图解Redisson如何实现分布式锁、锁续约?

一、基础

0)redisson版本说明、案例

使用当前(2022年12月初)最新的版本:3.18.1;

<dependency>
    <groupId>org.redisson</groupId>
    <artifactId>redisson</artifactId>
    <version>3.18.1</version>
</dependency>

案例

案例采用redis-cluster集群的方式;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1.配置Redis-Cluster集群节点的ip和port 
        Config config = new Config();
        config.useClusterServers()
                .addNodeAddress("redis://127.0.0.1:7001")
                .addNodeAddress("redis://127.0.0.1:7002")
                .addNodeAddress("redis://127.0.0.1:7003")
                .addNodeAddress("redis://127.0.0.1:7004");
        // 2.创建Redisson的客户端 
        RedissonClient redisson = Redisson.create(config);
        // 3.测试Redisson可重⼊锁的加锁、释放锁
        testLock(redisson);
    }

    private static void testLock(RedissonClient redisson) throws InterruptedException {
        // 1.获取key为"anyLock"的锁对象
        final RLock lock = redisson.getLock("test_lock");
        boolean locked = true;
        try {
            //2.1:加锁 
            lock.lock();
            // 2.2:加锁,并设置尝试获取锁超时时间30s、锁超时⾃动释放的时间10s 
//            locked = lock.tryLock(30, 10, TimeUnit.SECONDS);
            if (locked)
                System.out.println("加锁成功!" + new Date());
            
            Thread.sleep(20 * 1000);
            System.out.println("锁逻辑执行完毕!" + new Date());

        } finally {
            // 3.释放锁 
            lock.unlock();
        }
    }
}

1)Redisson连接Redis的方式

redission支持4种连接redis方式,分别为单机、主从、Sentinel、Cluster 集群;在分布式锁的实现上区别在于hash槽的获取方式。

具体配置方式见Redisson的GitHub(https://github.***/redisson/redisson/wiki/2.-%E9%85%8D%E7%BD%AE%E6%96%B9%E6%B3%95#21-%E7%A8%8B%E5%BA%8F%E5%8C%96%E9%85%8D%E7%BD%AE%E6%96%B9%E6%B3%95)

2)用到的Redis命令

分布式锁主要需要以下redis命令:

  1. EXISTS key:当 key 存在,返回1;不存在,返回0。

  2. GETSET key value:将给定 key 的值设为 value ,并返回 key 的旧值 (old value);当 key 存在但不是字符串类型时,返回一个错误;当key不存在时,返回nil。

  3. GET key:返回 key 所关联的字符串值,如果 key 不存在那么返回 nil。

  4. DEL key [KEY …]:删除给定的一个或多个 key(不存在的 key 会被忽略),返回实际删除的key的个数(integer)。

    DEL key1 key2 key3
    
  5. HSET key field value:给一个key 设置一个{field=value}的组合值,如果key没有就直接赋值并返回1;如果field已有,那么就更新value的值,并返回0。

  6. HEXISTS key field:当key中存储着field的时候返回1,如果key或者field有一个不存在返回0。

  7. HINCRBY key field increment:将存储在key中的哈希(Hash)对象中的指定字段field的值加上增量increment;

    • 如果键key不存在,一个保存了哈希对象{field=value}的key将被创建;
    • 如果字段field不存在,在进行当前操作前,feild将被创建,且对应的值被置为0;返回值是increment。
  8. PEXPIRE key milliseconds:设置存活时间,单位是毫秒。EXPIRE操作单位是秒。

  9. PUBLISH channel message:向channel post一个message内容的消息,返回接收消息的客户端数。

3)用到的lua脚本语义

Redisson源码中,执行redis命令的是lua脚本,其中主要有如下几个概念:

  1. redis.call():执行redis命令。
  2. KEYS[n]:指脚本中第n个参数,比如KEYS[1]指脚本中的第一个参数。
  3. ARGV[n]:指脚本中第n个参数的值,比如ARGV[1]指脚本中的第一个参数的值。
  4. 返回值中nil与false同一个意思。

