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????????hello,大家好,這里是bang___bang_,在上兩篇中我們講解了進(jìn)程的概念、狀態(tài)和進(jìn)程地址空間,本篇講解進(jìn)程的控制!!包含內(nèi)容有進(jìn)程創(chuàng)建、進(jìn)程等待、進(jìn)程替換、進(jìn)程終止!!

附上前2篇文章鏈接:

Linux——操作系統(tǒng)進(jìn)程詳解!!(建議收藏細(xì)品!!)_bang___bang_的博客-CSDN博客

[Linux]環(huán)境變量 進(jìn)程地址空間(虛擬內(nèi)存與物理內(nèi)存的關(guān)系)_bang___bang_的博客-CSDN博客

?

目錄

?1??計(jì)算機(jī)四個(gè)重要概念

2??進(jìn)程創(chuàng)建

🍙fork函數(shù)初識(shí)

🍙fork返回值

🍙fork調(diào)用失敗原因

3??進(jìn)程終止

🍙進(jìn)程終止的場(chǎng)景

🍙退出碼

🍥查看退出碼echo

🍥字符串格式查看錯(cuò)誤信息strerror

🍥退出碼講解

🍙進(jìn)程常見退出方法

🍥_exit函數(shù)——系統(tǒng)調(diào)用接口

🍥exit函數(shù)——C庫(kù)函數(shù)

🍥return退出

4??進(jìn)程等待

🍙進(jìn)程等待必要性

🍙進(jìn)程等待的方法

🍥wait方法

🍥waitpid方法

5??進(jìn)程程序替換

🍙替換原理

🍙替換函數(shù)

🍥execl函數(shù)

🍥execv函數(shù)

🍥execlp函數(shù)

🍥execle函數(shù)

🍥execvp函數(shù)

🍥execvpe函數(shù)

🍥execve函數(shù)(系統(tǒng)調(diào)用)


1??計(jì)算機(jī)四個(gè)重要概念

?競(jìng)爭(zhēng)性:系統(tǒng)進(jìn)程數(shù)目眾多,而CPU資源只有少量,甚至1個(gè),所以進(jìn)程之間是具有競(jìng)爭(zhēng)屬性的。為了高效完成任務(wù),更合理競(jìng)爭(zhēng)相關(guān)資源,便具有了優(yōu)先級(jí)

?獨(dú)立性:多進(jìn)程運(yùn)行,需要獨(dú)享各種資源,多進(jìn)程運(yùn)行期間互不干擾

?并行:多個(gè)進(jìn)程在多個(gè)CPU下分別,同時(shí)進(jìn)行運(yùn)行,這稱之為并行

?并發(fā):多個(gè)進(jìn)程在一個(gè)CPU下采用進(jìn)程切換的方式,在一段時(shí)間之內(nèi),讓多個(gè)進(jìn)程都得以推進(jìn),稱之為并發(fā)

2??進(jìn)程創(chuàng)建

fork創(chuàng)建子進(jìn)程,操作系統(tǒng)都做了什么?

????????fork創(chuàng)建子進(jìn)程,系統(tǒng)多了一個(gè)進(jìn)程。

????????進(jìn)程=內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+進(jìn)程代碼和數(shù)據(jù)!

🍙fork函數(shù)初識(shí)

  • 創(chuàng)建子進(jìn)程:失敗返回-1,成功返回子進(jìn)程PID給父進(jìn)程,0返回給子進(jìn)程

進(jìn)程調(diào)用fork,當(dāng)控制轉(zhuǎn)移到內(nèi)核中的fork代碼后,內(nèi)核做:

????????分配新的內(nèi)存塊和內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)給子進(jìn)程

????????★將父進(jìn)程部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)容拷貝至子進(jìn)程

????????★添加子進(jìn)程到系統(tǒng)進(jìn)程列表當(dāng)中

????????★fork返回,開始調(diào)度器調(diào)度

在進(jìn)程詳解篇,我提到過父子進(jìn)程代碼共享。

那么有個(gè)問題:是父進(jìn)程所有的代碼子進(jìn)程都共享呢?還是在fork函數(shù)之后的代碼才共享?

