MySQL第九讲·索引怎么提高查询的速度？

索引：怎么提高查询的速度？

在超市信息系统刚刚开始运营的时候，因为数据量很少，每一次的查询都能很快拿到结果。但是，系统运转时间长了以后，数据量不断地累积，变得越来越庞大，很多查询的速度就变得特别慢。这个时候，我们就采用了 MySQL 提供的高效访问数据的方法—— 索引，有效地解决了这个问题，甚至之前的一个需要 8 秒钟才能完成的查询，现在只用 0.3 秒就搞定了，速度提升了 20 多倍。

那么，索引到底是啥呢？该怎么使用呢？

索引是什么？

直白点说就是，我们看书的时候，书会在前面添加目录，我们可以通过目录，快速定位到我们想要看的章节。

MySQL中的索引，其实就相当于书中的目录，它是帮助MySQL系统快速检索数据的一种存储结构。我们可以在索引中按照查询条件，检索索引字段的值，然后快速定位数据记录的位置，这样就不需要遍历整个数据表了。而且，数据表中的记录越多，速度提升越明显。

举个例子，进一步解释一下索引的作用。

mysql> desc demo.trans;
+---------------+----------+------+-----+---------+-------+
| Field         | Type     | Null | Key | Default | Extra |
+---------------+----------+------+-----+---------+-------+
| itemnumber    | int      | YES  | MUL | NULL    |       |
| quantity      | text     | YES  |     | NULL    |       |
| price         | text     | YES  |     | NULL    |       |
| transdate     | datetime | YES  | MUL | NULL    |       |
| actualvalue   | text     | YES  |     | NULL    |       |
| barcode       | text     | YES  |     | NULL    |       |
| cashiernumber | int      | YES  | MUL | NULL    |       |
| branchnumber  | int      | YES  | MUL | NULL    |       |
| transuniqueid | text     | YES  |     | NULL    |       |
+---------------+----------+------+-----+---------+-------+
9 rows in set (0.02 sec)

某个门店的销售流水表有400万条数据，现在我要查一下商品编号是100的商品在2020-12-12这一天的销售情况，查询的代码如下：

mysql> select
-> quantity,price,transdate
-> from
-> demo.trans
-> where
-> transdate > '2020-12-12'
-> and transdate < '2020-12-13'
-> and itemnumber = 100;
+----------+--------+---------------------+
| quantity | price | transdate |
+----------+--------+---------------------+
| 1.000 | 220.00 | 2020-12-12 19:45:36 |
| 1.000 | 220.00 | 2020-12-12 08:56:37 |
+----------+--------+---------------------+
2 rows in set (8.08 sec)

可以看到，结果总共有2条记录，可是却花了8秒钟，非常慢。同时，这里并没有做表的关联，只是简单的单表查询，而且只是一个门店几个月的数据而已。如果总部把所有门店的数据汇总到一起，查询速度更慢，这样的查询效率，我们肯定是不能接受的。

如何解决这个问题呢？这时候，我们就可以给数据表添加索引。

单字段索引

MySQL支持单字段索引和组合索引，而单字段索引比较常用，我们先来学习下创建单字段索引的方法。

如何创建单字段索引？

创建单字段索引一般有3种方式：

1. 通过create语句直接给已经存在的表创建索引；
2. 可以在创建表的同时创建索引；
3. 可以通过修改表来创建索引。

直接给数据表创建索引的语法如下：

create index 索引名 on table 表名 （字段）;

创建表的同时创建索引的语法如下：

create table 表名
(
字段 数据类型
...
{ index | key } 索引名 (字段)
)

修改表时创建索引的语法如下所示：

alter table 表名 add { index | key} 索引名 (字段);

注意：给表设定主键约束或者唯一性约束的时候，MySQL会自动创建主键索引或唯一性索引。

举个例子，我们可以给表demo.trans创建索引如下：

mysql > create index index_trans on demo.trans (transdate(10));
Query OK, 0 rows affected (1 min 8.71 sec)Records: 0 Duplicates: 0 Warnings: 0 
mysql> select
-> quantity,price,transdate
-> from
-> demo.trans
-> where
-> transdate > '2020-12-12'
-> and transdate < '2020-12-13'
-> and itemnumber = 100;
+----------+--------+---------------------+
| quantity | price | transdate |
+----------+--------+---------------------+
| 1.000 | 220.00 | 2020-12-12 19:45:36 || 1.000 | 220.00 | 2020-12-12 08:56:37 |
+----------+--------+---------------------+
2 rows in set (0.30 sec)