在redis执行lua脚本时,相当于一个redis级别的锁,不能执行其他操作,类似于原子操作,这也是redisson实现的一个关键点。

另外,如果lua脚本执行过程中出现了异常或者redis服务器宕机了,会将脚本中已经执行的命令在AOF、RDB日志中删除;即LUA脚本执行报错会进行回滚操作。

二、源码分析

1、RLock

RLock接口主要继承了Lock接口,并扩展了部分方法,比如:tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit)方法中加入的leaseTime参数,用来设置锁的过期时间,如果超过leaseTime还没有解锁的话,redis就强制解锁;leaseTime的默认时间是30s。

获取RLock对象

RLock lock = redissonClient.getLock("test_lock");

RLock对象表示⼀个锁对象,我们要某一个key加锁时,需要先获取⼀个锁对象。

这里并没有具体请求Redis进行加锁的逻辑,而只是调用RedissonLock的构造函数,设置一些变量。

2、加锁流程

进入到Rlock#lock()方法,先看主流程;关于竞争锁等待时间、锁超时释放时间的配置、使用,在流程中穿插着聊。

0)加锁流程图

1)加锁到哪台机器

lock()方法执行链路:

走到这里,已经可以看到加锁的底层逻辑:LUA脚本。

而lua脚本只是⼀⼤串字符串,作为evalWriteAsync()⽅法的⼀个参数⽽已;所以下⼀步进到evalWriteAsync()⽅法中:

走到这里会调用ConnectionManager#getEntry(String)方法;

在创建RedissonClient时,笔者配置的是Redis-Cluster,而走到这里却会进入到MasterSlaveConnectionManager,实际上实例化的ConnectionManager就是RedisCluster模式下的ClusterConnectionManager,而ClusterConnectionManager继承自MasterSlaveConnectionManager,并且ClusterConnectionManager没有重写getEntry(String)方法,所以会进入到MasterSlaveConnectionManager#getEntry(String)方法。

ConnectionManager#getEntry(String)方法会根据传入的key名称找到相应的Redis节点、目标master。

Redis-Cluster集群中的数据分布式是 通过⼀个⼀个的hash slot来实现的,Redis-Cluster集群总共16384个hash slot,它们都 会被均匀分布到所有的master节点上;这里ClusterConnectionManager通过key名称计算出相应的hash slot方式如下:

  • ⾸先通过key计算出CRC16值,然后 CRC16值对16384进⾏取模,进⽽得到hash slot。
@Override
public int calcSlot(String key) {
    if (key == null) {
        return 0;
    }

    int start = key.indexOf('{');
    if (start != -1) {
        int end = key.indexOf('}');
        if (end != -1 && start + 1 < end) {
            key = key.substring(start + 1, end);
        }
    }

    int result = CRC16.crc16(key.getBytes()) % MAX_SLOT;
    log.debug("slot {} for {}", result, key);
    return result;
}

这⾥计算出key的hash slot之后,就可以通过hash slot 去看⼀看哪个master上有这个hash slot,如果某个master上有个这个hash slot,那么这个 key当然就会落到该master节点上,执⾏加锁指令也就应该在该master上执⾏。

下面进入本文重点,可重入锁的各种加锁、释放锁。

2)Client第一次加锁

在寻找应该在哪台Redis机器上加锁时,在RedissonLock#tryLockInnerAsync()方法中我们看到了一堆LUA脚本:

LUA脚本参数解析:

  • KEYS[1] 表示的是 getName() ,即锁key的名称,比如案例中的 test_lock;
  • ARGV[1] 表示的是 internalLockLeaseTime 默认值是30s;
  • ARGV[2] 表示的是 getLockName(threadId) ,唯一标识当前访问线程,使用锁对象id+线程id(UUID:ThreadId)方式表示,用于区分不同服务器上的线程。
    • UUID用来唯⼀标识⼀个客户端,因为会有多个客户端的多个线程加锁;
    • 结合起来的UUID:ThreadId 表示:具体哪个客户端上的哪个线程过来加锁,通 过这样的组合⽅式唯⼀标识⼀个线程。

LUA脚本逻辑:

  1. 如果锁名称不存在;
    • 则向redis中添加一个key为test_lock的HASH结构、添加一个field为线程id,值=1的键值对{field:increment},表示此线程的重入次数为1;
    • 设置test_lock的过期时间,防止当前服务器出问题后导致死锁,然后return nil; end;返回nil,lua脚本执行完毕;
  2. 如果锁存在,检测当前线程是否持有锁;
    • 如果是当前线程持有锁,hincrby将该线程重入的次数++;并重新设置锁的过期时间;返回nil,lua脚本执行完毕;
    • 如果不是当前线程持有锁,pttl返回锁的过期时间,单位ms。

第一次加锁时,key肯定不存在与master节点上;会执行下列LUA脚本对应的Redis指令:

hset test_lock UUID:ThreadId 1 
pexpire test_lock 30000

此时,Redis中多一个Hash结构的key(test_lock):

test_lock : 
{
    UUID:ThreadId1
}

这里的1使用来做锁重入的。

pexpire指令为test_lock这个key设置过期时间为30s,即:30s后这个key会⾃动过期被删除,key对应的锁在那时也就被释放了。

总体来看,加锁的逻辑很简单:

  • 在key对应的hash数据结构中记录了⼀ 下当前是哪个客户端的哪个线程过来加锁了,然后设置了⼀下key的过期时间为30s。

3)加锁成功之后的锁续约

成功加锁后,lua脚本返回nil,即null。

加锁成功之后,tryLockInnerAsync()⽅法返回;再结合Java8的Stream,对加锁结果进一步处理;

因为加锁成功后返回的是nil,这是lua脚本的返回形式,体现到java代码中的返回值为:null。
又由于RLock#lock()方法传入的leaseTime是-1,所以进入到scheduleExpirationRenewal(long)方法做锁续约。

renewExpirationAsync()方法负责做具体的锁续约:

protected ***pletionStage<Boolean> renewExpirationAsync(long threadId) {
    return evalWriteAsync(getRawName(), LongCodec.INSTANCE, Redis***mands.EVAL_BOOLEAN,
            "if (redis.call('hexists', KEYS[1], ARGV[2]) == 1) then " +
                    "redis.call('pexpire', KEYS[1], ARGV[1]); " +
                    "return 1; " +
                    "end; " +
                    "return 0;",
            Collections.singletonList(getRawName()),
            internalLockLeaseTime, getLockName(threadId));
}

这里LUA脚本的逻辑很简单:

  • 判断当前key中,是否还被线程UUID:ThreadId持有锁,持有则设置过期时间为30s(续命)。

锁续约(看门狗机制)其实就是每次加锁成功后,会⻢上开启⼀个后台线程, 每隔10s检查⼀下key是否存在,如果存在就为key续期30s。

  • 这里的10s,取自配置的lockWatchdogTimeout参数,默认为30 * 1000 ms;
  • 所以⼀个key往往当过期时间慢慢消逝到20s左右时就⼜会被定时任务重置为了30s,这样就能保证:只要这个定时任务还在、这个key还在,就⼀直维持加锁。

如果当前持有锁的线程被中断了,会停止锁续约,即杀死看门狗;

protected void cancelExpirationRenewal(Long threadId) {
    ExpirationEntry task = EXPIRATION_RENEWAL_MAP.get(getEntryName());
    if (task == null) {
        return;
    }
    
    if (threadId != null) {
        task.removeThreadId(threadId);
    }

    if (threadId == null || task.hasNoThreads()) {
        Timeout timeout = task.getTimeout();
        if (timeout != null) {
            timeout.cancel();
        }
        EXPIRATION_RENEWAL_MAP.remove(getEntryName());
    }
}

所谓的停止锁续约,实际就是将当前线程的threadId从看门狗缓存中移除,后续在执行锁续约时,如果发现看门狗缓存中已经没有了当前线程threadId,则直接退出锁续约 并且 不再延时10s开启一个定时任务。

如果加锁时指定了leaseTime > 0,则不会开门狗机制,表示强制锁leaseTime 毫秒后过期。一共有三种加锁方式可以做到,如下:

  • RLock#lock(long leaseTime, TimeUnit unit)
  • RLock#tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit)
  • RLock#lockInterruptibly(long leaseTime, TimeUnit unit)

4)重入加锁(相同线程多次加锁)

