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C++高性能服務(wù)器框架之協(xié)程調(diào)度模塊

 更新時(shí)間:2023年06月08日 09:44:42   作者:找人找不到北  
這篇文章主要介紹了C++高性能服務(wù)器框架中的協(xié)程調(diào)度模塊,文中通過(guò)代碼示例介紹的非常詳細(xì),對(duì)我們的學(xué)習(xí)或工作有一定的幫助,需要的朋友可以參考下

協(xié)程調(diào)度模塊概述

封裝了一個(gè)N : M協(xié)程調(diào)度器,創(chuàng)建M個(gè)協(xié)程在N個(gè)線程上運(yùn)行。通過(guò)schedule()方法將cb或fiber重新加到任務(wù)隊(duì)列中執(zhí)行任務(wù),協(xié)程可以在線程上自由切換,也可以在指定線程上執(zhí)行。

         1 —— N     1 —— M
scheduler ---> thread ---> fiber
?
N : M 協(xié)程可以在線程間自由切換
1. 線程池, 分配一組線程
2. 協(xié)程調(diào)度器,將協(xié)程指定到相應(yīng)線程上執(zhí)行
    a)隨機(jī)選擇空閑的協(xié)程執(zhí)行
    b)協(xié)程指定必須在某個(gè)線程上執(zhí)行

協(xié)程調(diào)度器調(diào)度主要思想為:先查看任務(wù)隊(duì)列中有沒(méi)有任務(wù)需要執(zhí)行,若沒(méi)有任務(wù)需要執(zhí)行則執(zhí)行idel(),其思想主要在run()中體現(xiàn)。

其次,在設(shè)計(jì)協(xié)程調(diào)度器時(shí),設(shè)置了一個(gè)use_caller來(lái)決定是否將當(dāng)前調(diào)度線程也納入調(diào)度中,這樣可以少創(chuàng)建一個(gè)線程執(zhí)行任務(wù),效率更高。

詳解

class Scheduler

兩個(gè)局部線程變量保存當(dāng)前線程的協(xié)程調(diào)度器和主協(xié)程

// 當(dāng)前協(xié)程調(diào)度器
static thread_local Scheduler* t_secheduler = nullptr;
// 線程主協(xié)程
static thread_local Fiber* t_fiber = nullptr;

FiberAndThread(任務(wù)結(jié)構(gòu)體)

通過(guò)FiberAndThread結(jié)構(gòu)體在存儲(chǔ)協(xié)程,回調(diào)函數(shù),線程的信息

struct FiberAndThread {
 ? ? ? ?// 協(xié)程
 ? ? ? ?Fiber::ptr fiber;
 ? ? ? ?// 協(xié)程執(zhí)行函數(shù)
 ? ? ? ?std::function<void()> cb;
 ? ? ? ?// 線程id 協(xié)程在哪個(gè)線程上 
 ? ? ? ?int thread;
 ?      // 確定協(xié)程在哪個(gè)線程上跑
 ? ? ? ?FiberAndThread(Fiber::ptr f, int thr)
 ? ? ? ? ?  :fiber(f), thread(thr) {
 ? ? ?  }
 ?      // 通過(guò)swap將傳入的 fiber 置空,使其引用計(jì)數(shù)-1
 ? ? ? ?FiberAndThread(Fiber::ptr* f, int thr)
 ? ? ? ? ?  :thread(thr) {
 ? ? ? ? ? ?fiber.swap(*f);
 ? ? ?  }
 ?      // 確定回調(diào)在哪個(gè)線程上跑
 ?      FiberAndThread(std::function<void()> f, int thr)
 ? ? ? ? ?  :cb(f), thread(thr) {
 ? ? ?  }
 ?      // 通過(guò)swap將傳入的 cb 置空,使其引用計(jì)數(shù)-1
 ?      FiberAndThread(std::function<void()>* f, int thr)
 ? ? ? ? ?  :thread(thr) {
 ? ? ? ? ? ?cb.swap(*f);
 ? ? ?  }
?
 ? ? ? ?// 默認(rèn)構(gòu)造
 ? ? ? ?FiberAndThread() {
 ? ? ? ? ? ?thread = -1;
 ? ? ?  }
 ?      // 重置
 ? ? ? ?void reset() {
 ? ? ? ? ? ?fiber = nullptr;
 ? ? ? ? ? ?cb = nullptr;
 ? ? ? ? ? ?thread = -1;
 ? ? ?  }
?
 ?  };