可以看到，加了索引之后，这一次我们只用了 0.3 秒，比没有索引的时候，快了 20 多倍。这么大的差距，说明索引对提高查询的速度确实很有帮助。那么，索引是如何做到这一点的呢？下面我们来学习下单字段索引的作用原理。

单字段索引的作用

要想知道MySQL中索引是怎么起作用的，我们需要借助explain关键字。

explain关键字能够查看SQL语句的执行细节，包括表的加载顺序，表示如何建立连接的，以及索引的使用情况等。

mysql> explain select
-> quantity,price,transdate
-> from
-> demo.trans
-> where
-> transdate > '2020-12-12'
-> and transdate < '2020-12-13'
-> and itemnumber = 100;
+----+-------------+-------------+------------+-------+-------------------+-------------------+---------+------+------+----------+-----------------------------------------------+
| id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key | key_len | ref | rows | filtered | Extra |
+----+-------------+-------------+------------+-------+-------------------+-------------------+---------+------+------+----------+-----------------------------------------------+
| 1 | SIMPLE | trans | NULL | range | index_trans | index_trans | 6 | NULL | 5411 | 10.00 | Using index condition; Using where; Using MRR |
+----+-------------+-------------+------------+-------+-------------------+-------------------+---------+------+------+----------+-----------------------------------------------+
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

解释一下代码里的关键内容：

• type=range: 表示使用索引查询特定范围的数据记录
• rows=5411：表示需要读取的记录数
• possible_keys=index_trans：表示可以选择的索引是 index_trans
• key=index_trans：表示实际选择的索引是 index_trans
• extra=Using index condition;Using where;Using MRR：这里面的信息对 SQL 语句的执行细节做了进一步的解释，包含了 3 层含义：第一个是执行时使用了索引，第二个是执行时通过 where 条件进行了筛选，第三个是使用了顺序磁盘读取的策略。

我们发现，有了索引之后，MySQL在执行SQL语句的时候多了一种优化的手段。也就是说，在查询的时候，可以先通过查询索引快速定位，然后再找到对应的数据进行读取，这样就大大提高了查询的速度。

如何选择索引字段？

在刚刚的查询中，我们是选择 transdate（交易时间）字段来当索引字段，为啥不选别的字段呢？这是因为，交易时间是查询条件。MySQL 可以按照交易时间的限定“2020 年 12 月 12 日”，在索引中而不是数据表中寻找满足条件的索引记录，再通过索引记录中的指针来定位数据表中的数据。这样，索引就能发挥作用了。

不过，itemnumber 字段也是查询条件，能不能用 itemnumber 来创建一个索引呢？我们来试一试：

mysql> create index index_trans_itemnumber on demo.trans (itemnumber);
Query OK, 0 rows affected (43.88 sec)
Records: 0 Duplicates: 0 Warnings: 0

然后看看效果：

mysql> select
-> quantity,price,transdate
-> from
-> demo.trans
-> where
-> transdate > '2020-12-12'      -- 对交易时间的筛选，可以在transdate的索引中定位
-> and transdate < '2020-12-13'
-> and itemnumber = 100;         -- 对商品编号的筛选，可以在itemnumber的索引中定位
+----------+--------+---------------------+
| quantity | price | transdate |
+----------+--------+---------------------+
| 1.000 | 220.00 | 2020-12-12 19:45:36 |
| 1.000 | 220.00 | 2020-12-12 08:56:37 |
+----------+--------+---------------------+
2 rows in set (0.38 sec)

