异步编程 - 04 基于JDK中的Future实现异步编程(上)_Future & FutureTask 源码解析

概述

这里我们主要探讨如何使用JDK中的Future实现异步编程，这包含

• 如何使用FutureTask实现异步编程及其内部实现原理；
• 如何使用CompletableFuture实现异步编程及其内部实现原理，
• 以及CompletableFuture与JDK Stream如何完美结合的。

JDK中的Future

OverView

在Java并发包（JUC包）中Future代表着异步计算结果，Future中提供了一系列方法用来

• 检查计算结果是否已经完成，
• 也提供了同步等待任务执行完成的方法，
• 还提供了获取计算结果的方法等
• 当计算结果完成时只能通过提供的get系列方法来获取结果，如果使用了不带超时时间的get方法，则在计算结果完成前，调用线程会被一直阻塞。
• 另外计算任务是可以使用cancel方法来取消的，但是一旦一个任务计算完成，则不能再被取消了。

Future接口方法详解

Future类共有5个接口方法，下面我们来一一讲解

V get()

等待异步计算任务完成，并返回结果；

• 如果当前任务计算还没完成则会阻塞调用线程直到任务完成；
• 如果在等待结果的过程中有其他线程取消了该任务，则调用线程抛出CancellationException异常；
• 如果在等待结果的过程中有其他线程中断了该线程，则调用线程抛出InterruptedException异常；
• 如果任务计算过程中抛出了异常，则调用线程会抛出ExecutionException异常。

V get(long timeout，TimeUnit unit)

• 相比get()方法多了超时时间，当线程调用了该方法后，在任务结果没有计算出来前调用线程不会一直被阻塞，而是会在等待timeout个unit单位的时间后抛出TimeoutException异常后返回。

• 添加超时时间避免了调用线程死等的情况，让调用线程可以及时释放。

boolean isDone()

• 如果计算任务已经完成则返回true，否则返回false。需要注意的是，任务完成是指任务正常完成了、由于抛出异常而完成了或者任务被取消了。

boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning)

尝试取消任务的执行；

• 如果当前任务已经完成或者任务已经被取消了，则尝试取消任务会失败；
• 如果任务还没被执行时调用了取消任务，则任务将永远不会被执行；
• 如果任务已经开始运行了，这时候取消任务，则参数mayInterruptIfRunning将决定是否要将正在执行任务的线程中断，如果为true则标识要中断，否则标识不中断；
• 当调用取消任务后，再调用isDone()方法，后者会返回true，随后调用isCancelled()方法也会一直返回true；
• 如果任务不能被取消，比如任务完成后已经被取消了，则该方法会返回false。

boolean isCancelled()

• 如果任务在执行完毕前被取消了，则该方法返回true，否则返回false。

JDK中的FutureTask

OverView

FutureTask代表了一个可被取消的异步计算任务，该类实现了Future接口，比如提供了启动和取消任务、查询任务是否完成、获取计算结果的接口。

• FutureTask任务的结果只有当任务完成后才能获取，并且只能通过get系列方法获取，当结果还没出来时，线程调用get系列方法会被阻塞。
• 另外，一旦任务被执行完成，任务将不能重启，除非运行时使用了runAndReset方法。
• FutureTask中的任务可以是Callable类型，也可以是Runnable类型（因为FutureTask实现了Runnable接口）
• 类型的任务可以被提交到线程池执行。

FutureTask提交任务到Thread线程执行

public class AsyncFutureExample {

    public static String doSomethingA() {

        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("--- doSomethingA---");

        return "TaskAResult";
    }

    public static String doSomethingB() {
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("--- doSomethingB---");
        return "TaskBResult";

    }

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

        long start = System.currentTimeMillis();

        // 1.创建future任务
        FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<String>(() -> {
            String result = null;
            try {
                result = doSomethingA();

            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return result;
        });

        // 2.开启异步单元执行任务A
        Thread thread = new Thread(futureTask, "threadA");
        thread.start();