mumber(成員變量)

private:
 ? ?// Mutex
 ? ?MutexType m_mutex;
 ? ?// 線程池
 ? ?std::vector<sylar::Thread::ptr> m_threads;
 ? ?// 待執(zhí)行的協(xié)程隊(duì)列
 ? ?std::list<FiberAndThread> m_fibers;
 ? ?// use_caller為true時(shí)有效,調(diào)度協(xié)程
 ? ?Fiber::ptr m_rootFiber;
 ? ?// 協(xié)程調(diào)度器名稱
 ? ?std::string m_name;
?
protected:
 ? ?// 協(xié)程下的線程id數(shù)組
 ? ?std::vector<int> m_threadIds;
 ? ?// 線程數(shù)量
 ? ?size_t m_threadCount = 0;
 ? ?// 工作線程數(shù)量
 ? ?std::atomic<size_t> m_activateThreadCount = {0};
 ? ?// 空閑線程數(shù)量
 ? ?std::atomic<size_t> m_idleThreadCount = {0};
 ? ?// 是否正在停止
 ? ?bool m_stopping = true;
 ? ?// 是否自動(dòng)停止
 ? ?bool m_autoStop = false;
 ? ?// 主線程Id(use_caller)
 ? ?int m_rootThread = 0;

scheduler(調(diào)度協(xié)程)

// 調(diào)度協(xié)程
template<class FiberOrCb>
void schedule(FiberOrCb fc, int thread = -1) {
 ? ?bool need_tickle = false;
 ?  {
 ? ? ? ?MutexType::Lock lock(m_mutex);
 ? ? ? ?// 將任務(wù)加入到隊(duì)列中,若任務(wù)隊(duì)列中已經(jīng)有任務(wù)了,則tickle()
 ? ? ? ?need_tickle = scheduleNoLock(fc, thread);
 ?  }
?
 ? ?if (need_tickle) {
 ? ? ? ?tickle();
 ?  }
}
// 批量調(diào)度協(xié)程
template<class InputIterator>
void schedule(InputIterator begin, InputIterator end) {
 ? ?bool need_tickle = false;
 ?  {
 ? ? ? ?MutexType::Lock lock(m_mutex);
 ? ? ? ?while (begin != end) {
 ? ? ? ? ? ?need_tickle = scheduleNoLock(&*begin, -1) || need_tickle;
 ? ? ? ? ? ?++begin;
 ? ? ?  }
 ?  }
 ? ?if (need_tickle) {
 ? ? ? ?tickle();
 ?  }
}

檢查任務(wù)隊(duì)列中有無(wú)任務(wù),將任務(wù)加入到任務(wù)隊(duì)列中,若任務(wù)隊(duì)列中本來(lái)就已經(jīng)有任務(wù)了,就tickle以下

/**
 * @brief 協(xié)程調(diào)度啟動(dòng)(無(wú)鎖)
*/
template<class FiberOrCb>
bool scheduleNoLock(FiberOrCb fc, int thread) {
 ? ?bool need_tickle = m_fibers.empty();
 ? ?FiberAndThread ft(fc, thread);
 ? ?if (ft.fiber || ft.cb) {
 ? ? ? ?m_fibers.push_back(ft);
 ?  }
 ? ?return need_tickle;
}

Scheduler(構(gòu)造函數(shù))