我们发现，用itemnumber创建索引之后，查询速度和之前的差不多，基本在同一个数量级。

我们用explain关键字查看一下：

mysql> explain select
-> quantity,price,transdate
-> from
-> demo.trans
-> where
-> transdate > '2020-12-12'
-> and transdate < '2020-12-13'
-> and itemnumber = 100;                 -- 对itemnumber 进行限定
+----+-------------+-------------+------------+------+------------------------------------------------+------------------------------+---------+-------+------+----------+-------------+
| id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key | key_len | ref | rows | filtered | Extra |
+----+-------------+-------------+------------+------+------------------------------------------------+------------------------------+---------+-------+------+----------+-------------+
| 1 | SIMPLE | trans | NULL | ref | index_trans,index_trans_itemnumber | index_trans_itemnumber | 5 | const | 1192 | 0.14 | Using where |
+----+-------------+-------------+------------+------+------------------------------------------------+------------------------------+---------+-------+------+----------+-------------+
1 row in set, 1 warning (0.01 sec)

我们发现，“possible_keys= index_trans,index_trans_itemnumber ”，就是说 MySQL 认为可以选择的索引确实有 2 个，一个是用 transdate 字段创建的索引 index_trans，另一个是用 itemnumber 字段创建的索引 index_trans_itemnumber。

key= index_trans_itemnumber， 说明 MySQL 实际选择使用的索引是 itemnumber 字段创建的索引 index_trans_itemnumber。而 rows=1192，就表示实际读取的数据记录数只有 1192 个，比用 transdate 创建的索引 index_trans 的实际读取记录数要少，这就是 MySQL 选择使用 itemnumber 索引的原因。

建议：在选择索引字段的时候，要选择那些经常被用来做筛选条件的字段。

这样做才能发挥索引的作用，提升检索的效率。

组合索引

在实际工作中，有时会遇到比较复杂的数据表，这种表包括的字段比较多，经常需要通过不同的字段筛选数据，特别是数据表中包含多个层级信息。比如我们的销售流水表就包含了门店信息、收款机信息和商品信息这 3 个层级信息。门店对应多个门店里的收款机，每个收款机对应多个从这台收款机销售出去的商品。我们经常要把这些层次信息作为筛选条件，来进行查询。这个时候单字段的索引往往不容易发挥出索引的最大功效，可以使用组合索引。

现在，先看看单字段索引的效果，我们分别用 branchnumber 和 cashiernumber 来创建索引：

mysql> create index index_trans_branchnumber on demo.trans (branchnumber);
Query OK, 0 rows affected (41.49 sec)
Records: 0 Duplicates: 0 Warnings: 0

 mysql> create index index_trans_cashiernumber on demo.trans (cashiernumber);
Query OK, 0 rows affected (41.95 sec)
Records: 0 Duplicates: 0 Warnings: 0

有了门店编号和收款机编号的索引，现在我们就尝试一下以门店编号、收款机编号和商品编号为查询条件，来验证一下索引是不是起了作用。

mysql> select
-> itemnumber,quantity,price,transdate
-> from
-> demo.trans
-> where
-> branchnumber = 11 and cashiernumber = 1 -- 门店编号和收款机号为筛选条件
-> and itemnumber = 100;    -- 商品编号为筛选条件
+------------+----------+--------+---------------------+
| itemnumber | quantity | price | transdate |
+------------+----------+--------+---------------------+
| 100 | 1.000 | 220.00 | 2020-07-11 09:18:35 |
| 100 | 1.000 | 220.00 | 2020-09-06 21:21:58 |
| 100 | 1.000 | 220.00 | 2020-11-10 15:00:11 |
| 100 | 1.000 | 220.00 | 2020-12-25 14:28:06 |
| 100 | 1.000 | 220.00 | 2021-01-09 20:21:44 |
| 100 | 1.000 | 220.00 | 2021-02-08 10:45:05 |
+------------+----------+--------+---------------------+
6 rows in set (0.31 sec)

