；

  • 如果需要減少索引以節省memory/提高修改數據的性能的話，可以保留區分度高，常用的，去除區分度不高，不常用的索引。

  • 學會用explain（）驗證分析性能：

DB 一般都有執行器優化的分析，MySQL & MongoDB 都是 用explain 來做分析。
語法上MySQL :

explain your_sql

MongoDB:

yoursql.explain()

總結典型：理想的查詢是結合explain 的指標，他們通常是多個的混合:

  • IXSCAN  : 索引命中；

  • Limit  : 帶limit；

  • Projection :  相當于非 select * ；

  • Docs Size less is better  ；

  • Docs Examined less is better ；

  • nReturned=totalDocsExamined=totalKeysExamined ；

  • SORT in index ：sort 也是命中索引，否則，需要拿到數據后，再執行一遍排序；

  • Limit Array elements ： 限定數組返回的條數，數組也不應該太多數據，否則schema 設計不合理。

以上是“MongoDB中索引的示例分析”這篇文章的所有內容，感謝各位的閱讀！希望分享的內容對大家有幫助，更多相關知識，歡迎關注億速云行業資訊頻道！

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