Scheduler::Scheduler(size_t threads, bool use_caller, const std::string &name)
 ?  :m_name(name) {
    // 確定線程數(shù)量要正確
 ? ?SYLAR_ASSERT(threads > 0);
 ? ?// 是否將協(xié)程調(diào)度線程也納入調(diào)度器
 ? ?if (use_caller) {
 ? ? ? ?// 設(shè)置線程名稱
 ? ? ? ?sylar::Thread::SetName(m_name);
 ? ? ? ?// 獲得主協(xié)程
 ? ? ? ?sylar::Fiber::GetThis();
 ? ? ? ?// 線程數(shù)量-1
 ? ? ? ?--threads;
 ? ? ? ?SYLAR_ASSERT(GetThis() == nullptr);
 ? ? ? ?// 設(shè)置當(dāng)前協(xié)程調(diào)度器
 ? ? ? ?t_secheduler = this;
?
 ? ? ? ?// 將此fiber設(shè)置為 use_caller,協(xié)程則會(huì)與 Fiber::CallerMainFunc() 綁定
 ? ? ? ?// 非靜態(tài)成員函數(shù)需要傳遞this指針作為第一個(gè)參數(shù),用 std::bind()進(jìn)行綁定
 ? ? ? ?m_rootFiber.reset(new Fiber(std::bind(&Scheduler::run, this), 0, true));
 ? ? ? ?// 設(shè)置當(dāng)前線程的主協(xié)程為m_rootFiber
 ? ? ? ?// 這里的m_rootFiber是該線程的主協(xié)程(執(zhí)行run任務(wù)的協(xié)程),只有默認(rèn)構(gòu)造出來(lái)的fiber才是主協(xié)程
 ? ? ? ?t_fiber = m_rootFiber.get();
 ? ? ? ?// 獲得當(dāng)前線程id
 ? ? ? ?m_rootThread = sylar::GetThreadId();
 ? ? ? ?m_threadIds.push_back(m_rootThread);
 ?  }
 ? ?// 不將當(dāng)前線程納入調(diào)度器
 ? ?else {
 ? ? ? ?m_rootThread = -1;
 ?  }
 ? ?m_threadCount = threads;
}

~Scheduler(析構(gòu)函數(shù))

Scheduler::~Scheduler() {
 ? ?// 必須達(dá)到停止條件
 ? ?SYLAR_ASSERT(m_stopping);
 ? ?if (GetThis() == this) {
 ? ? ? ?t_secheduler = nullptr;
 ?  }
}

start(啟動(dòng)調(diào)度器)

void Scheduler::start() {
    SYLAR_LOG_INFO(g_logger) << "start()";
    MutexType::Lock lock(m_mutex);
    // 已經(jīng)啟動(dòng)了
    if (!m_stopping) {
        return;
    }
    // 將停止?fàn)顟B(tài)設(shè)置為false
    m_stopping = false;
    // 線程池為空
    SYLAR_ASSERT(m_threads.empty());
   	// 創(chuàng)建線程池
    m_threads.resize(m_threadCount);
    for (size_t i = 0; i < m_threadCount; ++i) {
        // 線程執(zhí)行 run() 任務(wù)
        m_threads[i].reset(new Thread(std::bind(&Scheduler::run, this)
                        , m_name + "_" + std::to_string(i)));
        m_threadIds.push_back(m_threads[i]->getId());
    }
    lock.unlock();
    /* 在這里切換線程時(shí),swap的話會(huì)將線程的主協(xié)程與當(dāng)前協(xié)程交換,當(dāng)使用use_caller時(shí),t_fiber = m_rootFiber,call是將當(dāng)前協(xié)程與主協(xié)程交換
     * 為了確保在啟動(dòng)之后仍有任務(wù)加入任務(wù)隊(duì)列中,所以在stop()中做該線程的啟動(dòng),這樣就不會(huì)漏掉任務(wù)隊(duì)列中的任務(wù)
     */
    /*
        if(m_rootFiber) {
             // t_fiber = m_rootFiber.get(), 從自己切換到自己了屬于是
             // m_rootFiber->swapIn();
             m_rootFiber->call();
         }
     */
    SYLAR_LOG_INFO(g_logger) << "start() end";
}

stop(停止調(diào)度器)

