黑马程序员-深入并发系列学习-1-基础夯实

并发编程对于很多人来说都是一个难点，因为其内部涉及到的内容非常繁杂，同时在实际开发中很多人虽然做了多年，但是仍然还停留在业务代码开发。对于并发的接触可以说是少之又少。可是现在的面试中，并发这一部分又是一个高频考点，很多人都在并发这座大山面前无法翻越。

本系列会带领大家从并发编程的基础开始，逐步深入并发的核心。让大家能够系统的将并发全部知识点拿下。

并发编程基础

Java从诞生开始，其就已经内置了对于多线程的支持。当多个线程能够同时执行时，大多数情况下都能够显著提升系统性能，尤其现在的计算机普遍都是多核的，所以性能的提升会更加明显。但是，多线程在使用中也需要注意诸多的问题，如果使用不当，也会对系统性能造成非常严重的影响。

进程、线程、协程

什么是进程

进程可以理解为就是应用程序的启动实例。如微信、Idea、Navicat等，当打开它们后，就相当于开启了一个进程。每个进程都会在操作系统中拥有独立的内存空间、地址、文件资源、数据资源等。进程是资源分配和管理的最小单位。

image.png

1.1.2）什么是线程

线程从属于进程，是程序的实际执行者，一个进程中可以包含若干个线程，并且也可以把线程称为轻量级进程。每个线程都会拥有自己的计数器、堆栈、局部变量等属性，并且能够访问共享的内存变量。线程是操作系统（CPU）调度和执行的最小单位。CPU会在这些线程上来回切换，让使用者感觉线程是在同时执行的。

image.png

一个线程具有五种状态，分别为：新建、就绪、运行、阻塞、销毁。

image.png

同时对于线程状态切换的工作，是由JVM中的TCB（Thread Control Block）来执行。

线程使用带来的问题

有很多人都会存在一个误区，在代码中使用多线程，一定会为系统带来性能提升，这个观点是错误的。并发编程的目的是为了让程序运行的更快，但是，绝对不是说启动的线程越多，性能提升的就越大，其会受到很多因素的影响，如锁问题、线程状态切换问题、线程上下文切换问题，还会受到硬件资源的影响，如CPU核数。

什么叫做线程上下文切换

不管是在多核甚至单核处理器中，都是能够以多线程形式执行代码的，CPU通过给每个线程分配CPU时间片来实现线程执行间的快速切换。所谓的时间片就是CPU分配给每个线程的执行时间，当某个线程获取到CPU时间片后，就会在一定时间内执行，当时间片到期，则该线程会进入到挂起等待状态。时间片一般为几十毫秒，通过在CPU的高速切换，让使用者感觉是在同时执行。

同时还要保证线程在切换的过程中，要记录线程被挂起时，已经执行了哪些指令、变量值是多少，那这点则是通过每个线程内部的程序计数器来保证。

简单来说：线程从挂起到再加载的过程，就是一次上下文切换。其实比较耗费资源的。

image.png

引起上下文切换的几种情况：

时间片用完，CPU正常调度下一个任务。
被其他优先级更高的任务抢占。
执行任务碰到IO阻塞，调度器挂起当前任务，切换执行下一个任务。
用户代码主动挂起当前任务让出CPU时间。
多任务抢占资源，由于没有抢到被挂起。
硬件中断。

生产者/消费者模式实现


public class Producer extends Thread{

    private static final int QUEUE_SIZE=5;

    private final Queue queue;

    public Producer(Queue queue){
        super();
        this.queue=queue;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {

            synchronized (queue){

                while (queue.size() >= QUEUE_SIZE){

                    System.out.println("队列满了，等待消费");
                    try {
                        queue.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

                queue.add(i);
                System.out.println("入队数据："+i);
                queue.notify();
            }
        }
    }
}

import java.util.Queue;

public class Consumer extends Thread{

    private final Queue queue;

    public Consumer(Queue queue){
        super();
        this.queue=queue;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true){

            synchronized (queue){

                while (queue.size() ==0){
                    System.out.println("队列没有数据，等待生产");
                    try {
                        queue.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

                //取出数据
                System.out.println("取出数据："+queue.poll());
                queue.notify();