再次回到加锁的LUA脚本:

同一个线程对分布式锁多次加锁时,会走以下逻辑:

  • 判断当前key是否被当前线程持有,如果是则增加锁重入的次数,并重新设置锁的过期时间为30s;

对应的Redis命令为:

hexists test_lock UUID:ThreadId
hincrby test_lock UUID:ThreadId 1
pexpire test_lock 30000

此时Redis中test_key对应的数据结构从

test_lock : 
{
    UUID:ThreadId1
}

变成:

test_lock : 
{
    UUID:ThreadId2
}

并将key的过期时间重新设置为30s。

锁重入成功之后,后台也会开启⼀个watchdog后台线程做锁续约,每隔10s检查⼀下key,如果key存在就将key的过期时间重新设置为30s。

Redisson可重⼊加锁的语义,实际是通过Hash结构的key中某个线程(UUID:ThreadId)对应的加锁次数来表示的。

5)锁竞争(其他线程加锁失败)

再再次回到加锁的LUA脚本:

如果分布式锁已经被其他线程持有,LUA脚本会执行以下逻辑:

  • 返回当前key的剩余存活时间,因为不是返回nil,也就代表着加锁失败;

对应的Redis的命令为:

pttl test_lock

针对加锁方式的不同,加锁失败的逻辑也不同;可以分两大类:指定了加锁失败的等待时间waitTime和未指定waitTime。

  • 未执行加锁失败的等待时间waitTime:获取分布式锁失败会一直重试,直到获取锁成功。比如下列加锁方法:
    • Rlock#lock():一直尝试获取分布式锁,直到获取锁成功。
    • RLock#lockInterruptibly(long leaseTime, TimeUnit unit)
    • RLock#lock(long leaseTime, TimeUnit unit)
  • 指定了加锁失败的等待时间waitTime:获取分布式锁会超时,超时之后返回加锁失败;
    • Rlock#tryLock(long waitTime, TimeUnit unit):指定获取锁失败的等待时间。在等待时间范围之内进行重试,超时则返回加锁失败。
    • Rlock#tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit):同样是指定获取锁失败的等待时间,并且强制指定锁过期的时间(不开启看门狗)。在等待时间范围之内进行重试,超时则返回加锁失败。

可以简单的概述为RLock接口下的tryLock()方法获取锁会失败,lock()方法获取锁一定会成功。

1> 一直重试直到加锁成功

Rlock#lock()方法为例:

private void lock(long leaseTime, TimeUnit unit, boolean interruptibly) throws InterruptedException {
    long threadId = Thread.currentThread().getId();
    Long ttl = tryAcquire(-1, leaseTime, unit, threadId);
    // lock acquired
    if (ttl == null) {
        return;
    }

    ***pletableFuture<RedissonLockEntry> future = subscribe(threadId);
    pubSub.timeout(future);
    RedissonLockEntry entry;
    if (interruptibly) {
        entry = ***mandExecutor.getInterrupted(future);
    } else {
        entry = ***mandExecutor.get(future);
    }

    try {
        while (true) {
            // lock() 或 lockInterruptibly()为入口走到这里时。leaseTime为-1,表示会开始开门狗;如果leaseTime大于0,则不会开启开门狗;
            ttl = tryAcquire(-1, leaseTime, unit, threadId);
            // lock acquired
            if (ttl == null) {
                break;
            }

            // waiting for message
            if (ttl >= 0) {
                try {
                    // 因为Semaphore的可用资源为0,所以这里就等价于Thread.sleep(ttl);
                    entry.getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS);
                } catch (InterruptedException e) {
                    if (interruptibly) {
                        throw e;
                    }
                    entry.getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS);
                }
            } else {
                if (interruptibly) {
                    entry.getLatch().acquire();
                } else {
                    entry.getLatch().acquireUninterruptibly();
                }
            }
        }
    } finally {
        unsubscribe(entry, threadId);
    }
}
  1. 首先订阅解锁channel(命名格式:redisson_lock__channel:{keyName}),其他线程解锁后,会发布解锁的消息;这里收到消息会立即尝试获取锁;订阅解锁channel的超时时间默认为7.5s。也就说获取锁失败7.5s之内,如果其他线程释放锁,当前线程可以立即尝试获取到锁。