void Scheduler::stop() {
    SYLAR_LOG_INFO(g_logger) << "stop()";
    // 進(jìn)入stop將自動(dòng)停止設(shè)為true
    m_autoStop = true;
    // 使用use_caller,并且只有一個(gè)線程,并且主協(xié)程的狀態(tài)為結(jié)束或者初始化
    if (m_rootFiber 
                && m_threadCount == 0
                && (m_rootFiber->getState() == Fiber::TERM
                    || m_rootFiber->getState() == Fiber::INIT)) {
        SYLAR_LOG_INFO(g_logger) << this->m_name << " sheduler stopped";
        // 停止?fàn)顟B(tài)為true
        m_stopping = true;
        // 若達(dá)到停止條件則直接return
        if (stopping()) {
            return;
        }
    }
    // use_caller線程
    // 當(dāng)前調(diào)度器和t_secheduler相同
    if (m_rootThread != -1) {
        SYLAR_ASSERT(GetThis() == this);
    }
    // 非use_caller,此時(shí)的t_secheduler應(yīng)該為nullptr
    else {
        SYLAR_ASSERT(GetThis() != this);
    }
    // 停止?fàn)顟B(tài)為true
    m_stopping = true;
    // 每個(gè)線程都tickle一下
    for (size_t i = 0; i < m_threadCount; ++i) {
        tickle();
    }
    // 使用use_caller多tickle一下
    if (m_rootFiber) {
        tickle();
    }
    // 使用use_caller,只要沒(méi)達(dá)到停止條件,調(diào)度器主協(xié)程交出執(zhí)行權(quán),執(zhí)行run
    if (m_rootFiber) {
        if (!stopping()) {
            m_rootFiber->call();
        }
    }
    std::vector<Thread::ptr> thrs;
    {
        MutexType::Lock lock(m_mutex);
        thrs.swap(m_threads);
    }
    // 等待線程執(zhí)行完成
    for (auto& i : thrs) {
        i->join();
    }
}

run(協(xié)程調(diào)度函數(shù))

void Scheduler::run() {
    SYLAR_LOG_INFO(g_logger) << "run()";
    // hook
    set_hook_enable(true);
    // 設(shè)置當(dāng)前調(diào)度器
    setThis();
    // 非user_caller線程,設(shè)置主協(xié)程為線程主協(xié)程
    if (sylar::GetThreadId() != m_rootThread) {
        t_fiber = Fiber::GetThis().get();
    }
    SYLAR_LOG_DEBUG(g_logger) << "new idle_fiber";
    // 定義dile_fiber,當(dāng)任務(wù)隊(duì)列中的任務(wù)執(zhí)行完之后,執(zhí)行idle()
    Fiber::ptr idle_fiber(new Fiber(std::bind(&Scheduler::idle, this)));
    Fiber::ptr cb_fiber;
    FiberAndThread ft;
    while (true) {
        ft.reset();
        bool tickle_me = false;
        bool is_active = false;
        {	// 從任務(wù)隊(duì)列中拿fiber和cb
            MutexType::Lock lock(m_mutex);
            auto it = m_fibers.begin();
            while (it != m_fibers.end()) {
                // 如果當(dāng)前任務(wù)指定的線程不是當(dāng)前線程,則跳過(guò),并且tickle一下
                if (it->thread != -1 && it->thread != sylar::GetThreadId()) {
                    ++it;
                    tickle_me = true;
                    continue;
                }
                // 確保fiber或cb存在
                SYLAR_ASSERT(it->fiber || it->cb);
                // 如果該fiber正在執(zhí)行則跳過(guò)
                if (it->fiber && it->fiber->getState() == Fiber::EXEC) {
                    ++it;
                    continue;
                }
                // 取出該任務(wù)
                ft = *it;
                // 從任務(wù)隊(duì)列中清除
                m_fibers.erase(it);
                // 正在執(zhí)行任務(wù)的線程數(shù)量+1
                ++m_activateThreadCount;
                // 正在執(zhí)行任務(wù)
                is_active = true;
