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使用C++實現(xiàn)MySQL數(shù)據(jù)庫連接池

 更新時間:2024年03月05日 08:43:34   作者:AndreaDO  
這篇文章主要為大家詳細介紹了如何使用C++實現(xiàn)MySQL數(shù)據(jù)庫連接池,文中的示例代碼講解詳細,具有一定的借鑒價值,有需要的小伙伴可以了解下

關(guān)鍵技術(shù)點

MySQL數(shù)據(jù)庫編程、單例模式、queue隊列容器、C++11多線程編程、線程互斥、線程同步通信和unique_lock、基于CAS的原子整形、智能指針shared_ptr、lambda表達式、生產(chǎn)者-消費者線程模型

連接池項目

為了提高MySQL數(shù)據(jù)庫(基于C/S設(shè)計)的訪問瓶頸,除了在服務(wù)器端增加緩存服務(wù)器緩存常用的數(shù)據(jù)之外(例如redis),還可以增加連接池,來提高MySQL Server的訪問效率,在高并發(fā)情況下,大量的TCP三次握手、MySQL Server連接認證、MySQL Server關(guān)閉連接回收資源和TCP四次揮手所耗費的性能時間也是很明顯的,增加連接池就是為了減少這一部分的性能損耗。
在市場上比較流行的連接池包括阿里的druid,c3p0以及apache dbcp連接池,它們對于短時間內(nèi)大量的數(shù)據(jù)庫增刪改查操作性能的提升是很明顯的,但是它們有一個共同點就是,全部由Java實現(xiàn)的。
那么本項目就是為了在C/C++項目中,提供MySQL Server的訪問效率,實現(xiàn)基于C++代碼的數(shù)據(jù)庫連接池模塊。

連接池功能點介紹

連接池一般包含了數(shù)據(jù)庫連接所用的ip地址、port端口號、用戶名和密碼以及其它的性能參數(shù),例如初始連接量,最大連接量,最大空閑時間、連接超時時間等,該項目是基于C++語言實現(xiàn)的連接池,主要也是實現(xiàn)以上幾個所有連接池都支持的通用基礎(chǔ)功能。

  • 初始連接量(initSize):表示連接池事先會和MySQL Server創(chuàng)建initSize個數(shù)的connection連接,當應(yīng)用發(fā)起MySQL訪問時,不用再創(chuàng)建和MySQL Server新的連接,直接從連接池中獲取一個可用的連接就可以,使用完成后,并不去釋放connection,而是把當前connection再歸還到連接池當中。
  • 最大連接量(maxSize):當并發(fā)訪問MySQL Server的請求增多時,初始連接量已經(jīng)不夠使用了,此時會根據(jù)新的請求數(shù)量去創(chuàng)建更多的連接給應(yīng)用去使用,但是新創(chuàng)建的連接數(shù)量上限是maxSize,不能無限制的創(chuàng)建連接,因為每一個連接都會占用一個socket資源,一般連接池和服務(wù)器程序是部署在一臺主機上的,如果連接池占用過多的socket資源,那么服務(wù)器就不能接收太多的客戶端請求了。當這些連接使用完成后,再次歸還到連接池當中來維護。
  • 最大空閑時間(maxIdleTime):當訪問MySQL的并發(fā)請求多了以后,連接池里面的連接數(shù)量會動態(tài)增加,上限是maxSize個,當這些連接用完再次歸還到連接池當中。如果在指定的maxIdleTime里面,這些新增加的連接都沒有被再次使用過,那么新增加的這些連接資源就要被回收掉,只需要保持初始連接量initSize個連接就可以了。
  • 連接超時時間(connectionTimeout):當MySQL的并發(fā)請求量過大,連接池中的連接數(shù)量已經(jīng)到達maxSize了,而此時沒有空閑的連接可供使用,那么此時應(yīng)用從連接池獲取連接無法成功,它通過阻塞的方式獲取連接的時間如果超connectionTimeout時間,那么獲取連接失敗,無法訪問數(shù)據(jù)庫。

實現(xiàn)的邏輯圖片

數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)

文章內(nèi)容不會將MySQL的安裝,基于你已經(jīng)下載了mysql server 8.0 ,我們建立一個mysql數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表來演示后面如何用C++連接數(shù)據(jù)表,并且寫SQL.