结果有 6 条记录，查询时间是 0.31 秒，跟只创建商品编号索引差不多。下面我们就来查看一下执行计划，看看新建的索引有没有起作用。

mysql> explain select
-> itemnumber,quantity,price,transdate
-> from
-> demo.trans
-> where
-> branchnumber = 11 and cashiernumber = 1
-> and itemnumber = 100;
+----+-------------+-------+------------+------+---------------------------------------------------------------------------+------------------------+---------+-------+------+----------+-------------+
| id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key | key_len | ref | rows | filtered | Extra |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------------------------------------------------------------------+------------------------+---------+-------+------+----------+-------------+
| 1 | SIMPLE | trans | NULL | ref | index_trans_itemnumber,index_trans_branchnumber,index_trans_cashiernumber | index_trans_itemnumber | 5 | const | 1192 | 20.50 | Using where |
+----+-------------+-------+------------+------+---------------------------------------------------------------------------+------------------------+---------+-------+------+----------+-------------+
1 row in set, 1 warning (0.01 sec)

MySQL 有 3 个索引可以用，分别是用 branchnumber 创建的 index_trans_branchnumber、用 cashiernumber 创建的 index_trans_cashiernumber 和用 itemnumber 创建的 index_trans_itemnumber。

最后，MySQL 还是选择了 index_trans_itemnumber，实际筛选的记录数是 1192，花费了 0.31 秒。

为什么 MySQL 会这样选呢？这是因为，优化器现在有 3 种索引可以用，分别是商品编号索引、门店编号索引和收款机号索引。优化器发现，商品编号索引实际搜索的记录数最少，所以最后就选择了这种索引。

所以，如果有多个索引，而这些索引的字段同时作为筛选字段出现在查询中的时候，MySQL 会选择使用最优的索引来执行查询操作。

能不能让这几个筛选字段同时发挥作用呢？这就用到组合索引了。组合索引，就是包含多个字段的索引。MySQL 最多支持由 16 个字段组成的组合索引。

如何创建组合索引？

创建组合索引的语法结构与创建单字段索引相同，不同的是相比单字段索引，组合索引使用了多个字段。

直接给数据表创建索引的语法如下：

create index 索引名 on table 表名 (字段1，字段2，……);

创建表的同时创建索引：

create table 表名
(
字段 数据类型,
...
{ index | key} 索引名 (字段1, 字段2, ...)
)

修改表时创建索引：

alter table 表名 add { index | key } 索引名 (字段1, 字段2, ...);

现在，针对刚刚的查询场景，我们就可以通过创建组合索引，发挥多个字段的筛选作用。

具体做法是，我们给销售流水表创建一个由 3 个字段 branchnumber、cashiernumber、itemnumber 组成的组合索引，如下所示：

mysql> create index Index_branchnumber_cashiernumber_itemnumber on demo.trans (branchnumber,cashiernumber,itemnumber);
Query OK, 0 rows affected (59.26 sec)
Records: 0 Duplicates: 0 Warnings: 0

有了组合索引，刚刚的查询速度就更快了：

mysql> select
-> itemnumber,quantity,price,transdate
-> from
-> demo.trans
-> where
-> branchnumber = 11 and cashiernumber = 1
-> and itemnumber = 100;
+------------+----------+--------+---------------------+
| itemnumber | quantity | price | transdate |
+------------+----------+--------+---------------------+
| 100 | 1.000 | 220.00 | 2020-07-11 09:18:35 |
| 100 | 1.000 | 220.00 | 2020-09-06 21:21:58 |
| 100 | 1.000 | 220.00 | 2020-11-10 15:00:11 |
| 100 | 1.000 | 220.00 | 2020-12-25 14:28:06 |
| 100 | 1.000 | 220.00 | 2021-01-09 20:21:44 |
| 100 | 1.000 | 220.00 | 2021-02-08 10:45:05 |
+------------+----------+--------+---------------------+
6 rows in set (0.00 sec)

几乎是一瞬间就完成了，我们来看看MySQL的执行计划：

mysql> explain select
-> itemnumber,quantity,price,transdate
-> from
-> demo.trans
-> where                         -- 同时筛选门店编号、收款机号和商品编号
-> branchnumber = 11 and cashiernumber = 1 
-> and itemnumber = 100;
+----+-------------+-------+------------+------+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+---------------------------------------------+---------+-------------------+------+----------+-------+
| id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key | key_len | ref | rows | filtered | Extra |
+----+-------------+-------+------------+------+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+---------------------------------------------+---------+-------------------+------+----------+-------+
| 1 | SIMPLE | trans | NULL | ref | index_trans_itemnumber,index_trans_branchnumber,index_trans_cashiernumber,index_branchnumber_cashiernumber_itemnumber | index_branchnumber_cashiernumber_itemnumber | 15 | const,const,const | 6 | 100.00 | NULL |
+----+-------------+-------+------------+------+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+---------------------------------------------+---------+-------------------+------+----------+-------+
1 row in set, 1 warning (0.01 sec)

