彻底弄懂ReentrantLock —— 超详细的原码分析
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2020-10-13 05:35
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ReentrantLock 是基于 AQS 框架实现，JDK 中线程并发访问的同步技术，
它是一个互斥锁，也叫独占锁，支持可重入，支持锁的公平性。
大神Doug Lea写的，整个AQS框架都是他一个人撸出来的，牛！
Doug Lea有多牛
就像：
谈喜剧电影，不可能不提星爷
谈相声，绕不开郭德钢
说中国教育，总得聊聊蔡元培
说到心理学，一定得说弗洛伊德
说到并发编程，Doug Lea不得不提
java1.6 之前， synchronized效率太低了，大神Doug Lea就开发了AQS框架，就是解决并发问题。
JDK的出品公司SUN公司，一看，呀，这AQS性能那是相当可以，好吧，那就吸收进来，直接放JDK里吧。
synchronized可是SUN公司亲生的呀，可性能太差，SUN公司琢磨，要不优化下synchronized
于是乎，SUN公司的开发团队，历经数年，优化了synchronized，其性能大大提升，和AQS不相上下了。
从某种程度上说，Doug Lea 以一已之力，PK SUN公司整个开发团队，牛人！
这里从ReentrantLock 加锁解锁机制，由浅入深，让你彻底弄懂其原理。
一、应用场景
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
CountDownLatch downLatch = new CountDownLatch(1);
for(int i = 0; i < 10; i++){
new Thread(() -> {
try {
downLatch.await();
for(int j = 0; j < 1000; j++){
total++;
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
Thread.sleep(2000);
downLatch.countDown();
Thread.sleep(2000);
System.out.println(total);
}
这段代码，起10个线程，每个线程加 1000 次，期望值是 10000，但因为并发，最后会小于 10000
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
CountDownLatch downLatch = new CountDownLatch(1);
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
for(int i = 0; i < 10; i++){
new Thread(() -> {
try {
downLatch.await();
lock.lock(); // 加锁
for(int j = 0; j < 1000; j++){
total++;
}
lock.unlock(); // 解锁
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
Thread.sleep(2000);
downLatch.countDown();
Thread.sleep(2000);
System.out.println(total);
}
控制了并发访问，算出来的结果就是 10000
二、什么是AQS
简单讲，AQS(AbstractQueuedSynchronizer)，是大神Doug Lea写的，一个同步框架。
JDK 中 java.util.concurrent 包下，很多处理并发的工具类都直接或间接引用了AQS，比如ReentrantLock，Semaphore，CountDownLatch……
AQS 这个抽象类中，有几个重要属性，咱先放在前面说一下。
首先说下，AQS 里面的
内部类Node的几个属性
volatile int waitStatus; // Node里，记录状态用的
volatile Thread thread; // Node里，标识哪个线程
volatile Node prev; // 前驱节点（这个Node的上一个是谁）
volatile Node next; // 后继节点（这个Node的个一个是谁）
AQS 本身的属性
private transient Thread exclusiveOwnerThread; // 标识拿到锁的是哪个线程
private transient volatile Node head; // 标识头节点
private transient volatile Node tail; // 标识尾节点
private volatile int state; // 同步状态，为0时，说明可以抢锁
这里画了张图，很直观，咱们照着图来说
当多个线程来竞争锁的时候，若抢锁失败，则生成一个Node，与 Thread 绑定，进入队列，该线程就被阻塞。
当锁释放时，唤醒节点去抢锁。
这个由Node对象组成的队列，叫CLH队列，是一个先进先出的队列，双向指针。
三、ReentrantLock加锁逻辑
这里以非公平锁为例来说明，这里画了个简化的流程图，先有个印象
ReentrantLock这个类，并没有直接继承AQS，而在ReentrantLock有一个内部类，sync，它继承了AQS。
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
// 当执行这段代码时，就会创建一个AQS 对象，其status是0，具体原码如下
public ReentrantLock() {
sync = new NonfairSync(); // 默认是非公平锁
}
lock.lock(); // 加锁
执行这行代码时，会涉及到 自旋、 CAS、 入队、 阻塞，下面照着原始说逻辑，具体先不展开。
// 非公平锁实现
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1)) // 成功将state 由0改为1的线程，直接就可以拿到锁
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1); // 没拿到锁，做特殊处理