  2. 获取锁失败之后会进⼊⼀个while死循环中:

    • 每休息锁的存活时间ttl之后,就尝试去获取锁,直到成功获取到锁才会跳出while死循环。
2> 等待锁超时返回加锁失败

Rlock#tryLock(long waitTime, TimeUnit unit)为例:

@Override
public boolean tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
    long time = unit.toMillis(waitTime);
    long current = System.currentTimeMillis();
    long threadId = Thread.currentThread().getId();
    Long ttl = tryAcquire(waitTime, leaseTime, unit, threadId);
    // lock acquired
    if (ttl == null) {
        return true;
    }

    // 获取锁剩余的等待时长
    time -= System.currentTimeMillis() - current;
    if (time <= 0) {
        // 获取锁超时,返回获取分布式锁失败
        acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
        return false;
    }
    
    current = System.currentTimeMillis();
    ***pletableFuture<RedissonLockEntry> subscribeFuture = subscribe(threadId);
    try {
        // 订阅解锁channel的超时时长为 获取锁剩余的等待时长
        subscribeFuture.get(time, TimeUnit.MILLISECONDS);
    } catch (TimeoutException e) {
        if (!subscribeFuture.***pleteExceptionally(new RedisTimeoutException(
                "Unable to acquire subscription lock after " + time + "ms. " +
                        "Try to increase 'subscriptionsPerConnection' and/or 'subscriptionConnectionPoolSize' parameters."))) {
            subscribeFuture.when***plete((res, ex) -> {
                if (ex == null) {
                    unsubscribe(res, threadId);
                }
            });
        }
        acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
        return false;
    } catch (ExecutionException e) {
        acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
        return false;
    }

    try {
        // 收到解锁channel的消息之后,走到这里,再次判断获取锁等待时长是否超时
        time -= System.currentTimeMillis() - current;
        if (time <= 0) {
            acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
            return false;
        }
    
        // while循环中尝试去获取锁
        while (true) {
            long currentTime = System.currentTimeMillis();
            ttl = tryAcquire(waitTime, leaseTime, unit, threadId);
            // lock acquired
            if (ttl == null) {
                return true;
            }

            time -= System.currentTimeMillis() - currentTime;
            if (time <= 0) {
                acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
                return false;
            }

            // waiting for message
            currentTime = System.currentTimeMillis();
            if (ttl >= 0 && ttl < time) {
                // 如果获取锁失败后,锁存活时长 小于 剩余锁等待时长,则线程睡眠 锁存活时长
                ***mandExecutor.getNow(subscribeFuture).getLatch().tryAcquire(ttl, TimeUnit.MILLISECONDS);
            } else {
                // 如果获取锁失败后,锁存活时间 大于等于 剩余锁等待时长,则线程睡眠 锁等待时长
                ***mandExecutor.getNow(subscribeFuture).getLatch().tryAcquire(time, TimeUnit.MILLISECONDS);
            }

            time -= System.currentTimeMillis() - currentTime;
            if (time <= 0) {
                acquireFailed(waitTime, unit, threadId);
                return false;
            }
        }
    } finally {
        unsubscribe(***mandExecutor.getNow(subscribeFuture), threadId);
    }
}

加锁存在超时时间 相比于 一直重试直到加锁成功,只是多一个时间限制,具体差异体现在:订阅解锁channel的超时时长、获取锁失败后线程的睡眠时长、重试获取锁次数的限制;

  1. 获取分布式锁失败之后,立即判断当前获取锁是否超时,如果超时,则返回加锁失败;
  2. 否者,订阅解锁channel(命名格式:redisson_lock__channel:{keyName}),其他线程解锁后,会发布解锁的消息;订阅解锁channel的超时时间为 获取锁剩余的等待时长
    • 在这个时间范围之内,如果其他线程释放锁,当前线程收到解锁channel的消息之后再次判断获取锁是否超时,如果不超时,尝试获取锁。
  3. 获取锁之后会进⼊⼀个while死循环中:
    • 如果获取锁超时,则返回加锁失败;
    • 否者让线程睡眠:
      • 如果锁存活时长ttl 小于 剩余锁等待时长,则线程睡眠 锁存活时长;
      • 如果锁存活时间ttl 大于等于 剩余锁等待时长,则线程睡眠 锁等待时长;
    • 线程睡眠完之后,判断获取锁是否超时,不超时则尝试去获取锁。