                break;
            }
        }
        // 取到任務(wù)tickle一下
        if (tickle_me) {
            tickle();
        }
        // 如果任務(wù)是fiber,并且任務(wù)處于可執(zhí)行狀態(tài)
        if (ft.fiber && (ft.fiber->getState() != Fiber::TERM
                            || ft.fiber->getState() != Fiber::EXCEPT)) {
            // 執(zhí)行任務(wù)
            ft.fiber->swapIn();
            // 執(zhí)行完成,活躍的線程數(shù)量減-1
            --m_activateThreadCount;
            // 如果線程的狀態(tài)被置為了READY
            if (ft.fiber->getState() == Fiber::READY) {
                // 將fiber重新加入到任務(wù)隊(duì)列中
                schedule(ft.fiber);
                // INIT或HOLD狀態(tài)
            } else if (ft.fiber->getState() != Fiber::TERM
                            && ft.fiber->getState() != Fiber::EXCEPT) {
				// 設(shè)置fiber狀態(tài)為HOLD
                ft.fiber->setState(Fiber::HOLD);
            }
            // 執(zhí)行完畢重置數(shù)據(jù)ft
            ft.reset();
         // 如果任務(wù)是cb
        } else if(ft.cb) {
            // cb_fiber存在,重置該fiber
            if (cb_fiber) {
                cb_fiber->reset(ft.cb);
            // cb_fiber不存在,new新的fiber
            } else {
                SYLAR_LOG_DEBUG(g_logger) << "new ft.cb";
                cb_fiber.reset(new Fiber(ft.cb));
            }
            // 重置數(shù)據(jù)ft
            ft.reset();
			// 執(zhí)行cb任務(wù)
            cb_fiber->swapIn();
            // 執(zhí)行完,執(zhí)行任務(wù)線程數(shù)量-1
            --m_activateThreadCount;
            // 若cb_fiber狀態(tài)為READY
            if (cb_fiber->getState() == Fiber::READY) {
                // 重新放入任務(wù)隊(duì)列中
                schedule(cb_fiber);
                // 釋放智能指針
                cb_fiber.reset();
              // cb_fiber異?;蚪Y(jié)束,就重置狀態(tài),可以再次使用該cb_fiber
            } else if (cb_fiber->getState() == Fiber::EXCEPT
                        || cb_fiber->getState() == Fiber::TERM) {
                // cb_fiber的執(zhí)行任務(wù)置空
                cb_fiber->reset(nullptr);
            } else {
                // 設(shè)置狀態(tài)為HOLD,此任務(wù)后面還會(huì)通過(guò)ft.fiber被拉起
                cb_fiber->setState(Fiber::HOLD);
                // 釋放該智能指針,調(diào)用下一個(gè)任務(wù)時(shí)要重新new一個(gè)新的cb_fiber
                cb_fiber.reset();
            }
          // 沒(méi)有任務(wù)執(zhí)行
        } else {
            // 我感覺(jué)這里判斷么啥用
            if (is_active) {
                --m_activateThreadCount;
                continue;
            }
            // 如果idle_fiber的狀態(tài)為TERM則結(jié)束循環(huán),真正的結(jié)束
            if (idle_fiber->getState() == Fiber::TERM) {
                SYLAR_LOG_INFO(g_logger) << "idle_fiber term"; 
                break;
            }
            // 正在執(zhí)行idle的線程數(shù)量+1
            ++m_idleThreadCount;
            // 執(zhí)行idle()
            idle_fiber->swapIn();
            // 正在執(zhí)行idle的線程數(shù)量-1
            --m_idleThreadCount;
            // idle_fiber狀態(tài)置為HOLD
            if (idle_fiber->getState() != Fiber::TERM
                    && idle_fiber->getState() != Fiber::EXCEPT) {
                idle_fiber->setState(Fiber::HOLD);
            }
        }
    }
}