}
// 获取独占锁
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)){
selfInterrupt(); // 在线程上打一个阻断标志
}
}
acquire() 是获取独占锁的核心方法，咱先把整体逻辑讲完，然后再对原码进行逐行分析。
tryAcquire(arg)
尝试获取锁，成功返回true，否则返回false
addWaiter(Node.EXCLUSIVE)
自旋的方式入队，直到成功入队为止，否则重试
acquireQueued(final Node node, int arg)
再次尝试获取锁，若成功则返回，失败了就阻塞线程。其中阻塞线程是调用了 LockSupport.park() 方法
四、ReentrantLock解锁逻辑
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
tryRelease(arg)
修改 state 属性，state = 0 时，即解锁成功
unparkSuccessor(h)
唤醒头节点，使其去抢锁，其中解除阻塞，是调用了LockSupport.unpark()方法
用本文开头的代码，来个第一阶段的总结
lock.lock(); // 假设10个线程同时走到这行，只可能有一个线程拿到锁，继续往下走，其他线程阻塞，停在这一行。
for(int j = 0; j < 1000; j++){
total++;
}
lock.unlock(); // 执有锁的线程释放了锁，阻塞的线程有机会抢锁，
// 抢锁成功的可以往下走，其余的继续阻塞。
在加锁解锁过程中，用了CAS，用了自旋，简要说下它俩啥意思，然后再开始讲原码。
CAS 可以保证，不论并发有多高，只可能有一个线程执行成功。
比如说，现在账户里有10块，现在要给账户上加5块钱，三个线程同时执行这个操作。
CAS要求传两个值过去 原来的值10，改动后的值15。底层执行的时候，先比较一下，当前值是不是10。
如果不是，就直接返回false，如果是10，那就将10改为15。
这里比较并修改是原子操作，底层语言保证这一点。
刚刚说的那三个线程，只有一个线程会修改账户的钱，并返回true，其它两个会返回失败，不修改账户的钱。
自旋 简而言之就是死循环，比如 while(true){}，名字很高大上，其实就那么回事。
至此，ReentrantLock加锁解锁，最基本的知识讲完了。若还不太理解，从头现看，不要看下边的。
如果说是初次接触ReentrantLock，那就不要往下看了，那是会看吐的。听话，别看！
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五、加锁原码分析
先看下，加锁的流程图，有个具体的印象，再看源码
假设有ABCD四个线程，同时执行到加锁这行代码。前文说过，state是0，代表可抢锁。
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1)) // 假设A执行此代码成功
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread()); // 标识哪个线程执有该锁
else
acquire(1);
}
// 这里compareAndSetState(0, 1),就是进行CAS操作
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
// unsafe类调用的是native方法
return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}
// 线程A拿到了锁就直接返回了，那线程B C D 就进入 acquire(1) 方法
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)){
selfInterrupt();
}
}
先说 tryAcquire(arg) 就是抢锁
// tryAcquire 这个方法，非公平锁调用这个方法，传入参数是1，这个与可重入相关，待会再细说。
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState(); // 获取 state状态，
if (c == 0) { // state是0，继续抢锁。刚进入lock 没抢到，现在可能锁已释放，有可能这次就抢成功了。
if (compareAndSetState(0, acquires)) { // B C D 线程再次竞争拿锁
setExclusiveOwnerThread(current);
return true; // 拿到了锁，lock 方法就结束了。
}
}
// 来抢锁的线程，本身就执有锁，说明是再次加锁，state 再加 1
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow 内在溢出了，抛出异常
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false; // 抢锁失败
}
这个方法没有难理解的逻辑，不过，setState(nextc); 这个方法没有用 CAS，这里会不会是bug
明确的告诉你，不是，因为这里不存在并发
current == getExclusiveOwnerThread()
即当前线程是执有锁的线程，只可能有一个线程进入这人条件分支，不需要用CAS
这里就是ReentrantLock可重入的体现，state=0，指锁不属于任何线程，
当某线程首次抢到锁，state=1，
此线程未释放锁的情况下，再次抢到锁，state=2，
这种情况下，只有连续释放两次锁，其它线程才可能抢到该锁。
这就是 ReentrantLock 锁的可重入。
详细说说 acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)，
addWaiter(Node.EXCLUSIVE)，入队，自旋能保证，一定入队成功
addWaiter(Node.EXCLUSIVE) 这个方法就是用自旋的方式，保证线程入队
private Node addWaiter(Node mode) {
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode); // 线程与Node绑定