代碼共享猜想圖

🌰寫一段fork代碼看看結(jié)果(提示:眼見不一定為實(shí)

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{int num=0;int*p=&num;printf("Begin:pid:%d,&num:%p\n",getpid(),p);pid_t id=fork();if(id<0){perror("fork");}printf("After:pid:%d,fork return %d,&num:%p\n",getpid(),id,p);return 0;
}
fork驗(yàn)證結(jié)果圖

根據(jù)結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)Begin在子進(jìn)程并沒有執(zhí)行,但這能表示子進(jìn)程沒有共享父進(jìn)程的Begin代碼嗎?

答案是不是的!!!實(shí)際上子進(jìn)程也共享到了父進(jìn)程的Begin語(yǔ)句,只不過CPU中有個(gè)EPI寄存器,他保存了進(jìn)程的上下文信息,使得子進(jìn)程以為fork是他的開始,從fork語(yǔ)句后開始執(zhí)行!!

實(shí)際代碼共享圖

創(chuàng)建子進(jìn)程,給子進(jìn)程分配對(duì)應(yīng)的內(nèi)核空間結(jié)構(gòu),必須子進(jìn)程自己獨(dú)有,因?yàn)檫M(jìn)程具有獨(dú)立性!理論上,子進(jìn)程也要有自己的代碼和數(shù)據(jù)!可是一般而言,我們創(chuàng)建的子進(jìn)程沒有加載的過程(代碼和數(shù)據(jù)一般是從磁盤上加載到的程序),也就是說,子進(jìn)程沒有自己的代碼和數(shù)據(jù)!所以,子進(jìn)程只能“使用”父進(jìn)程的代碼和數(shù)據(jù)!

?? ?代碼:都是不可被寫的,只能讀取,所以父子共享!

????數(shù)據(jù):可能被修改的,所以,必須分離!

🍙fork返回值

????????★子進(jìn)程返回0

????????★父進(jìn)程返回子進(jìn)程的pid

????????★出錯(cuò)返回-1

為什么fork會(huì)有2個(gè)返回值?是因?yàn)閷憰r(shí)拷貝!!

在進(jìn)程地址空間中我有講解,這里再簡(jiǎn)單講解一下!

基于進(jìn)程的獨(dú)立性,父子進(jìn)程的數(shù)據(jù)必須分離,但是對(duì)于只讀的數(shù)據(jù)我們也進(jìn)行拷貝的話,對(duì)內(nèi)存太過于浪費(fèi),所以出現(xiàn)了一種新的技術(shù):寫時(shí)拷貝技術(shù)!

寫時(shí)拷貝,是一種延時(shí)申請(qǐng)技術(shù),可以提高整機(jī)內(nèi)存的使用率。

寫時(shí)拷貝

子進(jìn)程執(zhí)行讀權(quán)限的時(shí)候,父子進(jìn)程頁(yè)表映射到同一物理內(nèi)存,當(dāng)執(zhí)行寫權(quán)限時(shí),OS重新拷貝一份數(shù)據(jù)到物理內(nèi)存上,同時(shí)子進(jìn)程的頁(yè)表斷開原來的映射關(guān)系,映射到拷貝數(shù)據(jù)的物理地址。

🍙fork調(diào)用失敗原因

????????系統(tǒng)中有太多的進(jìn)程

????????★實(shí)際用戶的進(jìn)程數(shù)超過了限制

3??進(jìn)程終止

進(jìn)程終止時(shí),操作系統(tǒng)做了什么?

答:釋放進(jìn)程申請(qǐng)的相關(guān)內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)和代碼。本質(zhì):釋放系統(tǒng)資源。

🍙進(jìn)程終止的場(chǎng)景

?????????代碼運(yùn)行完畢,結(jié)果正確

?????????代碼運(yùn)行完畢,結(jié)果不正確

?????????代碼異常退出

🍙退出碼

🍥查看退出碼echo

//獲取最近一個(gè)進(jìn)程,執(zhí)行完畢的退出碼!
echo $?
echo示例圖

問題:main函數(shù)返回值的意義是什么?為什么總是0?