            }
        }
    }
}

public class PCTest {

    public static void main(String[] args) {

        final Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
        Producer producer = new Producer(queue);
        Consumer consumer = new Consumer(queue);

        producer.start();
        consumer.start();
    }
}

演示效果如下：

image.png

这种方式虽然实现了生产者/消费者模式，但其性能非常低下。因为涉及到了同步锁、线程等待与唤醒的状态转换和线程上下文切换。这些操作都是机器耗费性能的。

什么是协程

协程是一种比线程更加轻量级的存在，一个线程中可以包含若干个协程。同时Java本身是并不支持协程的。但是如python、go都是支持的。协程不是被操作系统内核所管理，而完全是由程序所控制（也就是在用户态执行），所以其非常轻量级。而线程是由操作系统内核管理，所以是重量级的。只要是由程序也就是用户态完成操作，无需经过操作系统内核都是轻量级的。一旦经过操作系统内核就是重量级的。协程的开销远远小于线程的开销。

CPU时间片轮转机制&优化

之前已经提到了线程的执行，是依赖于CPU给每个线程分配的时间来进行。在CPU时间片轮转机制中，如果一个线程的时间片到期，则CPU会挂起该线程并给另一个线程分片一定的时间分片。如果进程在时间片结束前阻塞或结束，则 CPU 会立即进行切换。调度程序所要做的就是维护一张就绪进程列表,当进程用完它的时间片后,它被移到队列的末尾。

时间片太短会导致频繁的进程切换，降低了 CPU 效率: 而太长又可能引起对短的交互请求的响应变差。将时间片设为 100ms 通常是一个比较合理的折衷。

并行与并发的理解

对于这两个概念，如果刚看到的话，可能会很不屑。但是真的理解什么叫做并行，什么叫做并发吗？

所谓并发即让多个任务能够交替执行，一般都会附带一个时间单位，也就是所谓的在单位时间内的并发量有多少。

image.png

所谓并行即让多个任务能够同时执行。比如说：你可以一遍上厕所，一遍吃饭。

image.png

线程启动&中止

线程的实现方式有两种：继承Thread类、实现Runnable接口。但是有一些书籍或者文章会说有三种方式，即实现Callable接口。但通过该接口定义线程并不是Java标准的定义方式，而是基于Future思想来完成。 Java官方说明中，已经明确指出，只有两种方式。

image.png

那么Thread和Runnable有什么区别和联系呢？一般来说，Thread是对一个线程的抽象，而Runnable是对业务逻辑的抽象，并且Thread 可以接受任意一个 Runnable 的实例并执行。

线程启动

/**
 * 新建线程
 */
public class NewThread {

    private static class UseThread extends Thread{
        @Override
        public void run() {

            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+": use thread");
        }
    }

    private static class UseRunnable implements Runnable{

        @Override
        public void run() {

            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+": use runnable");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {

        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+": use main");

        UseThread useThread = new UseThread();
        useThread.start();

        UseRunnable useRunnable = new UseRunnable();
        new Thread(useRunnable).start();


    }
}

优化：启动线程前，最好为这个线程设置特定的线程名称，这样在出现问题时，给开发人员一些提示，快速定位到问题线程。

Thread.currentThread().setName("Runnable demo");

线程中止

线程在正常下当run执行完，或出现异常都会让该线程中止。

理解suspend()、resume()、stop()

这三个方法对应的是暂停、恢复和中止。对于这三个方法的使用效果演示如下：

public class Srs {

    private static class MyThread implements Runnable{
        @Override
        public void run() {
            Thread.currentThread().setName("my thread");
            DateFormat dateFormat = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss");

            while (true){

                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"run at"+dateFormat.format(new Date()));
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        DateFormat dateFormat = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss");

        Thread thread = new Thread(new MyThread());

        //开启线程
        System.out.println("开启线程");
        thread.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);

        //暂停线程
        System.out.println("暂停线程");
        thread.suspend();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);

        //恢复线程
        System.out.println("恢复线程");
        thread.resume();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);

        //中止线程
        System.out.println("中止线程");
        thread.stop();
    }
}

执行结果

image.png

可以看到这三个方式，很好的完成了其本职工作。但是三个已经在Java源码中被标注为过期方法。那这三个方式为什么会被标记为过期方法呢？

当调用suspend()时，线程不会将当前持有的资源释放(如锁)，而是占有者资源进入到暂停状态，这样的话，容易造成死锁问题的出现。

public class Srs {

    private static  Object obj = new Object();//作为一个锁

    private static class MyThread implements Runnable{


        @Override
        public void run() {

            synchronized (obj){

                DateFormat dateFormat = new SimpleDateFormat("HH:mm:ss");

                while (true){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"run at"+dateFormat.format(new Date()));

                    try {
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }

        }
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread thread = new Thread(new MyThread(),"正常线程");
        Thread thread1 = new Thread(new MyThread(),"死锁线程");