stopping(判斷停止條件)

bool Scheduler::stopping() {
    MutexType::Lock lock(m_mutex);
    // 當(dāng)自動(dòng)停止 && 正在停止 && 任務(wù)隊(duì)列為空 && 活躍的線程數(shù)量為0
    return m_autoStop && m_stopping 
        && m_fibers.empty() && m_activateThreadCount == 0;
}

總結(jié)

舉個(gè)具體的例子。

#include "../sylar/sylar.h"
static sylar::Logger::ptr g_logger = SYLAR_LOG_ROOT();
void test_fiber() {
    static int count = 5;
    SYLAR_LOG_INFO(g_logger) << "---test in fiber---" << count;
    sylar::set_hook_enable(false);
    sleep(1);
    // 循環(huán)將test_fiber加入到任務(wù)隊(duì)列中,并且指定第一個(gè)拿到該任務(wù)的線程一直執(zhí)行
    if (--count > 0) {
        sylar::Scheduler::GetThis()->schedule(&test_fiber, sylar::GetThreadId());
    }
}
int main(int argc, char** argv) {
    g_logger->setLevel(sylar::LogLevel::INFO);
    sylar::Thread::SetName("main");
    SYLAR_LOG_INFO(g_logger) << "main start";
    sylar::Scheduler sc(2, false, "work");
    sc.start();
    SYLAR_LOG_INFO(g_logger) << "schedule";
    sc.schedule(&test_fiber);
    sc.stop();
    SYLAR_LOG_INFO(g_logger) << "main end";
    return 0;
}
// 設(shè)置2個(gè)線程, 并且將use_caller設(shè)為false, 設(shè)置名稱為"work", 指定線程
// 這里可以看到有3個(gè)線程 1684 1685 1686
// 1684為調(diào)度線程, 1685和1686為執(zhí)行任務(wù)的線程
// 可以看到任務(wù)都是在1686線程上執(zhí)行的,因?yàn)樵趕hceduler()時(shí)指定了任務(wù)在第一個(gè)拿到該任務(wù)的線程上一直執(zhí)行
1684    main    0       [INFO]  [root]  tests/test_scheduler.cc:20      main start
1684    main    0       [INFO]  [root]  tests/test_scheduler.cc:23      schedule
1686    work_1  4       [INFO]  [root]  tests/test_scheduler.cc:7       ---test in fiber---5
1686    work_1  4       [INFO]  [root]  tests/test_scheduler.cc:7       ---test in fiber---4
1686    work_1  4       [INFO]  [root]  tests/test_scheduler.cc:7       ---test in fiber---3
1686    work_1  4       [INFO]  [root]  tests/test_scheduler.cc:7       ---test in fiber---2
1686    work_1  4       [INFO]  [root]  tests/test_scheduler.cc:7       ---test in fiber---1
1685    work_0  0       [INFO]  [system]        sylar/scheduler.cc:237  idle_fiber term
1686    work_1  0       [INFO]  [system]        sylar/scheduler.cc:237  idle_fiber term
1684    main    0       [INFO]  [root]  tests/test_scheduler.cc:27      main end
// 設(shè)置2個(gè)線程, 并且將use_caller設(shè)為true, 設(shè)置名稱為"work",不指定線程
// 這里可以看到有2個(gè)線程 2841 2842
// 2841為調(diào)度線程,他也將自己納入調(diào)度器中執(zhí)行任務(wù)
2841    work    0       [INFO]  [root]  tests/test_scheduler.cc:20      main start
2841    work    0       [INFO]  [root]  tests/test_scheduler.cc:23      schedule
2842    work_0  4       [INFO]  [root]  tests/test_scheduler.cc:7       ---test in fiber---5
2841    work    6       [INFO]  [root]  tests/test_scheduler.cc:7       ---test in fiber---4
2842    work_0  4       [INFO]  [root]  tests/test_scheduler.cc:7       ---test in fiber---3
2841    work    6       [INFO]  [root]  tests/test_scheduler.cc:7       ---test in fiber---2
2842    work_0  4       [INFO]  [root]  tests/test_scheduler.cc:7       ---test in fiber---1
2842    work_0  0       [INFO]  [system]        sylar/scheduler.cc:237  idle_fiber term
2841    work    1       [INFO]  [system]        sylar/scheduler.cc:237  idle_fiber term
2841    work    0       [INFO]  [root]  tests/test_scheduler.cc:27      main end

當(dāng)我們?cè)O(shè)置use_caller時(shí),將調(diào)度線程也納入管理中執(zhí)行任務(wù),在構(gòu)造函數(shù)中通過(guò)Fiber::GetThis()獲得主協(xié)程,然后new一個(gè)子協(xié)程作為該線程的主協(xié)程并與run()綁定,在stop()時(shí)使用call()將執(zhí)行權(quán)交給線程主協(xié)程執(zhí)行run()。

start()時(shí)創(chuàng)建其他線程并與run()綁定,此時(shí)線程就開(kāi)始執(zhí)行run()。

run()中,使用Fiber::GetThis()獲得主協(xié)程并設(shè)置為線程主協(xié)程。在協(xié)程切換時(shí),都是執(zhí)行任務(wù)協(xié)程與線程主協(xié)程之間的切換。當(dāng)達(dá)到停止條件,idle()執(zhí)行完畢時(shí),run()也執(zhí)行完畢。

此時(shí)use_caller線程使用back()將線程主協(xié)程切換到主協(xié)程繼續(xù)執(zhí)行stop()等待其他線程執(zhí)行完畢。

以上就是C++高性能服務(wù)器框架之協(xié)程調(diào)度模塊的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于C++協(xié)程調(diào)度模塊的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!

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