并不是總是0,返回值是進(jìn)程的退出碼!0表示進(jìn)程運(yùn)行結(jié)果正確,非0表示進(jìn)程運(yùn)行結(jié)果錯(cuò)誤。

返回值的意義:返回給上一級(jí)進(jìn)程,用來評(píng)判該進(jìn)程執(zhí)行結(jié)果用的,可以忽略。讓上層能根據(jù)程序的退出碼定位代碼出錯(cuò)的原因。非0值有無數(shù)個(gè),不同的非0值就可以標(biāo)識(shí)不同的錯(cuò)誤原因!!從而給我們的程序在運(yùn)行結(jié)束之后,結(jié)果不正確時(shí),方便定位錯(cuò)誤的原因細(xì)節(jié)!

🍥字符串格式查看錯(cuò)誤信息strerror

為了方便我們查看對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤是什么,C庫(kù)提供了一個(gè)函數(shù)strerror,將錯(cuò)誤以字符串的形式打印

strerror結(jié)果

🍥退出碼講解

退出碼在status參數(shù)中!

status并不是按照整數(shù)來整體使用的!而是按照bit位的方式,將32個(gè)bit位進(jìn)行劃分(位圖)

status低16位

上圖是status的低16位示意圖。

次低8位,表示子進(jìn)程退出的退出碼。獲取:(status&0xFF00)>>8
低7位,表示進(jìn)程收到(操作系統(tǒng))的信號(hào)(表示退出信號(hào))。獲取: status & 0x7F

系統(tǒng)提供了2個(gè)宏來獲取退出碼和退出信號(hào):

WIFEXITED(status): 若為正常終止子進(jìn)程返回的狀態(tài),則為真。(查看進(jìn)程是否是正常退出)
WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零,提取子進(jìn)程退出碼。(查看進(jìn)程的退出碼)
WIFEXITED(status)      //是否正常退出
WEXITSTATUS(status)    //若正常退出,獲取退出碼

使用:grep -ER 'xxxx' /usr/include 進(jìn)行查找?

進(jìn)程異常退出,或者崩潰,本質(zhì)是操作系統(tǒng)通過發(fā)送信號(hào)殺掉了你的進(jìn)程!!

🍙進(jìn)程常見退出方法

?

🍥_exit函數(shù)——系統(tǒng)調(diào)用接口

參數(shù):status 定義了進(jìn)程的終止?fàn)顟B(tài),父進(jìn)程通過wait來獲取該值。

🌰測(cè)試status次低8位作退出碼:
#include<stdio.h>    
#include<unistd.h>    int main()                                                                
{                                                                                                                                                               _exit(-1);                       
}    
status次低8位測(cè)試結(jié)果圖

將status設(shè)為-1,補(bǔ)碼為全1,但是只有8位,所以退出碼顯示為255(1111 1111)

🍥exit函數(shù)——C庫(kù)函數(shù)

exit最后也會(huì)調(diào)用_exit,但在調(diào)用前還刷新了緩沖區(qū)。

🌰觀察_exit和exit的區(qū)別:

/*_exit測(cè)試*/
#include<stdio.h>    
#include<unistd.h>    int main()                                                                
{                                                                           printf("hello");                                                                                     _exit(0);                       
}/*exit測(cè)試*/ 
#include<stdio.h>    
#include<stdlib.h>    int main()                                                                
{                                                                           printf("hello");                                                                                     exit(0);                       
}
_exit和exit對(duì)比結(jié)果圖

printf輸出是對(duì)stdout標(biāo)準(zhǔn)輸出文件寫入,stdout文件的緩沖區(qū)刷新策略是行刷新,即遇到\n刷新!