        //开启线程
        thread.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);

        //暂停线程
        thread.suspend();
        System.out.println("暂停线程");
        thread1.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);

        //恢复线程
        /*thread.resume();
        System.out.println("恢复线程");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);*/

        //中止线程
        /*thread.stop();
        System.out.println("中止线程");*/
    }
}

在上述代码中，正常线程持有了锁，当调用suspend()时，因为该方法不会释放锁，所以死锁线程因为获取不到锁而导致无法执行。所以该方法必须与resume()成对出现。

image.png

当调用stop()时，会立即停止run()中剩余的操作，包括在catch或finally语句中的内容。因此可能会导致一些收尾性的工作的得不到完成，如文件流，数据库等关闭。并且会立即释放该线程所持有的所有的锁，导致数据得不到同步的处理，出现数据不一致的问题。

public class StopProblem {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        TestObject testObject = new TestObject();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                testObject.print("1", "2");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        t1.start();
        //让子线程有执行时间
        //Thread.sleep(1000);
        t1.stop();
        System.out.println("first : " + testObject.getFirst() + " " + "second : " + testObject.getSecond());
    }
}

class TestObject {

    private String first = "ja";
    private String second = "va";

    public synchronized void print(String first, String second) throws Exception {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
        this.first = first;
        //模拟数据不一致
        //Thread.sleep(10000);
        this.second = second;
    }

    public String getFirst() {
        return first;
    }

    public String getSecond() {
        return second;
    }
}

线程中止的安全且优雅姿势

Java对于线程安全中止实现设计了一个中断属性，其可以理解是线程的一个标识位属性。它用于表示一个运行中的线程是否被其他线程进行了中断操作。好比其他线程对这个线程打了一个招呼，告诉它你该中断了。通过interrupt()实现。

public class InterruptDemo {


    private static class MyThread implements Runnable{

        @Override
        public void run() {

            while (true){

                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" is running");
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread thread = new Thread(new MyThread(),"myThread");

        thread.start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);

        thread.interrupt();
    }
}

添加该方法后，会出现一个异常，但是可以发现并不会线程的继续执行。

线程通过通过检查自身是否被中断来进行响应，可以通过isInterrupted()进行判断，如果返回值为true，代表添加了中断标识，返回false，代表没有添加中断标识。通过它可以对线程进行中断操作。

public class InterruptDemo {


    private static class MyThread implements Runnable{

        @Override
        public void run() {

            //while (true){
            while (!Thread.currentThread().isInterrupted()){

                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" is running");
            }

            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" Interrupt flag is : "+Thread.currentThread().isInterrupted());
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread thread = new Thread(new MyThread(),"myThread");

        thread.start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);

        thread.interrupt();
    }
}

对线程中断属性的判断，可以利用其进行线程执行的中断操作。

线程也可以通过静态方法Thread.interrupted()对中断标识进行复位，如果该线程已经被添加了中断标识，当使用了该方法后，会将线程的中断标识由true改为false。

public class InterruptDemo {


    private static class MyThread implements Runnable{

        @Override
        public void run() {

            //while (true){
            //while (!Thread.currentThread().isInterrupted()){
            while (!Thread.interrupted()){

                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" is running");
            }

            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" Interrupt flag is : "+Thread.currentThread().isInterrupted());
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread thread = new Thread(new MyThread(),"myThread");

        thread.start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);

        thread.interrupt();
    }
}

中断线程的注意点

线程在执行的过程中，可能会进行中断或者阻塞，比方说使用了sleep()或者wait()。那么在线程执行中一旦出现这类操作的话，则会出现InterruptedException异常。但是并不会影响线程的继续执行。

那么一般都会进行try/catch的操作。具体效果如下：

public class InterruptDemo {


    private static class MyThread implements Runnable{

        @Override
        public void run() {

            while (!Thread.interrupted()){

                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"in catch Interrupt flag is : "+Thread.currentThread().isInterrupted());
                }

                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" is running");
            }