Node pred = tail;
if (pred != null) { // 队列已经初始化，直接将new 出来的node 放到队尾
node.prev = pred;
if (compareAndSetTail(pred, node)) { // CAS 设置队尾
pred.next = node;
return node;
}
}
// 走到这里，说明队列未初始化，或者上面并发入队，入队失败了。
enq(node);
return node;
}
// 自旋方式入队
private Node enq(final Node node) {
for (;;) { // 死循环，保证入队一定成功
Node t = tail;
if (t == null) { // 队尾是null，说明得初始化队列
if (compareAndSetHead(new Node()))
tail = head;
} else {
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) {
t.next = node;
return t;
}
}
}
}
还记得上文画的那个AQS的图么
还是刚刚的4个线程，假设此刻 A 还没有释放锁，那state一定不等于0，exclusiveOwnerThread记录的就是线程A，
当B C D线程都进入addWaiter方法时，图中 head==null , tail == null，
想入队就要先初始化，即 t == null那个分支的代码。
从原码来看，队列用了哨兵，初始化就是new一个node不与任何线程绑定，
如下图所示，这个就是头节点，thread==null，之后入队的，thread一定有值
若 B C D线程中 B线程进入if (t == null) { } 这段代码，就完成了初始化，
那 C D 线程进入else分支，
它们俩个，谁执行compareAndSetTail（）成功，谁就入队，
假设是C入队成功（如下图），那 B D 线程进入下一轮循环，
那 B D 线程进入下一轮循环，若存在并发，失败那个得再循环入队一次，
若不存在并发，就顺次入队。但最终大概都是这个样子。
这个方法里的逻辑是巨复杂的，不太好理解。
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor(); // 获取前驱节点
if (p == head && tryAcquire(arg)) { // 是队列的第二个节点，并且抢锁成功
setHead(node);
p.next = null; // 从队列中剔除，等待GC 回收
failed = false;
return interrupted; // lock 方法结束
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) && parkAndCheckInterrupt()) {
interrupted = true;
}
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
// 设置头节点
private void setHead(Node node) {
head = node;
node.thread = null;
node.prev = null;
}
先解释下这个条件 p == head && tryAcquire(arg) 前驱节点是head，且此节点抢锁成功，
结合上面那个图，B C D 三个节点，只有 C 节点才可以 抢锁，不要问为什么，这是规矩。
假设在 B C D 执行acquireQueued方法时，恰好A释放了锁，C 线程刚好抢到了锁，队列就变成上图的样子。
B D 线程进入shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) parkAndCheckInterrupt() 这两上方法。
原来代表C线程的node成为新的头节点（抢锁成功，就要出队）。
head 指向新的头节点，头节点thread 设置为null，
新旧头节点之间的指针去掉，旧的头节点等待GC回收。
在讲解shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) 、 parkAndCheckInterrupt() 这两个方法之前，
说点题外话。
B C D 三个节点，只有 C 节点才可以 抢锁，Why ？ 大神Doug Lea 就是这么写的，你想咋地！
个人认为，这样设计，代码实现简单，线程都已经进入等待队列了，说明并发比较高，
抢锁就派个代表出去就行了，别的继续在队列中等，出去抢锁的线程多了，CPU有意见。
再说，去的再多，也是只能是一个抢到锁。
派谁去，当然是头节点，去掉代码实现简单易懂，去其中任意一个，代码更加复杂。
不是说非公平锁么，那队列里，排在前面的先出队列去抢锁，很公平啊，哪里来的非公平？
这是个好问题，公平与非公平锁，不是在这里体现的。
不管公平锁还是非公平锁，队列里，都是前面那个出队抢锁，没区别，
公平与非公平，主要差别是tryAcquire() 这个方法上，
公平锁，若队列不为空，没入队的线程不得抢锁，
非公平锁，若队列不为空，没入队的线程却可以抢锁，
这时后到的线程可能先抢到锁，即不公平。
言归正传
shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) 判断是否要阻塞线程
private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
int ws = pred.waitStatus; // 前驱节点的waitStatus
if (ws == Node.SIGNAL) // Node.SIGNAL 表示 -1
return true;
if (ws > 0) {
do {
node.prev = pred = pred.prev;
} while (pred.waitStatus > 0);
pred.next = node;
} else {
compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
}
return false;
}
这段代码逻辑很复杂，一句话，前驱节点 waitStatus是-1，就返回true.