測(cè)試中沒有\(zhòng)n,也就不會(huì)刷新緩沖區(qū),也就不會(huì)顯示hello。

????????但是通過結(jié)果圖我們可以看到系統(tǒng)調(diào)用_exit沒有打印,C庫(kù)函數(shù)exit有打印,也就是說exit還刷新了緩沖區(qū)。

🍥return退出

????????return是一種更常見的退出進(jìn)程方法。 執(zhí)行return n等同于執(zhí)行exit(n) , 因?yàn)檎{(diào)用 main 的運(yùn)行時(shí)函數(shù)會(huì)將 main 的返回值當(dāng)做exit 的參數(shù)。

🌰return等同于執(zhí)行exit

#include<stdio.h>    int main()    
{    printf("hello");    return 0;                                                                                            
}    
return測(cè)試圖

現(xiàn)象和exit一樣,main返回值當(dāng)做exit的參數(shù)。

4??進(jìn)程等待

🍙進(jìn)程等待必要性

? 子進(jìn)程退出,父進(jìn)程如果不管不顧,就可能造成‘僵尸進(jìn)程’的問題,進(jìn)而造成內(nèi)存泄漏。
? 進(jìn)程一旦變成僵尸狀態(tài),kill -9 也無能為力,因?yàn)檎l(shuí)也沒有辦法殺死一個(gè)已經(jīng)死去的進(jìn)程。
? 父進(jìn)程派給子進(jìn)程的任務(wù)完成的如何,我們需要知道。
? 父進(jìn)程通過進(jìn)程等待的方式,回收子進(jìn)程資源,獲取子進(jìn)程退出信息。

🍙進(jìn)程等待的方法

🍥wait方法

參數(shù):輸出型參數(shù),獲取子進(jìn)程退出狀態(tài),不關(guān)心則可以設(shè)置為NULL

返回值:成功,返回被等待進(jìn)程的pid;失敗,則返回-1。

🌰wait系統(tǒng)接口的阻塞式測(cè)試:

不關(guān)心子進(jìn)程退出狀態(tài)

獲取子進(jìn)程退出狀態(tài)

🍥waitpid方法

pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
返回值:當(dāng)正常返回的時(shí)候waitpid返回收集到的子進(jìn)程的進(jìn)程ID;如果設(shè)置了選項(xiàng)WNOHANG,而調(diào)用中waitpid發(fā)現(xiàn)沒有已退出的子進(jìn)程可收集,則返回0;如果調(diào)用中出錯(cuò),則返回-1,這時(shí)errno會(huì)被設(shè)置成相應(yīng)的值以指示錯(cuò)誤所在;
pid:pid=-1,等待任一個(gè)子進(jìn)程。與wait等效。pid>0.等待其進(jìn)程ID與pid相等的子進(jìn)程。
status:輸出型參數(shù)!WIFEXITED(status): 若為正常終止子進(jìn)程返回的狀態(tài),則為真。(查看進(jìn)程是否是正常退出)WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零,提取子進(jìn)程退出碼。(查看進(jìn)程的退出碼)
options:默認(rèn)為0,表示阻塞等待WNOHANG(非阻塞等待): 若pid指定的子進(jìn)程沒有結(jié)束,則waitpid()函數(shù)返回0,不予以等待。若正常結(jié)束,則返回該子進(jìn)程的ID。waitpid(pid,NULL,0)==wait(NULL)

🌰waitpid系統(tǒng)接口的阻塞式測(cè)試:

waitpid阻塞式測(cè)試

?結(jié)果與wait一致。

🌰?等待回收僵尸進(jìn)程:

未等待

等待

🌰waitpid非阻塞式輪詢檢測(cè)測(cè)試:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/types.h>//非阻塞等待測(cè)試代碼int main()
{pid_t id=fork();if(id==0){//子進(jìn)程int cnt=5;while(cnt){printf("我是子進(jìn)程:%d\n",cnt--);sleep(1);}exit(11); //退出碼11,僅用來測(cè)試}else{int quit=0;while(!quit){int status=0;pid_t res=waitpid(-1,&status,WNOHANG);//以非阻塞方式等待if(res>0){//等待成功&&子進(jìn)程退出printf("等待子進(jìn)程退出成功,退出碼:%d\n",WEXITSTATUS(status));quit=1;}else if(res==0){//等待成功&&但子進(jìn)程并未退出printf("子進(jìn)程還在運(yùn)行中,暫時(shí)還沒有退出,父進(jìn)程可以再等一等,處理其他事情\n");}else {//等待失敗printf("wait失敗!\n");quit=1;}sleep(1);}}
}

問題:父進(jìn)程通過wait/waitpid可以拿到子進(jìn)程的退出結(jié)果,為什么要用wait/waitpid函數(shù)呢?直接全局變量不行嗎?