先進入mysql,輸入密碼

mysql -u root -p

創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)庫名叫chat,同時創(chuàng)建數(shù)據(jù)表

CREATE DATABASE chat;
use chat;
CREATE TABLE user (
       id INT(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
      name VARCHAR(50) NOT NULL,
      age INT(11) NOT NULL,
        sex ENUM('male', 'female') NOT NULL,
        PRIMARY KEY (id)
      );

如果輸出OK就代表創(chuàng)建user好了,我們來看看數(shù)據(jù)表

desc user;
+-------+-----------------------+------+-----+---------+----------------+
| Field | Type                  | Null | Key | Default | Extra          |
+-------+-----------------------+------+-----+---------+----------------+
| id    | int                   | NO   | PRI | NULL    | auto_increment |
| name  | varchar(50)           | NO   |     | NULL    |                |
| age   | int                   | NO   |     | NULL    |                |
| sex   | enum('male','female') | NO   |     | NULL    |                |
+-------+-----------------------+------+-----+---------+----------------+

查看一下內(nèi)容,沒有

mysql> select * from user;
Empty set (0.19 sec)

到這里我們MySQL表就創(chuàng)建好了,我們不用管他,我們進行編寫CPP連接數(shù)據(jù)庫代碼

連接數(shù)據(jù)庫,并且執(zhí)行sql語句

打開VS2019,并且創(chuàng)建一個控制臺項目,項目結(jié)構(gòu)如圖

main.cpp負責(zé)執(zhí)行主函數(shù)代碼,Connect負責(zé)編寫封裝數(shù)據(jù)庫的連接和sql操作,mysqlPool負責(zé)編寫數(shù)據(jù)庫連接池。

但我們還不急著編寫代碼,先導(dǎo)入需要的外部庫,在VS上需要進行相應(yīng)的頭文件和庫文件的配置,如下:

  • 1.右鍵項目 - C/C++ - 常規(guī) - 附加包含目錄,填寫mysql.h頭文件的路徑
  • 2.右鍵項目 - 鏈接器 - 常規(guī) - 附加庫目錄,填寫libmysql.lib的路徑
  • 3.右鍵項目 - 鏈接器 - 輸入 - 附加依賴項,填寫libmysql.lib庫的名字
  • 4.把libmysql.dll動態(tài)鏈接庫(Linux下后綴名是.so庫)放在工程目錄下

如果你沒有修改過MySQL路徑,一般mysql.h在你的電腦路徑如下

如果你沒有修改過MySQL路徑,一般libmysql.lib在你的電腦路徑如下

libmysql.dll文件存放在你項目文件路徑下面

封裝Mysql.h的接口成connection類

接下來封裝一下mysql的數(shù)據(jù)庫連接代碼,不懂的看看注釋,也很簡單的調(diào)用Mysql.h的接口,我們在connection中額外加入創(chuàng)建時間函數(shù)和存活時間函數(shù),不能讓空閑的線程存活時間超過定義的最大空閑時間

connect.h的代碼如下

#pragma once
#include <mysql.h>
#include <string>
#include <ctime>
using namespace std;
/*
封裝MySQL數(shù)據(jù)庫的接口操作
*/
class Connection
{
public:
	// 初始化數(shù)據(jù)庫連接
	Connection();
	// 釋放數(shù)據(jù)庫連接資源
	~Connection();
	// 連接數(shù)據(jù)庫
	bool connect(string ip,
		unsigned short port,
		string user,
		string password,
		string dbname);
	// 更新操作 insert、delete、update
	bool update(string sql);
	// 查詢操作 select
	MYSQL_RES* query(string sql);

	// 刷新一下連接的起始的空閑時間點
	void refreshAliveTime() { _alivetime = clock(); }
	// 返回存活的時間
	clock_t getAliveeTime()const { return clock() - _alivetime; }
private:
	MYSQL* _conn; // 表示和MySQL Server的一條連接
	clock_t _alivetime; // 記錄進入空閑狀態(tài)后的起始存活時間
};

connect.cpp的代碼如下

include "public.h"
#include "Connect.h"
#include <iostream>
using namespace std;