        // 3.执行任务B
        String taskBResult = doSomethingB();

        // 4.同步等待线程A运行结束
        String taskAResult = futureTask.get();
        
        // 5.打印两个任务执行结果
        System.out.println(taskAResult + " " + taskBResult); 
        System.out.println(System.currentTimeMillis() - start);

    }
}

• 在上述代码中，doSomethingA和doSomethingB方法都是有返回值的任务，main函数内代码1创建了一个异步任务futureTask，其内部执行任务doSomethingA。

• 代码2则创建了一个线程，以futureTask为执行任务并启动；

• 代码3使用main线程执行任务doSomethingB，这时候任务doSomethingB和doSomethingA是并发运行的，等main函数运行doSomethingB完毕后，

• 执行代码4同步等待doSomethingA任务完成，然后代码5打印两个任务的执行结果。

• 如上可知使用FutureTask可以获取到异步任务的结果。

FutureTask提交任务到ThreadPool线程池执行

当然我们也可以把FutureTask提交到线程池来执行，使用线程池运行方式的代码如下：

    // 0自定义线程池
    private final static int AVALIABLE_PROCESSORS = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
    private final static ThreadPoolExecutor POOL_EXECUTOR = new ThreadPoolExecutor(AVALIABLE_PROCESSORS,
            AVALIABLE_PROCESSORS * 2, 1, TimeUnit.MINUTES, new LinkedBlockingQueue<>(5),
            new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());

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

        long start = System.currentTimeMillis();

        // 1.创建future任务
        FutureTask<String> futureTask = new FutureTask<String>(() -> {
            String result = null;
            try {
                result = doSomethingA();

            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return result;
        });

        // 2.开启异步单元执行任务A
        POOL_EXECUTOR.execute(futureTask);

        // 3.执行任务B
        String taskBResult = doSomethingB();

        // 4.同步等待线程A运行结束
        String taskAResult = futureTask.get();
        // 5.打印两个任务执行结果
        System.out.println(taskAResult + " " + taskBResult);
        System.out.println(System.currentTimeMillis() - start);
    }

如上可知代码0创建了一个线程池，代码2添加异步任务到线程池，这里我们是调用了线程池的execute方法把futureTask提交到线程池的，其实下面代码与上面是等价的：

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

        long start = System.currentTimeMillis();

        // 1.开启异步单元执行任务A
        Future<String> futureTask = POOL_EXECUTOR.submit(() -> {
            String result = null;
            try {
                result = doSomethingA();

            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return result;
        });

        // 2.执行任务B
        String taskBResult = doSomethingB();

        // 3.同步等待线程A运行结束
        String taskAResult = futureTask.get();
        // 4.打印两个任务执行结果
        System.out.println(taskAResult + " " + taskBResult);
        System.out.println(System.currentTimeMillis() - start);
    }

这里代码1调用了线程池的submit方法提交了一个任务到线程池，然后返回了一个futureTask对象。

FutureTask 源码解析

由上图可知 FutureTask实现了Future接口的所有方法，并且实现了Runnable接口，所以其是可执行任务，可以投递到线程池或者线程来执行。

属性

变量state

FutureTask中变量state是一个使用volatile关键字修饰（用来解决多线程下内存不可见问题 ，用来记录任务状态，任务状态枚举值如下：

• 一开始任务状态会被初始化为NEW；
• 当通过set、setException、cancel函数设置任务结果时，任务会转换为终止状态；
• 在任务完成过程中，任务状态可能会变为COMPLETING（当结果被使用set方法设置时），也可能会经过INTERRUPTING状态（当使用cancel(true)方法取消任务并中断任务时）。
• 当任务被中断后，任务状态为INTERRUPTED；
• 当任务被取消后，任务状态为CANCELLED；
• 当任务正常终止时，任务状态为NORMAL；
• 当任务执行异常后，任务状态会变为EXCEPTIONAL。