答:不行,因?yàn)檫M(jìn)程具有獨(dú)立性,數(shù)據(jù)就要發(fā)生寫實(shí)拷貝,父進(jìn)程無法拿到正確的退出結(jié)果。

問題:既然進(jìn)程是具有獨(dú)立性的,進(jìn)程退出碼,不也是子進(jìn)程的數(shù)據(jù)嗎?父進(jìn)程又憑什么拿到呢?

答:僵尸進(jìn)程:至少要保留該進(jìn)程的PCB信息!task_struct里面保留了任何進(jìn)程退出時(shí)的退出結(jié)果信息!!

wait/waitpid本質(zhì)是讀取子進(jìn)程的task_struct結(jié)構(gòu)中的(退出碼:exit_code,退出信號(hào)exit_signal)

5??進(jìn)程程序替換

之前:fork()之后,父子各自執(zhí)行父進(jìn)程代碼的一部分;父子代碼共享,數(shù)據(jù)寫時(shí)拷貝各自一份!

現(xiàn)在:如果子進(jìn)程就想執(zhí)行一個(gè)全新的程序呢?

想有自己的代碼!就需要進(jìn)程的程序替換,來完成這個(gè)功能。

🍙替換原理

????????用fork 創(chuàng)建子進(jìn)程后執(zhí)行的是和父進(jìn)程相同的程序 ( 但有可能執(zhí)行不同的代碼分支 ), 子進(jìn)程往往要調(diào)用一種 exec 函數(shù)以執(zhí)行另一個(gè)程序。當(dāng)進(jìn)程調(diào)用一種exec 函數(shù)時(shí) 該進(jìn)程的用戶空間代碼和數(shù)據(jù)完全被新程序替換 從新程序的啟動(dòng)例程開始執(zhí)行。調(diào)用exec 并不創(chuàng)建新進(jìn)程 所以調(diào)用 exec 前后該進(jìn)程的 id 并未改變。

?

程序替換原理圖

🍙替換函數(shù)

函數(shù)名參數(shù)格式是否帶路徑是否使用當(dāng)前環(huán)境變量
execl列表不是
execlp列表
execle列表不是不是,需自己組裝環(huán)境變量
execv數(shù)組不是
execvp數(shù)組
execvpe數(shù)組不是,需自己組織環(huán)境變量

下面我們對(duì)各函數(shù)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試使用ls命令替換程序。模板如下:

測(cè)試函數(shù)模板

🍥execl函數(shù)

🌰execl的使用測(cè)試:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>int main(int argc,char* argv[],char* env[])
{pid_t id=fork();if(id==0){//子進(jìn)程printf("子進(jìn)程開始運(yùn)行,pid:%d\n",getpid());sleep(3);char* const _argv[]={(char*) "ls",(char*) "-a",(char*) "-l",NULL};//execl函數(shù),傳遞參數(shù)列表execl("/usr/bin/ls","ls","-a","-l",NULL);exit(1);}else{//父進(jìn)程printf("父進(jìn)程開始運(yùn)行,pid:%d\n",getpid());int status=0;pid_t id=waitpid(-1,&status,0);//阻塞等待if(id>0){printf("wait seccess,exit code:%d\n",WEXITSTATUS(status));}}return 0;
}
execl結(jié)果圖

execl是程序替換,調(diào)用該函數(shù)成功后,會(huì)將當(dāng)前進(jìn)程的所有的代碼和數(shù)據(jù)都進(jìn)行替換,包括以及執(zhí)行的和沒有執(zhí)行的!(一旦調(diào)用成功,后面的所有代碼都不會(huì)被執(zhí)行!)?