不过，今天讲 lock() unlock() ，waitStatus都是初始状态0。
之后的博客中，还会再次讲到这个方法。
结合上图，以线程 B为例 waitStatus状态都是 0，前驱节点是头节点，其waitStatus也是0
首次进入shouldParkAfterFailedAcquire方法，
执行compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL)这段代码之后，前驱节点waitStatus=-1，
之后走下一行 return false, compareAndSetWaitStatus 方法结束。
那在方法acquireQueued() 中 for (;;) {}，第一次循环就结束了， B 没拿到锁
for (;;) {} 第二次循环开始，再次抢锁，
假设还没拿到，会第二次进入shouldParkAfterFailedAcquire()
此时B 线程的前驱节点，waitStatus=-1 该方法返回 true;（解锁时会讲到这一点）
那程序会走到 parkAndCheckInterrupt()这个方法里，阻塞线程
也就是说，经过两次循环，才会去阻塞线程，每次循环都会去抢锁的
Doug Lea 设计的真是好，发现这个线程需要阻塞，还要再给次抢锁的机会。
万一抢到了呢！真的是抢不到，再真正阻塞线程。
parkAndCheckInterrupt() 阻塞线程
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
LockSupport.park(this); // 阻塞线程
return Thread.interrupted(); // 清除线程中断标记
}
题外话
park()阻塞了线程，有两种途径可以唤醒该线程：1）被unpark()；2）被interrupt()。
Thread.interrupted()当且仅当 线程被阻断时返回true,它还会清除当前线程的中断标记位，
若要了解 unpark() interrupt() 唤醒有何不同，请参看我的另外一篇博客——park后是如何被唤醒的
至此，lock 调用的内层代码讲完了，再回头看下抢锁的总逻辑
// 线程A拿到了锁就直接返回了，那线程B C D 就进入 acquire(1) 方法
public final void acquire(int arg) {
// 抢锁，直到抢到为止，没抢到就在acquireQueued一直自旋转。
if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)){
selfInterrupt(); // 如果线程被中断过，给线程打个标记
}
}
static void selfInterrupt() {
Thread.currentThread().interrupt();
}
上面这段代码很有意思，作为题外话说说，当然你可以不看，有点绕。最好别看，看了会看糊涂的。
想想这段代码 Thread.currentThread().interrupt(); 什么时候会执行？
只有tryAcquire(arg)返回 false 且 acquireQueued() 返回 true 的时候才可以。
再看下，acquireQueued()什么时候才会返回 true 呢？ 咱再看下原码
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
boolean failed = true;
try {
boolean interrupted = false;
for (;;) {
final Node p = node.predecessor();
if (p == head && tryAcquire(arg)) {
setHead(node);
p.next = null; // help GC
failed = false;
return interrupted;
}
if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
parkAndCheckInterrupt())
interrupted = true;
}
} finally {
if (failed)
cancelAcquire(node);
}
}
接着上文说，B线程 在for (;;)中，第二次进入shouldParkAfterFailedAcquire()，返回true，
进入parkAndCheckInterrupt()，调用 LockSupport.park(this)后，
返回 return Thread.interrupted();
而 Thread.interrupted() 结果是false，因为目前 B线程 未调用过 interrupt()，继续自旋，
若在自旋过程中，其它的代码调用了interrupt()，那么 parkAndCheckInterrupt()会返回 true，
interrupted = true; 会被执行。
那 B线程在自旋过程中 parkAndCheckInterrupt() 会清除掉中断标记，但 interrupted = true是不会。
最终在acquire() 方法里，会明确的知道拿到锁的线程，曾经是否被中断过，若中断过，会重新在线程上做标记。
还有一点要说的
线程B 在自旋过程中，第二次 for 循环，会调用LockSupport.park(this)方法，程序就暂停了，不会再占用CPU资源了。
当被unpark()或interrupt()唤醒时，会接着自旋，要么拿到了锁，
要么重新调用LockSupport.park(this)方法，继续等待。
具体是被unpark()唤醒的，还是被interrupt()唤醒的，程序上做了区分。
区分不区分，lock(), unlock() 用不到，啥时候乃至，之后的博客会写。
好了，加锁的原码，已讲解完了。真的是很复杂，相对应的，解锁的原码简单多了。
六、解锁原码分析
先看图，加锁与解锁画在一起，直观感受下
public void unlock() {
sync.release(1);
}