这个查询，MySQL可以用到的索引有4个：

• index_trans_itemnumber
• index_trans_branchnumber
• index_trans_cashiernumber
• index_branchnumber_cashiernumber_itemnumber(我们刚刚用branchnumber, cashiernumber, itemnumber创建的组合索引)

MySQL 选择了组合索引，筛选后读取的记录只有6条。组合索引被充分利用，筛选更加精准，所以非常快。

组合索引的原理

组合索引的多个字段是有序的，遵循左对齐的原则。比如我们创建的组合索引，排序的方式是 branchnumber、cashiernumber 和 itemnumber。因此，筛选的条件也要遵循从左向右的原则，如果中断，那么，断点后面的条件就没有办法利用索引了。

比如说我们刚才的条件，branchnumber = 11 AND cashiernumber = 1 AND itemnumber = 100，包含了从左到右的所有字段，所以可以最大限度使用全部组合索引。

假如把条件换成“cashiernumber = 1 AND itemnumber = 100”，由于我们的组合索引是按照 branchnumber、cashiernumber 和 itemnumber 的顺序建立的，最左边的字段 branchnumber 没有包含到条件当中，中断了，所以这个条件完全不能使用组合索引。

类似的，如果筛选的是一个范围，如果没有办法无法精确定位，也相当于中断。比如“branchnumber > 10 AND cashiernumber = 1 AND itemnumber = 100”这个条件，只能用到组合索引中 branchnumber>10 的部分，后面的索引就都用不上了。

我们来看看 MySQL 的运行计划：

mysql> EXPLAIN SELECT
-> itemnumber,quantity,price,transdate
-> FROM
-> demo.trans
-> WHERE
-> branchnumber > 10 AND cashiernumber = 1 AND itemnumber = 100;
+----+-------------+-------+------------+------+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+------------------------+---------+-------+------+----------+-------------+
| id | select_type | table | partitions | type | possible_keys | key | key_len | ref | rows | filtered | Extra |
+----+-------------+-------+------------+------+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+------------------------+---------+-------+------+----------+-------------+
| 1 | SIMPLE | trans | NULL | ref | index_trans_itemnumber,index_trans_branchnumber,index_trans_cashiernumber,index_branchnumber_cashiernumber_itemnumber | index_trans_itemnumber | 5 | const | 1192 | 20.50 | Using where |
+----+-------------+-------+------------+------+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+------------------------+---------+-------+------+----------+-------------+
1 row in set, 1 warning (0.02 sec)

可见，MySQL没有选择组合索引，而是选择了itemnumber创建的普通索引index_trans_itemnumber。因为如果只使用组合索引的一部分，效果没有单字段索引那么好。

总结索引

索引可以非常显著的提高数据查询的速度，数据表里包含的数据越多，效果越显著。我们应该选择经常被用做筛选条件的字段来创建索引，这样才能通过索引缩小实际读取数据表中数据的范围，发挥出索引的优势。如果有多个筛选的字段，而且经常一起出现，也可以用多个字段来创建组合索引。

如果要删除索引，可以用：

drop index 索引名 on 表名;

当然， 有的索引不能用这种方法删除，比如主键索引，我们就必须通过修改表来删除索引。语法如下：

alter table 表名 drop primary key；

最后再来谈谈索引的成本：

索引能够提升查询的效率，但是创建索引是有成本的，主要有2个方面，一个存储空间的开销，还有一个是数据操作上的开销。

• 存储空间的开销，是指索引需要单独占用存储空间；
• 数据操作上的开销，是指一旦数据表有变动，无论是插入一条新数据，还是删除一条旧数据，甚至是修改数据，如果涉及索引字段，都需要对索引本身进行修改，以确保索引能够指向正确的记录。