🍥execv函數(shù)

🌰execv的使用測(cè)試:

//execv函數(shù),傳遞數(shù)組
execv("/usr/bin/ls",_argv);
execv結(jié)果圖

🍥execlp函數(shù)

🌰execlp的使用測(cè)試:

//execlp函數(shù),傳遞文件名(無需路徑)和參數(shù)列表
execlp("ls","ls","-a","-l",NULL);
execlp結(jié)果圖

🍥execle函數(shù)

🌰execle的使用測(cè)試:

//execle函數(shù),傳遞參數(shù)列表和組裝的環(huán)境變量
execle("/usr/bin/ls","ls","-a","-l",NULL,env);
execle結(jié)果圖

🍥execvp函數(shù)

🌰execvp的使用測(cè)試:

//使用execvp函數(shù),傳遞文件名和數(shù)組
execvp("ls",_argv);
execvp結(jié)果圖

🍥execvpe函數(shù)

🌰execvpe的使用測(cè)試:

//execvpe函數(shù),傳遞文件名,數(shù)組,需組織環(huán)境變量
execvpe("ls",_argv,env);
execvpe結(jié)構(gòu)圖

?

🍥execve函數(shù)(系統(tǒng)調(diào)用)

上面是exec系列的函數(shù),事實(shí)上他們都調(diào)用execve,只有execve是真正的系統(tǒng)調(diào)用

函數(shù)名參數(shù)格式是否帶路徑是否使用當(dāng)前環(huán)境變量
execve數(shù)組不是不是,需自己組織環(huán)境變量
關(guān)系圖

🌰execve的使用測(cè)試:

exec.c:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>int main(int argc,char* argv[],char* env[])
{pid_t id=fork();if(id==0){//子進(jìn)程printf("子進(jìn)程開始運(yùn)行,pid:%d\n",getpid());sleep(3);char* const _argv[]={(char*) "ls",(char*) "-a",(char*) "-l",NULL};char* const _argv_mycmd[]={(char*)"mycmd",(char*)"-a",NULL};char* const _env_mycmd[]={(char*)"My_Path=11111",NULL};//系統(tǒng)調(diào)用execveexecve("./mycmd",_argv_mycmd,_env_mycmd);exit(1);}else{//父進(jìn)程printf("父進(jìn)程開始運(yùn)行,pid:%d\n",getpid());int status=0;pid_t id=waitpid(-1,&status,0);//阻塞等待if(id>0){printf("wait seccess,exit code:%d\n",WEXITSTATUS(status));}}return 0;
}

?mycmd.c:

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>int main(int argc,char* argv[])
{if(argc!=2){printf("can not execute!\n");exit(1);}printf("獲取環(huán)境變量:My_Path:%s\n",getenv("My_Path"));if(strcmp(argv[1],"-a")==0){printf("hello a!\n");}else if(strcmp(argv[1],"-b")==0){printf("hello b!\n");}else{printf("default!\n");}return 0;
}
execve結(jié)構(gòu)圖

成功將子進(jìn)程程序替換為mycmd。

問題:為什么要?jiǎng)?chuàng)建子進(jìn)程,在子進(jìn)程中進(jìn)行進(jìn)程替換?

——如果不創(chuàng)建,那么我們替換的進(jìn)程只能是父進(jìn)程,如果創(chuàng)建了,替換的進(jìn)程就是子進(jìn)程,而不影響父進(jìn)程。為了不想影響父進(jìn)程,我們想讓父進(jìn)程聚焦在讀取數(shù)據(jù),解析數(shù)據(jù),指派進(jìn)程執(zhí)行代碼的功能!


文末結(jié)語(yǔ),本篇結(jié)合前2篇內(nèi)容詳細(xì)講解了進(jìn)程控制,包含:進(jìn)程創(chuàng)建,進(jìn)程終止,終止碼,_exit,進(jìn)程等待的必要性以及方法(wait,waitpid)阻塞式等待和非阻塞式等待,進(jìn)程程序替換的替換原理以及6大替換函數(shù)和系統(tǒng)調(diào)用execve替換子進(jìn)程程序,圖文并茂,使用例子測(cè)試代碼。

http://www.risenshineclean.com/news/5432.html

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