            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" Interrupt flag is : "+Thread.currentThread().isInterrupted());
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread thread = new Thread(new MyThread(),"myThread");

        thread.start();

        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);

        thread.interrupt();
    }
}

此时可以明显观察到，线程会继续向下执行，并且catch中的中断标记属性为false。因为Thread.interrupted()不仅会判断线程中断标记属性，同时如果该线程的中断属性为true，会将true改变为false。

myThread is running
myThread is running
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
    at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
    at java.lang.Thread.sleep(Thread.java:340)
    at java.util.concurrent.TimeUnit.sleep(TimeUnit.java:386)
    at base.InterruptDemo$MyThread.run(InterruptDemo.java:16)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
myThread in catch Interrupt flag is : false
myThread is running
myThread is running
myThread is running
myThread is running

此时既然捕捉到了InterruptedException异常，代表该线程应该被中断了，应该让线程停止，并且在catch中要将线程中断掉。所以注意，在使用时，应该在catch中再次执行interrupt()，让线程中断掉。这样可以在catch中在设置中断标记前，进行资源释放。

public class InterruptDemo {


    private static class MyThread implements Runnable{

        @Override
        public void run() {
            //while (true){
            while (!Thread.currentThread().isInterrupted()){
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" in catch Interrupt flag is : "+Thread.currentThread().isInterrupted());
                    //todo:资源释放
                    //设置中断标记
                    Thread.currentThread().interrupt();
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" is running");
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" Interrupt flag is : "+Thread.currentThread().isInterrupted());
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(new MyThread(),"myThread");
        thread.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
        thread.interrupt();
    }
}

同时要注意：处于死锁下的线程，无法被中断

深入线程操作常见方法

理解run()&start()

这两个方法都可以启动线程，但是它俩是有本质上的区别的。当线程执行了 start()方法后，才真正意义上的启动线程，其会让一个线程进入就绪队列等到分配CPU时间片，分到时间片后才会调用run()。注意，同一个线程的start()不能被重复调用，否则会出现异常，因为重复调用了，start方法，线程的state就不是new了，那么threadStatus就不等于0了。

//start源码分析
public synchronized void start() {
    /**
        Java里面创建线程之后，必须要调用start方法才能创建一个线程，该方法会通过虚拟机启动一个本地线程，本地线程的创建会调用当前系统去创建线程的方法进行创建线程。
        最终会调用run()将线程真正执行起来
        0这个状态，等于‘New’这个状态。
         */
    if (threadStatus != 0)
        throw new IllegalThreadStateException();

    /* 线程会加入到线程分组，然后执行start0() */
    group.add(this);

    boolean started = false;
    try {
        start0();
        started = true;
    } finally {
        try {
            if (!started) {
                group.threadStartFailed(this);
            }
        } catch (Throwable ignore) {
            /* do nothing. If start0 threw a Throwable then
                  it will be passed up the call stack */
        }
    }
}

执行流程图

image.png

而run()则仅仅是一个普通方法，与类中的成员方法意义相同。在该方法中可以实现线程执行的业务逻辑。但并不会以异步的方式将线程启动，换句话说就是并不会去开启一个新的线程。其可以单独执行，也可以重复执行。

理解yield()

当某个线程调用了这个方法后，该线程立即释放自己持有的时间片。线程会进入到就绪状态，同时CPU会重新选择一个线程赋予时间分片，但注意，调用了这个方法的线程，也有可能被CPU再次选中赋予执行。

而且该方法不会释放锁。如需释放锁的话，可以在调用该方法前自己手动释放。

public class Demo {

    private static class MyThread extends Thread {

        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {

                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);

                if (i==5){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                    yield();
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread thread1 = new Thread(new MyThread());
        Thread thread2 = new Thread(new MyThread());
        Thread thread3 = new Thread(new MyThread());

        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
    }
}

从结果看出，当调用了该方法后线程会让出自己的时间分片，但也有可能被再次选中执行。

image.png

理解join()

该方法的使用，在实际开发中，应用的是比较少的。但在面试中，常常伴随着产生一个问题，如何保证线程的执行顺序？就可以通过该方法来设置。

使用

当线程调用了该方法后，线程状态会从就绪状态进入到运行状态。

public class JoinDemo {

    private static class MyThread extends Thread{

        int i;
        Thread previousThread; //上一个线程

        public MyThread(Thread previousThread,int i){
            this.previousThread=previousThread;
            this.i=i;
        }