因此，索引也不是越多越好，创建索引有存储开销和操作开销，需要综合考量。

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索引其实是一种数据结构，能够帮助我们快速的检索数据库中的数据。

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1. 链表：查找时是线性遍历，效率太低。
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4. 哈希表：官方的索引实现方式中MySQL是支持HASH的，只不过InnoDB和MyISAM存储引擎并不支持。哈希表的优点就是它的时间复杂度是O(1) 的，但哈希表也有一个缺点就是不利于进行数据的范围查找。

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B+树是B树的一种变形结构，那为什么我们没有采用普通的B树作为索引结构呢？

1. 首先，普通B树中的所有结点中都同时包括索引信息和数据信息，由于一个Page的大小是固定的，因此非叶子结点中如果包含了数据信息，那么这些结点中能够存储的索引信息一定会变少，这时这棵树形结构一定会变得更高更瘦，当查询数据时就可能需要与磁盘进行更多次的IO操作。

2. 其次，普通B树中的各个叶子结点之间没有连接起来，这将不利于进行数据的范围查找，而B+树的各个叶子结点之间是连接起来的，当我们进行范围查找时，直接先找到第一个数据然后继续向后遍历找到之后的数据即可，因此将各个叶子结点连接起来更有利于进行数据的范围查找。

索引创建原则

索引创建的原则如下：时刻要记住，创建索引的目的就是为了提高查询的效率。

1. 比较频繁作为查询条件的字段应该创建索引。
2. 唯一性太差的字段不适合单独创建索引，即使频繁作为查询条件。
3. 更新非常频繁的字段不适合创建索引。
4. 不会出现在where子句中的字段不应该创建索引。

索引优缺点

MySQL索引的优缺点

• 索引的优缺点

优点:

• 提高数据检索的效率，降低数据库IO成本。
• 通过索引对数据进行排序，降低数据的排序成本，降低CPU的消耗。

缺点:

• 建立索引需要占用物理空间
• 会降低表的增删改的效率，因为每次对表记录进行增删改，需要进行动态维护索引，导致增删改时间变长

索引失效场景

索引失效场景

索引失效情况1：非最左匹配

最左匹配原则指的是，以最左边的为起点字段查询可以使用联合索引，否则将不能使用联合索引。 我们本文的联合索引的字段顺序是 sn + name + age，我们假设它们的顺序是 A + B + C，以下联合索引的使用情况如下：

从上述结果可以看出，如果是以最左边开始匹配的字段都可以使用上联合索引，比如：

• A+B+C
• A+B
• A+C 其中：A 等于字段 sn，B 等于字段 name，C 等于字段 age。

而 B+C 却不能使用到联合索引，这就是最左匹配原则。

2. 索引失效情况2：错误模糊查询

模糊查询 like 的常见用法有 3 种：

1. 模糊匹配后面任意字符：like ‘张%’
2. 模糊匹配前面任意字符：like ‘%张’
3. 模糊匹配前后任意字符：like ‘%张%’

而这 3 种模糊查询中只有第 1 种查询方式可以使用到索引，具体执行结果如下：

3. 索引失效情况3：列运算

如果索引列使用了运算，那么索引也会失效，如下图所示：

4. 索引失效情况4：使用函数

查询列如果使用任意 MySQL 提供的函数就会导致索引失效，比如以下列使用了 ifnull 函数之后的执行计划如下：

5. 索引失效情况5：类型转换

如果索引列存在类型转换，那么也不会走索引，比如 address 为字符串类型，而查询的时候设置了 int 类型的值就会导致索引失效，如下图所示：

6. 索引失效情况6：使用 is not null

当在查询中使用了 is not null 也会导致索引失效，而 is null 则会正常触发索引的，如下图所示：

导致 MySQL 索引失效的常见场景有以下 6 种：

1. 联合索引不满足最左匹配原则。
2. 模糊查询最前面的为不确定匹配字符。
3. 索引列参与了运算。
4. 索引列使用了函数。
5. 索引列存在类型转换。
6. 索引列使用 is not null 查询。

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