任务可能的状态转换路径

• NEW→COMPLETING→NORMAL：正常终止流程转换。

• NEW→COMPLETING→EXCEPTIONAL：执行过程中发生异常流程转换。

• NEW→CANCELLED：任务还没开始就被取消。

• NEW→INTERRUPTING→INTERRUPTED：任务被中断。

从上述转换可知，任务最终只有四种终态：NORMAL、EXCEPTIONAL、CANCELLED、INTERRUPTED，另外可知任务的状态值是从上到下递增的。

变量 callable

    /** The underlying callable; nulled out after running */
    private Callable<V> callable;

callable是有返回值的可执行任务，创建FutureTask对象时，可以通过构造函数传递该任务。

变量 outcome

    /** The result to return or exception to throw from get() */
    private Object outcome; // non-volatile, protected by state reads/writes

outcome是任务运行的结果，可以通过get系列方法来获取该结果。另外，outcome这里没有被修饰为volatile，是因为变量state已经被volatile修饰了，这里是借用volatile的内存语义来保证写入outcome时会把值刷新到主内存，读取时会从主内存读取，从而避免多线程下内存不可见问题

变量 runner

    /** The thread running the callable; CASed during run() */
    private volatile Thread runner;

runner变量，记录了运行该任务的线程，这个是在FutureTask的run方法内使用CAS函数设置的。

变量 waiters

    /** Treiber stack of waiting threads */
    private volatile WaitNode waiters;

waiters变量是一个WaitNode节点，是用Treiber stack实现的无锁栈，栈顶元素用waiters代表。栈用来记录所有等待任务结果的线程节点

其定义为：

static final class WaitNode {
    volatile Thread thread;
    volatile WaitNode next;
    WaitNode() { thread = Thread.currentThread(); }
}

可知其是一个简单的链表，用来记录所有等待结果被阻塞的线程。

构造函数

 public FutureTask(Callable<V> callable) {
        if (callable == null)
            throw new NullPointerException();
        this.callable = callable;
        this.state = NEW;       
    }

由上述代码可知，构造函数内保存了传递到callable任务的callable变量，并且将任务状态设置为NEW，这里由于state为volatile修饰，所以写入state的值可以保证callable的写入也会被刷入主内存，以避免多线程下内存不可见问题。

另外还有一个构造函数：

public FutureTask(Runnable runnable, V result) {
    this.callable = Executors.callable(runnable, result);
    this.state = NEW;     
}

该函数传入一个Runnable类型的任务，由于该任务是不具有返回值的，所以这里使用Executors.callable方法进行适配，适配为Callable类型的任务。

Executors.callable(runnable，result) 适配器模式

 public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) {
        if (task == null)
            throw new NullPointerException();
        return new RunnableAdapter<T>(task, result);
    }

    static final class RunnableAdapter<T> implements Callable<T> {
        final Runnable task;
        final T result;
        RunnableAdapter(Runnable task, T result) {
            this.task = task;
            this.result = result;
        }
        public T call() {
            task.run();
            return result;
        }
    }

FutureTask中使用了UNSAFE机制来操作内存变量

   private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;

    private static final long stateOffset;//state变量的偏移地址
    private static final long runnerOffset;//runner变量的偏移地址
    private static final long waitersOffset;//waiters变量的偏移地址
    static {
        try {
            //获取UNSAFE的实例
            UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
            Class<?> k = FutureTask.class;
            //获取变量state的偏移地址
            stateOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
                (k.getDeclaredField("state"));
            //获取变量runner的偏移地址
            runnerOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
                (k.getDeclaredField("runner"));
            //获取变量waiters变量的偏移地址
            waitersOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
                (k.getDeclaredField("waiters"));
        } catch (Exception e) {
            throw new Error(e);
        }
}