Connection::Connection()
{
	// 初始化數(shù)據(jù)庫連接
	_conn = mysql_init(nullptr);
}

Connection::~Connection()
{
	// 釋放數(shù)據(jù)庫連接資源
	if (_conn != nullptr)
		mysql_close(_conn);
}

bool Connection::connect(string ip, unsigned short port,
	string username, string password, string dbname)
{
	// 連接數(shù)據(jù)庫
	MYSQL* p = mysql_real_connect(_conn, ip.c_str(), username.c_str(),
		password.c_str(), dbname.c_str(), port, nullptr, 0);
	return p != nullptr;
}

bool Connection::update(string sql)
{
	// 更新操作 insert、delete、update
	if (mysql_query(_conn, sql.c_str()))
	{
		LOG(+ "更新失敗:" + sql);
		return false;
	}
	return true;
}

MYSQL_RES* Connection::query(string sql)
{
	// 查詢操作 select
	if (mysql_query(_conn, sql.c_str()))
	{
		LOG("查詢失敗:" + sql);
		return nullptr;
	}
	return mysql_use_result(_conn);
}

在public.h中編寫的代碼,幫助我們輸出日志和警告

#pragma once
#include <iostream>
#define LOG(str) \
	std::cout << __FILE__ << ":"<<__LINE__<<" " \
	__TIMESTAMP__ << ":"<<str <<std::endl;

使用這個宏,你可以在代碼中的任何地方輕松輸出日志信息。

我們暫時用這個main先測試下connection類

main.cpp代碼

#include <iostream>
#include "Connect.h"
int main()
{
	Connection conn;
	char sql[1024] = { 0 };
//插入一條數(shù)據(jù)
	sprintf(sql, "insert into user(name,age,sex) values('%s','%d','%s');", "zhang san", 20, "male");
	conn.connect("127.0.0.1", 3306, "root", "123456", "chat");
	conn.update(sql); //更新sql語句
	return 0;
}

如果你的vs2019給你報安全警告,應(yīng)該是sprintf的問題,你右擊項目,選擇屬性中C++的常規(guī)中SDL檢查,設(shè)置為否。編譯運行后,我們返回MySQL的界面,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)插入成功了

mysql> select * from user;
+----+-----------+-----+------+
| id | name      | age | sex  |
+----+-----------+-----+------+
|  1 | zhang san |  20 | male |
+----+-----------+-----+------+
1 row in set (0.02 sec)

現(xiàn)在我們已經(jīng)成功能調(diào)用外部接口來連接Mysql數(shù)據(jù)庫了,接下來我們來編寫連接池.

編寫連接池

MySQL配置文件和加載配置文件

我們來編寫mySqlPool的代碼,因為數(shù)據(jù)庫連接池只有一個,所以我們寫成單例模式。同時會有多個服務(wù)端進入連接池,所以我們要添加互斥鎖來避免線程之間的沖突。

我們在項目中創(chuàng)建一個名叫mysql.ini配置文件存儲數(shù)據(jù)庫連接的信息,例如數(shù)據(jù)庫ip地址,用戶名,密碼等

mysql.ini的內(nèi)容如下,如果你的用戶名和密碼跟里面不同,請修改

#數(shù)據(jù)庫連接池的配置文件
ip=127.0.0.1
port=3306
username=root
password=123456
initSize=10
maxSize=1024
#最大空閑時間默認單位為秒
maxIdleTime=60
#連接超時時間單位是毫米
connectionTimeOut=100

我們把mysqlPool.h文件中需要的函數(shù)都聲明好,等會在cpp中實現(xiàn)。

#pragma once
#include "public.h"
#include "Connect.h"
#include <queue>
#include <mutex>
#include <string>
#include <atomic>
#include <memory>
#include <functional>
#include <condition_variable>
//因為數(shù)據(jù)庫連接池子只有一個,所以我們采用單例模式
class mySqlPool {
public:
	//獲取連接池對象實例
	static mySqlPool* getMySqlPool();
	std::shared_ptr<Connection> getConnection();//從連接池獲取一個可用的空閑連接
private:
	mySqlPool();//構(gòu)造函數(shù)私有化
	bool loadConfigFile();//從配置文件中加載配置項
	void produceConnectionTask(); //運行在獨立的線程中,專門負責(zé)生產(chǎn)新連接
	//掃描超過maxIdleTime時間的空閑連接,進行隊列的連接回收
	void scannerConnectionTask();