        @Override
        public void run() {
            //调用上一个线程的join方法. 不使用join方法解决是不确定的
            //previousThread.join();
            System.out.println("num:"+i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {

        Thread previousThread=Thread.currentThread();

        for(int i=0;i<10;i++){
            //每一个线程实现都持有前一个线程的引用。
            MyThread joinDemo=new MyThread(previousThread,i);
            joinDemo.start();
            previousThread=joinDemo;
        }
    }
}

image.png

可是等到开启了join之后，结果就是有序的了。

image.png

根据结果可以看到，当前线程需要等待previousThread线程终止之后才从thread.join返回。可以理解完，线程会在join处等待。

原理剖析

//源码解析
public final void join() throws InterruptedException {
    join(0);
}
...
    public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException {
    long base = System.currentTimeMillis();
    long now = 0;
    if (millis < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
    }
    //判断是否携带阻塞的超时时间，等于0表示没有设置超时时间
    if (millis == 0) { 
        //isAlive获取线程状态，无限等待直到previousThread线程结束
        while (isAlive()) {
            //调用Object中的wait方法实现线程的阻塞
            wait(0); 
        }
    } else { //阻塞直到超时
        while (isAlive()) { 
            long delay = millis - now;
            if (delay <= 0) {
                break;
            }
            wait(delay);
            now = System.currentTimeMillis() - base;
        }
    }
}

可以看到刚方法是被synchronized修饰的，因为在其内部对于线程阻塞的实现，是通过Object中wait方法实现的，而要调用wait()，则必须添加synchronized。

为什么join()阻塞的是主线程呢？按照上述的理解，很多人认为其应该阻塞的是previousThread。实际上主线程会持有previousThread这个对象的锁，然后调用wait方法去阻塞，而这个方法的调用者是在主线程中的。所以造成主线程阻塞。

为什么previousThread线程执行完毕就能够唤醒住线程呢？或者说是在什么时候唤醒的？对于wait的使用，对应的会有notify或notifyAll。在JVM内部，会设置native线程对象为null同时调用notifyAll唤醒所有线程。

总的来说，Thread.join其实底层是通过wait/notifyall来实现线程的通信达到线程阻塞的目的；当线程执行结束以后，会触发两个事情，第一个是设置native线程对象为null、第二个是通过notifyall方法，让等待在previousThread对象锁上的wait方法被唤醒。

线程优先级

操作对于线程执行，是通过CPU时间片来调用运行的。那么一个线程被分配的时间片的多少，就决定了其使用资源的多少。而线程优先级就是决定线程需要能够使用资源多少的线程属性。

线程优先级的范围是1~10。一个线程的默认优先级是5，可以在构建线程时，通过setPriority()修改该线程的优先级。优先级高的线程分配时间片的数量会高于优先级低的线程。

一般来说对于频繁阻塞的线程需要设置优先级高点，而偏重计算的线程优先级会设置低些，确保处理器不会被独占。

但注意，线程优先级不能作为线程执行正确性的依赖，因为不同的操作系统可能会忽略优先级的设置。

守护线程

守护线程是一种支持形的线程，我们之前创建的线程都可以称之为用户线程。通过守护线程可以完成一些支持性的工作，如GC、分布式锁续期。守护线程会伴随着用户线程的结束而结束。

对于守护线程的创建，可以通过setDaemon()设置。

public class DaemonDemo {

    private static class MyThread implements Runnable{

        @Override
        public void run() {

            while (!Thread.currentThread().isInterrupted()){

                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                } finally {
                    System.out.println("thread run into finally");
                }
            }
        }
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread thread = new Thread(new MyThread());
        //设置守护线程
        thread.setDaemon(true);
        thread.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
    }
}

当线程实例没有被设置为守护线程时，该线程并不会随着主线程的结束而结束。但是当被设置为守护线程后，当主线程结束，该线程也会伴随着结束。同时守护线程不一定会执行finally代码块。所以当线程被设定为守护线程后，无法确保清理资源等操作一定会被执行。

线程状态

理解了上述方法后，再来看一下这些对于线程状态转换能起到什么样的影响。

image.png

最后编辑于：2020.07.15 22:20:08

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理解join()

使用

原理剖析

线程优先级

守护线程

线程状态

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