如上代码分别获取了FutureTask中几个变量在FutureTask对象内的内存地址偏移量，以便实现用UNSAFE的CAS操作来操作这些变量。

方法

FutureTask的run()方法

该方法是任务的执行体，线程是调用该方法来具体运行任务的，如果任务没有被取消，则该方法会运行任务，并且将结果设置到outcome变量中，其代码如下：

public void run() {
    //1.如果任务不是初始化的NEW状态，或者使用CAS设置runner为当前线程失败，则直接返回
    if (state != NEW ||
        !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
                                     null, Thread.currentThread()))
        return;
    //2.如果任务不为null，并且任务状态为NEW，则执行任务
    try {
        Callable<V> c = callable;
        if (c != null && state == NEW) {
            V result;
            boolean ran;
            //2.1执行任务，如果OK则设置ran标记为true
            try {
                result = c.call();
                ran = true;
            } catch (Throwable ex) {
            //2.2执行任务出现异常，则标记false，并且设置异常
                result = null;
                ran = false;
                setException(ex);
            }
            //3.任务执行正常，则设置结果
            if (ran)
                set(result);
        }
    } finally {
        
        
        runner = null;
        int s = state;
       //4.为了保证调用cancel(true)的线程在该run方法返回前中断任务执行的线程
        if (s >= INTERRUPTING)
            handlePossibleCancellationInterrupt(s);
    }
}

private void handlePossibleCancellationInterrupt(int s) {
    //为了保证调用cancel在该run方法返回前中断任务执行的线程
    //这里使用Thread.yield()让run方法执行线程让出CPU执行权，以便让
    //cancel(true)的线程执行cancel(true)中的代码中断任务线程
    if (s == INTERRUPTING)
        while (state == INTERRUPTING)
            Thread.yield(); // wait out pending interrupt
}

• 代码1，如果任务不是初始化的NEW状态，或者使用CAS设置runner为当前线程失败，则直接返回；这个可以防止同一个FutureTask对象被提交给多个线程来执行，导致run方法被多个线程同时执行造成混乱。

• 代码2，如果任务不为null，并且任务状态为NEW，则执行任务，其中代码2.1调用c.call()具体执行任务，如果任务执行OK，则调用set方法把结果记录到result，并设置ran为true；如果执行任务过程中抛出异常则设置result为null，ran为false，并且调用setException设置异常信息后，任务就处于终止状态，其中setException代码如下：

protected void setException(Throwable t) {
    //2.2.1
    if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
        outcome = t;
        UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL); // final state
        //2.2.1.1
        finishCompletion();
    }
}

由上述代码可知，使用CAS尝试设置任务状态state为COMPLETING，如果CAS成功，则把异常信息设置到outcome变量，并且设置任务状态为EXCEPTIONAL终止状态，然后调用finishCompletion，其代码如下：

private void finishCompletion() {
    //a遍历链表节点
    for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {
        //a.1 CAS设置当前waiters节点为null
        if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) {
            //a.1.1
            for (;;) {
                //唤醒当前q节点对应的线程
                Thread t = q.thread;
                if (t != null) {
                    q.thread = null;
                    LockSupport.unpark(t);
                }
                //获取q的下一个节点
                WaitNode next = q.next;
                if (next == null)
                    break;
                q.next = null; //help gc
                q = next;
            }
            break;
        }
    }
    // b所有阻塞的线程都被唤醒后，调用done方法
    done();

    callable = null;        // callable设置为null
}

上述代码比较简单，即当任务已经处于终态后，激活waiters链表中所有由于等待获取结果而被阻塞的线程，并从waiters链表中移除它们，等所有由于等待该任务结果的线程被唤醒后，调用done()方法，done默认实现为空实现。

上面我们讲了当任务执行过程中出现异常后的处理方法，下面我们看下代码3，了解当任务是正常执行完毕后set(result)的实现：

protected void set(V v) {
    //3.1
    if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
        outcome = v;
        UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
        finishCompletion();
    }
}

如代码3.1所示，使用CAS尝试设置任务状态state为COMPLETING，如果CAS成功，则把任务结果设置到outcome变量，并且将任务状态设置为NORMAL终止状态，然后调用finishCompletion唤醒所有因为等待结果而被阻塞的线程。