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
tryRelease(int releases) 是修改state值的
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
这段代码比较容易理解，也不存在并发，
调用一次 unlock()，state 值减1，当state = 0，即解锁成功，清除线程。
也就是说，连续加锁三次，即调用了三次lock() 方法，state=3，
解锁也得是3次，否则锁不会被释放。
unparkSuccessor(Node node) 是唤醒节点的
if (h != null && h.waitStatus != 0) // h == null 无等待队列，h.waitStatus == 0，说明后面没有阻塞的队列，即不需要唤醒。
unparkSuccessor(h);
private void unparkSuccessor(Node node) {
int ws = node.waitStatus;
if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0); // 负值设置为0
Node s = node.next; // 找到有效的后继节点
if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null;
for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)
if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
}
if (s != null)
LockSupport.unpark(s.thread); // 将后继节点唤醒。
}
// 这段代码其实很有意思的，说点题外话
shouldParkAfterFailedAcquire() 这个方法还记得不，
要阻塞节点的前提是，该节点的前驱节点 waitStatus= -1
unparkSuccessor 这个方法中，s 是后继节点，若是null，说明不存在等待队列，无需唤醒。
for() 循环中代码，可保证，s 是最前面的那个排除节点，唤醒它抢锁，因为锁释放了。
七、公平锁的实现逻辑
前面介绍是以非公平锁为例子来说明的，公平锁实现与这类似。
先记住差别，前面也说过了，
公平锁，等待线程不为空，只有入队才可以抢锁
非公平锁，等待线程不为空，也可以抢锁。
现在看原码级别的实现
ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true); // 传入参数 true 即是公平锁
final void lock() { // 公平锁lock方法，直接调用acquire(), 非公平锁是先抢锁，失败用调用acquire()
acquire(1);
}
公平锁与非公平锁，调用的 actuire() 方法是一样的，不一样的是tryAcquire()
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) &&
acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}
// 公平锁tryAcquire()逻辑，与非公平锁区别是多了!hasQueuedPredecessors() 这个判断
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
公平锁与非公平锁，差别就一行代码 hasQueuedPredecessors() ，看下它的原码
public final boolean hasQueuedPredecessors() {
// The correctness of this depends on head being initialized
// before tail and on head.next being accurate if the current
// thread is first in queue.
Node t = tail; // Read fields in reverse initialization order
Node h = head;
Node s;
return h != t &&
((s = h.next) == null || s.thread != Thread.currentThread());
}
这个方法很精炼，直接说逻辑，
若等待队列为空，即未初始化，返回 false;
若等待队列已初始化，哨兵结点没有后继结点，返回false;
若哨兵结点有后继结点，后继结点的线程是当前线程，返回false;
其它情况返回 true
返回false就是可以抢锁。
理解了这个之后，再看 tryAcquire()
if (c == 0) { // state 是 0 ，可以抢锁
if (!hasQueuedPredecessors() && // 等待队列中有线程在等待时，只有头节点的后继线程可抢锁，其它没资格。
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
由此看出，tryAcquire() 方法保证了，抢锁时，若等待队列中有线程在等待，外来的线程就不能抢锁，只能先入队，即排在后面。
八、小结
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ReentrantLock 中 lock(), unlock() 方法的分析，至此结束，从中可以看出以下几点
ReentrantLock 可实现公平锁和非公平锁，其差别是，等待队列有线程等待时，抢锁逻辑不同
ReentrantLock 手动加锁，解锁。加锁解锁次数必需相等，否则锁不会被释放
ReentrantLock 可实现锁的重入，这与state数值有关
另外，ReentrantLock 锁有可中断的特性，本文没有涉及到，随后的博客会讲解这个。
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