	std::string _ip;//mysql的ip地址
	std::string _dbname;//數(shù)據(jù)庫的名稱
	unsigned short _port; //mysql端口號3306
	std::string _username;//mysql用戶名
	std::string _password;//mysql登陸密碼
	int _initSize;//連接池的初始連接量
	int _maxSize;//連接池的最大連接量
	int _maxIdleTime;//連接池最大空閑時間
	int _connectionTimeOut;//連接池獲取連接的超時時間

	std::queue<Connection*> _connectionQue;//存儲mysql連接隊列
	std::mutex _queueMutex; //維護連接隊列的線程安全互斥鎖
	std::atomic_int _connectionCnt; //記錄連接所創(chuàng)建的connect的數(shù)量
	std::condition_variable cv;//設(shè)置條件變量,用于生產(chǎn)者線程和消費者線程的通信
};

編寫mySqlPool.cpp 中加載我們上面.ini配置文件的函數(shù)

//在mySqlPool.cpp中
//加載配置文件
bool mySqlPool::loadConfigFile()
{
	FILE* pf = fopen("mysql.ini", "r");
	if (pf == nullptr)
	{
		LOG("mysql.ini file is not exits!");
		return false;
	}
	while (!feof(pf)) //遍歷配置文件
	{
		char line[1024] = { 0 };
		fgets(line, 1024, pf);
		std::string str = line;
		int idx = str.find('=', 0); //從0開始找'='符號的位置
		if (idx == -1)continue;
		int endidx = str.find('\n', idx);//從idx尋找'\n'的位置,也就是末尾
		std::string key = str.substr(0, idx); //獲取配置文件中=號左邊的key
		//從等號后到末尾,剛好是value的string形式
		std::string value = str.substr(idx + 1, endidx - idx - 1);
		if (key == "ip")
		{
			_ip = value;
		}
		else if (key == "port")
		{
			//字符串轉(zhuǎn)換成unsigned short
			_port = static_cast<unsigned short>(std::stoul(value));
		}
		else if (key == "username")
		{
			_username = value;
		}
		else if (key == "password")
		{
			_password = value;
		}
		else if (key == "dbname")
		{
			_dbname = value;
		}
		else if (key == "initSize")
		{
			_initSize = std::stoi(value); 
		}
		else if (key == "maxSize")
		{
			_maxSize = std::stoi(value); 
		}
		else if (key == "maxIdleTime")
		{
			_maxIdleTime = std::stoi(value); 
		}
		else if (key == "connectionTimeOut")
		{
			_connectionTimeOut = std::stoi(value); 
		}
	}
	return true;
}

這樣我們加載配置文件就完成了

編寫連接池單例模式

單例模式確保數(shù)據(jù)庫連接池在整個應(yīng)用程序中只有一個實例。這樣,所有需要數(shù)據(jù)庫連接的線程或操作都可以從這個池中獲取連接,而不是每次都創(chuàng)建新的連接。這大大減少了資源消耗和性能損耗。(如果不懂數(shù)據(jù)模式單例模式可以百度一下)

我們在.h文件中,我們先將構(gòu)造函數(shù)private化,這樣外部就只能通過接口來獲取,我們在cpp中來編寫具體的實現(xiàn)代碼

構(gòu)造方法

//mySqlPool.h
//構(gòu)造方法
mySqlPool::mySqlPool()
{
	if (!loadConfigFile())
	{
		LOG("load Config File is error!");
		return;
	}
	//創(chuàng)建初始數(shù)量的連接
	for (int i = 0; i < _initSize; ++i)
	{
		Connection* p = new Connection();
		p->connect(_ip, _port, _username, _password, _dbname);
	}
	//啟動一個新線程,作為連接的生產(chǎn)者
	std::thread produce(std::bind(&mySqlPool::produceConnectionTask, this));
	produce.detach();
	//啟動一個新線程,作為空閑連接超時的回收者
	std::thread scanner(std::bind(&mySqlPool::scannerConnectionTask, this));
	scanner.detach();
}