FutureTask的get()方法

• 等待异步计算任务完成，并返回结果；
• 如果当前任务计算还没完成则会阻塞调用线程直到任务完成；
• 如果在等待结果的过程中有其他线程取消了该任务，则调用线程会抛出CancellationException异常；
• 如果在等待结果的过程中有线程中断了该线程，则抛出InterruptedException异常；
• 如果任务计算过程中抛出了异常，则会抛出Execution-Exception异常。

其代码如下：

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
    //1.获取状态，如有需要则等待
    int s = state;
    if (s <= COMPLETING)
        //等待任务终止
        s = awaitDone(false, 0L);
    //2.返回结果
    return report(s);
}

• 如代码1所示，获取任务的状态，如果任务状态的值小于等于COMPLETING，则说明任务还没有完成，所以调用awaitDone挂起调用线程。

• 代码2表示如果任务已经完成，则返回结果。下面我们来看awaitDone方法实现：

private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
    throws InterruptedException {
    //1.1超时时间
    final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
    WaitNode q = null;
    boolean queued = false;
    //1.2 循环，等待任务完成
    for (;;) {
        //1.2.1任务被中断，则移除等待线程节点，抛出异常
        if (Thread.interrupted()) {
            removeWaiter(q);
            throw new InterruptedException();
        }
        //1.2.2 任务状态>COMPLETING说明任务已经终止
        int s = state;
        if (s > COMPLETING) {
            if (q != null)
                q.thread = null;
            return s;   
        }
        //1.2.3任务状态为COMPLETING
        else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
            Thread.yield();
        //1.2.4为当前线程创建节点
        else if (q == null)
            q = new WaitNode();
        //1.2.5 添加当前线程节点到链表
        else if (!queued)
            queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
                                               q.next = waiters, q);
        //1.2.6 设置了超时时间
        else if (timed) {
            nanos = deadline - System.nanoTime();
            if (nanos <= 0L) {
                removeWaiter(q);
                return state;
            }
            LockSupport.parkNanos(this, nanos);
        }
        //1.2.7没有设置超时时间
        else
            LockSupport.park(this);
    }
}

• 代码1.1获取设置的超时时间，如果传递的timed为false说明没有设置超时时间，则deadline设置为0。

• 代码1.2无限循环等待任务完成，其中代码1.2.1表示如果发现当前线程被中断，则从等待链表中移除当前线程对应的节点（如果队列里面有该节点的话），然后抛出InterruptedException异常；代码1.2.2表示如果发现当前任务状态大于COMPLETING，说明任务已经进入了终态（可能是NORMAL、EXCEPTIONAL、CANCELLED、INTERRUPTED中的一种），则把执行任务的线程的引用设置为null，并且返回结果。

• 代码1.2.3表示如果当前任务状态为COMPLETING，说明任务已经接近完成了，只有结果还未设置到outCome中，则这时让当前线程放弃CPU执行，意在让任务执行线程获取到CPU从而将任务状态从COMPLETING转换到终态NORMAL，这样可以避免当前调用get系列方法的线程被挂起，然后再被唤醒的开销。

• 代码1.2.4表示如果当前q为null，则创建一个与当前线程相关的节点，代码1.2.5表示如果当前线程对应节点还没放入waiters管理的等待列表，则使用CAS操作放入。

• 代码1.2.6表示如果设置了超时时间则使用LockSupport.parkNanos(this，nanos)让当前线程挂起deadline时间，否则会调用“LockSupport.park(this)；”让线程一直挂起直到其他线程调用了unpark方法，并且以当前线程为参数（比如finishCompletion()方法）。