3、释放锁流程

1)Client主动尝试释放锁

进入到Rlock#unlock()方法;

和加锁的方式⼀样,释放锁也是通过lua脚本来完成的;

LUA脚本参数解析:

  • KEYS[1] 表示的是 getName() ,代表的是锁名 test_lock;
  • KEYS[2] 表示getChanelName() 表示的是发布订阅过程中使用的Chanel;
  • ARGV[1] 表示的是LockPubSub.unLockMessage,解锁消息,实际代表的是数字 0,代表解锁消息;
  • ARGV[2] 表示的是internalLockLeaseTime 默认的有效时间 30s;
  • ARGV[3] 表示的是 getLockName(thread.currentThread().getId()) 代表的是 UUID:ThreadId 用锁对象id+线程id, 表示当前访问线程,用于区分不同服务器上的线程。

LUA脚本逻辑:

  1. 如果锁名称不存在;
    • 可能是因为锁过期导致锁不存在,也可能是并发解锁。
    • 则发布锁解除的消息,返回1,lua脚本执行完毕;
  2. 如果锁存在,检测当前线程是否持有锁;
    • 如果是当前线程持有锁,定义变量counter,接收执行incrby将该线程重入的次数–的结果;
      • 如果重入次数大于0,表示该线程还有其他任务需要执行;重新设置锁的过期时间;返回0,lua脚本执行完毕;
      • 否则表示该线程执行结束,del删除该锁;并且publish发布该锁解除的消息;返回1,lua脚本执行完毕;
    • 如果不是当前线程持有锁 或 其他情况,都返回nil,lua脚本执行完毕。

脚本执行结束之后,如果返回值不是0或1,即当前线程去释放其他线程的加锁时,抛出异常。

通过LUA脚本释放锁成功之后,会将看门狗杀死;

2)Client主动强制释放锁

forceUnlockAsync()方法被调用的地方很多,大多都是在清理资源时删除锁。

@Override
public RFuture<Boolean> forceUnlockAsync() {
    cancelExpirationRenewal(null);
    return evalWriteAsync(getRawName(), LongCodec.INSTANCE, Redis***mands.EVAL_BOOLEAN,
            "if (redis.call('del', KEYS[1]) == 1) then "
                    + "redis.call('publish', KEYS[2], ARGV[1]); "
                    + "return 1 "
                    + "else "
                    + "return 0 "
                    + "end",
            Arrays.asList(getRawName(), getChannelName()), LockPubSub.UNLOCK_MESSAGE);
}

LUA脚本逻辑:

  • 逻辑比较简单粗暴:删除锁成功则并发布锁被删除的消息,返回1结束,否则返回0结束。

3)Client宕机,锁超时释放

如果Redisson客户端刚加锁成功,并且未指定releaseTime,后台会启动一个定时任务watchdog每隔10s检查key:key如果存在就为它⾃动续命到30s;在watchdog定时任务存在的情况下,如果不是主动释放锁,那么key将会⼀直的被watchdog这个定时任务维持加锁。

但是如果客户端宕机了,定时任务watchdog也就没了,也就没有锁续约机制了,那么过完30s之后,key会⾃动被删除、key对应的锁也自动被释放了。

4)不启动锁续约的超时释放锁

如果在加锁时指定了leaseTime,加锁成功之后,后台并不会启动一个定时任务watchdog做锁续约;key存活leaseTime 毫秒之后便会自动被删除、key对应的锁也就自动被释放了;无论当前线程的业务逻辑是否执行完毕。

比如使用如下方式加锁:

  • RLock#lock(long leaseTime, TimeUnit unit)
  • RLock#tryLock(long waitTime, long leaseTime, TimeUnit unit)
  • RLock#lockInterruptibly(long leaseTime, TimeUnit unit)
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CSS教程_站长资源网 » 图解Redisson如何实现分布式锁、锁续约?

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