單例模式

//mySqlPool.h
//單例模式
mySqlPool* mySqlPool::getMySqlPool()
{
	static mySqlPool pool;
	return &pool;
}

現(xiàn)在我們已經(jīng)成功的編寫了單例模式,接下來我們開始獲取數(shù)據(jù)庫的連接。

數(shù)據(jù)庫連接的線程通信

我們創(chuàng)建一個connect*線程隊列queue來存放MySQL數(shù)據(jù)庫的連接connect,同時我們還會額外創(chuàng)建兩個線程。

一個線程是生產(chǎn)者,開始從Connect類中獲取initSize個連接加入連接隊列中準備著,當判斷連接隊列empty,又開始獲取連接加入連接隊列中 ,如果不為empty就進入阻塞狀態(tài)。

生產(chǎn)者線程代碼

//運行在獨立的線程中,專門負責(zé)生產(chǎn)新連接
void mySqlPool::produceConnectionTask()
{
	while (true)
	{
		std::unique_lock<std::mutex> lock(_queueMutex);
		while (!_connectionQue.empty())
			cv.wait(lock);     //隊列不為空不生產(chǎn)線程

		//沒有到上線就可以生產(chǎn)線程
		if (_connectionCnt < _maxSize)
		{
			auto p = new Connection();
			p->connect(_ip, _port, _username, _password, _dbname);
			p->refreshAliveTime();//創(chuàng)建的時候刷新存活時間
			_connectionQue.push(p);
			++_connectionCnt;
		}
		cv.notify_all();
	}
}

另外一個線程是消費者,如果服務(wù)端想要獲取隊列中的連接,消費者線程將會從隊列中拿出connection來,如果隊列為empty,線程會處于阻塞狀態(tài)。

消費者線程代碼

/從連接池獲取一個可用的空閑連接
std::shared_ptr<Connection> mySqlPool::getConnection()
{
	std::unique_lock<std::mutex> lock(_queueMutex);
	while (_connectionQue.empty())
	{
		//如果超時沒有獲取可用的空閑連接返回空
		if (std::cv_status::timeout == cv.wait_for(lock, std::chrono::milliseconds(100)))

			if (_connectionQue.empty())
			{
				LOG("get Connection error");
				return nullptr;
			}
	}
	std::shared_ptr<Connection> sp(_connectionQue.front(), [&](Connection* pcon) {
		//保證只能同一時刻只能有一個線程歸還連接給隊列
		std::unique_lock<std::mutex> lock(_queueMutex);
		pcon->refreshAliveTime();//創(chuàng)建的時候刷新存活時間
		_connectionQue.push(pcon);
		});
	_connectionQue.pop();
	cv.notify_all();
	return sp;
}

如果隊列里面大于初始個數(shù)的新connection空閑時間大于最大空閑時間,我們將會回收該連接(但是不會完全釋放,我們將其歸還在連接池中)。

上面getConnection代碼的這段就是實現(xiàn)了回收功能

std::shared_ptr<Connection> sp(_connectionQue.front(), [&](Connection* pcon) {
		//保證只能同一時刻只能有一個線程歸還連接給隊列
		std::unique_lock<std::mutex> lock(_queueMutex);
		pcon->refreshAliveTime();//創(chuàng)建的時候刷新存活時間
		_connectionQue.push(pcon);
		});

掃描超過maxIdleTime時間的空閑連接,進行隊列的連接回收

//連接線程回收
void mySqlPool::scannerConnectionTask()
{
	while (true)
	{
		//通過sleep模擬定時效果,每_maxIdleTime檢查一次
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(_maxIdleTime));
		
		//掃描整個隊列釋放多余的超時連接
		std::unique_lock<std::mutex> lock(_queueMutex);
		while (_connectionCnt > _initSize)
		{
			auto p = _connectionQue.front();
			if (p->getAliveeTime() >= (_maxIdleTime * 1000))
			{
				_connectionQue.pop();
				delete p;//這里會調(diào)用智能指針,回收到隊列中
			}
		}
	}
}