• 另外，带超时参数的V get(long timeout，TimeUnit unit)方法与get()方法类似，只是添加了超时时间，这里不再赘述。

FutureTask的cancel(boolean mayInterruptIfRunning)方法

• 尝试取消任务的执行，如果当前任务已经完成或者任务已经被取消了，则尝试取消任务会失败；

• 如果任务还没被执行时调用了取消任务，则任务将永远不会被执行；

• 如果任务已经开始运行了，这时取消任务，则由参数mayInterruptIfRunning决定是否要将正在执行任务的线程中断，如果为true则标识要中断，否则标识不中断。

• 当调用取消任务后，再调用isDone()方法，后者会返回true，随后调用isCancelled()方法也会一直返回true；

• 如果任务不能被取消，比如任务已经完成了，任务已经被取消了，则该方法会返回false。

cancel方法的代码如下：

public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
    //1.如果任务状态为New则使用CAS设置任务状态为INTERRUPTING或者CANCELLED
    if (!(state == NEW &&
          UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW,
              mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED)))
        return false;
    //2.如果设置了中断正常执行任务线程，则中断
    try {    
        if (mayInterruptIfRunning) {
            try {
                Thread t = runner;
                if (t != null)
                    t.interrupt();
            } finally { // final state
                UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED);
            }
        }
    } finally {
        //3.移除并激活所有因为等待结果而被阻塞的线程
        finishCompletion();
    }
    return true;
}

• 如代码1所示，如果任务状态为New则使用CAS设置任务状态为INTERRUPTING或者CANCELLED，如果mayInterruptIfRunning设置为true，说明要中断正在执行任务的线程，则使用CAS设置任务状态为INTERRUPTING，否则设置为CANCELLED；如果CAS失败则直接返回false。

• 如果CAS成功，则说明当前任务状态已经为INTERRUPTING或者CANCELLED，如果mayInterruptIfRunning为true则中断执行任务的线程，然后设置任务状态为INTERRUPTED。

• 最后代码3移除并激活所有因为等待结果而被阻塞的线程。

• 另外，我们可以使用isCancelled()方法判断一个任务是否被取消了，使用isDone()方法判断一个任务是否处于终态。

小结

当我们创建一个FutureTask时，其任务状态初始化为NEW，当我们把任务提交到线程或者线程池后，会有一个线程来执行该FutureTask任务，具体是调用其run方法来执行任务。

在任务执行过程中，我们可以在其他线程调用FutureTask的get()方法来等待获取结果，如果当前任务还在执行，则调用get的线程会被阻塞然后放入FutureTask内的阻塞链表队列；

多个线程可以同时调用get方法，这些线程可能都会被阻塞并放到阻塞链表队列中。

当任务执行完毕后会把结果或者异常信息设置到outcome变量，然后会移除和唤醒FutureTask内阻塞链表队列中的线程节点，进而这些由于调用FutureTask的get方法而被阻塞的线程就会被激活。

FutureTask的局限性

FutureTask虽然提供了用来检查任务是否执行完成、等待任务执行结果、获取任务执行结果的方法，但是这些特色并不足以让我们写出简洁的并发代码，比如它并不能清楚地表达多个FutureTask之间的关系。

另外，为了从Future获取结果，我们必须调用get()方法，而该方法还是会在任务执行完毕前阻塞调用线程，这明显不是我们想要的。

我们真正想要的是：

• 可以将两个或者多个异步计算结合在一起变成一个，这包含两个或者多个异步计算是相互独立的情况，也包含第二个异步计算依赖第一个异步计算结果的情况。

• 对反应式编程的支持，也就是当任务计算完成后能进行通知，并且可以以计算结果作为一个行为动作的参数进行下一步计算，而不是仅仅提供调用线程以阻塞的方式获取计算结果。

• 可以通过编程的方式手动设置（代码的方式）Future的结果；FutureTask不能实现让用户通过函数来设置其计算结果，而是在其任务内部来进行设置。

• 可以等多个Future对应的计算结果都出来后做一些事情。

为了克服FutureTask的局限性，以及满足我们对异步编程的需要，JDK8中提供了CompletableFuture。

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