到這里,我們連接池的代碼已經(jīng)完成了,接下來是測試一下代碼

連接池的壓力測試

我們分別測試連接個數(shù)為10,100,1000時候的性能差異,創(chuàng)建一個test.h文件,編寫測試代碼

注意下面的測試可能根據(jù)不同的電腦性能,可能速度會有所差異。

普通連接

//test.h
//非線程池的連接
void testSql( int n)
{
	clock_t begin = clock();
	std::thread t([&n]() {
		for (int i = 1; i < n; ++i)
		{
			Connection cnn;
			char sql[1024] = { 0 };
			sprintf(sql, "insert into user(name,age,sex) values('%s',%d,'%s')", "zhang san", 20, "male");
			cnn.connect("127.0.0.1", 3306, "root", "123456", "chat");
			cnn.update(sql);
		}});
	t.join();
	clock_t end = clock();
	std::cout << "普通連接數(shù)量為:" << n << "的sql執(zhí)行時間:" << (end - begin) << "ms" << std::endl;
}

main.cpp中調(diào)用

#include <iostream>
#include "Connect.h"
#include "mySqlPool.h"
#include "test.h"

int main()
{
	testSql(10);//普通連接數(shù)量為 : 10的sql執(zhí)行時間 : 2838ms
	testSql(100);//普通連接數(shù)量為 : 100的sql執(zhí)行時間: 12299
	testSql(1000);//普通連接數(shù)量為 : 1000的sql執(zhí)行時間 : 104528ms
	return 0;
}

單線程的線程池

 //test.h
void f(int n)
{
	mySqlPool* cp = mySqlPool::getMySqlPool();
	for (int i = 1; i <= n; ++i)
	{
		std::shared_ptr<Connection> sp = cp->getConnection();
		char sql[1024] = { 0 };
		sprintf(sql, "insert into user(name,age,sex) values('%s',%d,'%s')", "zhang san", 20, "male");
		sp->update(sql);
	}
}
//測試連接池連接
void testSqlPool(int n)
{
	clock_t begin = clock();
	std::thread t1(f, n);
	t1.join();
	clock_t end = clock();
	std::cout << "單線程采用數(shù)據(jù)庫連接池,連接數(shù)量為:" << n << "的sql執(zhí)行時間:" << (end - begin) << "ms" << std::endl;
}

main.cpp中調(diào)用

#include <iostream>
#include "Connect.h"
#include "mySqlPool.h"
#include "test.h"

int main()
{
  testSqlPool(10);//單線程 采用數(shù)據(jù)庫連接池,連接數(shù)量為:10的sql執(zhí)行時間:1745ms
  testSqlPool(100);//單線程 采用數(shù)據(jù)庫連接池,連接數(shù)量為:100的sql執(zhí)行時間:9779ms 
  testSqlPool(1000);//單線程 采用數(shù)據(jù)庫連接池,連接數(shù)量為:1000的sql執(zhí)行時間 : 86016ms
	return 0;
}

多線程的線程池

//test.h
//測試連接池連接 4線程
void testSqlPool4(int n)
{
	int n2 = n / 4;
	clock_t begin = clock();
	std::thread t1(f, n2);
	std::thread t2(f, n2);
	std::thread t3(f, n2);
	std::thread t4(f, n2);
	t1.join();
	t2.join();
	t3.join();
	t4.join();
	clock_t end = clock();
	std::cout << "四線程采用數(shù)據(jù)庫連接池,連接數(shù)量為:" << n << "的sql執(zhí)行時間:" << (end - begin) << "ms" << std::endl;
}

main.cpp中調(diào)用

#include <iostream>
#include "Connect.h"
#include "mySqlPool.h"
#include "test.h"

int main()
{
	testSqlPool4(100);//4條線程 采用數(shù)據(jù)庫連接池,連接數(shù)量為:100的sql執(zhí)行時間 : 3715ms
    testSqlPool4(1000);//4條線程 采用數(shù)據(jù)庫連接池,連接數(shù)量為:1000的sql執(zhí)行時間 : 34686ms
	return 0;
}

由上面測試數(shù)據(jù)可以得出,普通連接<單線程連接池<多線程連接池,連接池比普通連接還是優(yōu)化很多的。

如果看完了還是對于代碼很陌生,可以下載來看一看。源碼地址

以上就是使用C++實現(xiàn)MySQL數(shù)據(jù)庫連接池的詳細內(nèi)容,更多關(guān)于C++ MySQL數(shù)據(jù)庫連接池的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!

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