《Flink学习笔记》——第七章 处理函数

为了让代码有更强大的表现力和易用性,Flink 本身提供了多层 API

在更底层,我们可以不定义任何具体的算子(比如 map,filter,或者 window),而只是提炼出一个统一的"处理"(process)操作------它是所有转换算子的一个概括性的表达,可以自定义处理逻辑,所以这一层接口就被叫作"处理函数"(process function)。是整个DataStream API的基础

7.1 基本处理函数

处理函数主要是定义数据流的转换操作,Flink提供的处理函数类接口ProcessFunction

7.1.1 处理函数的功能和使用

我们之前讲过的MapFunction(一一处理,仅仅拿到数据)、AggregateFunction(窗口聚合,除了数据还可以拿到当前的状态)

另外,RichMapFunction提供了获取上下文的方法------getRuntimeContext(),可以拿到状态,并行度、任务名等运行时信息

但上面这些无法拿到事件的时间戳或者当前水位线。

而在很多应用需求中,要求我们对时间有更精细的控制,需要能够获取水位线,甚至要"把控时间"、定义什么时候做什么事,这就不是基本的时间窗口能够实现的了,所以这个时候就要用到底层的API------处理函数ProcessFunction了

  • 提供"定时服务",可以通过它访问事件流中的事件、时间戳、水位线,甚至可以注册"定时事件"
  • 继承了AbstractRichFunction,拥有富函数所有特性
  • 可以直接将数据输出到侧输出流

使用:

​ 直接基于 DataStream 调用.process()方法就可以了。方法需要传入一个 ProcessFunction 作为参数,用来定义处理逻辑。

java 复制代码
stream.process(new MyProcessFunction())

7.1.2 ProcessFunction解析

JAVA 复制代码
public abstract class ProcessFunction<I, O> extends AbstractRichFunction{
    public abstract void processElement(I var1, ProcessFunction<I, O>.Context var2, Collector<O> var3);
    public void onTimer(long timestamp, ProcessFunction<I, O>.OnTimerContext ctx, Collector<O> out);
}

1.抽象方法.processElement()

  • var1:正在处理的数据
  • var2:上下文
  • var3:"收集器",用于返回数据

2.非抽象方法.onTimer()

  • 用于定义定时触发的操作

7.1.3 处理函数的分类

Flink 中的处理函数其实是一个大家族,ProcessFunction 只是其中一员

Flink 提供了 8 个不同的处理函数:

(1) ProcessFunction

​ 最基本的处理函数,基于 DataStream 直接调用.process()时作为参数传入

(2) KeyedProcessFunction

​ 对流按键分区后的处理函数,基于 KeyedStream 调用.process()时作为参数传入。要想使用定时器,比如基于 KeyedStream

(3) ProcessWindowFunction

​ 开窗之后的处理函数,也是全窗口函数的代表。基于 WindowedStream 调用.process()时作为参数传入

(4)ProcessAllWindowFunction

​ 同样是开窗之后的处理函数,基于 AllWindowedStream 调用.process()时作为参数传入

(5) CoProcessFunction

​ 合并(connect)两条流之后的处理函数,基于 ConnectedStreams 调用.process()时作为参数传入

(6) ProcessJoinFunction

​ 间隔连接(interval join)两条流之后的处理函数,基于 IntervalJoined 调用.process()时作为参数传入

(7)BroadcastProcessFunction

​ 广播连接流处理函数,基于 BroadcastConnectedStream 调用.process()时作为参数传入。这里的"广播连接流"BroadcastConnectedStream,是一个未 keyBy 的普通 DataStream 与一个广播流(BroadcastStream)做连接(conncet)之后的产物

(8) KeyedBroadcastProcessFunction

​ 按键分区的广播连接流处理函数,同样是基于 BroadcastConnectedStream 调用.process()时作为参数传入。与 BroadcastProcessFunction 不同的是,这时的广播连接流,是一个 KeyedStream 与广播流(BroadcastStream)做连接之后的产物

7.2 按键分区处理函数

JAVA 复制代码
public abstract class KeyedProcessFunction<K, I, O> extends AbstractRichFunction

只有在 KeyedStream 中才支持使用 TimerService 设置定时器的操作,所以一般情况下,我们都是先做了 keyBy 分区之后,再去定义处理操作;代码中更加常见的处理函数是 KeyedProcessFunction,最基本的 ProcessFunction 反而出镜率没那么高。KeyedProcessFunction 可以说是处理函数中的"嫡系部队",可以认为是 ProcessFunction 的一个扩展。

7.2.1 定时器(Timer)和定时服务(TimerService)

首先通过定时服务注册一个定时器,ProcessFunction 的上下文(Context)中提供了.timerService()方法,可以直接返回一个 TimerService 对象。

TimerService 是 Flink 关于时间和定时器的基础服务接口,包含以下六个方法:

java 复制代码
// 获取当前的处理时间
long currentProcessingTime();

// 获取当前的水位线(事件时间)
long currentWatermark();

// 注册处理时间定时器,当处理时间超过 time 时触发
void registerProcessingTimeTimer(long time);

// 注册事件时间定时器,当水位线超过 time 时触发
void registerEventTimeTimer(long time);

// 删除触发时间为 time 的处理时间定时器
void deleteProcessingTimeTimer(long time);

// 删除触发时间为 time 的处理时间定时器
void deleteEventTimeTimer(long time);

7.2.2 KeyedProcessFunction的使用

与 ProcessFunction 的定义几乎完全一样,区别只是在于类型参数多了一个 K, 这是当前按键分区的 key 的类型。在KeyedProcessFunction中可以注册定时器,定义定时器触发逻辑。

KeyedProcessFunction是个抽象类,继承了AbstractRichFunction。

java 复制代码
public abstract class KeyedProcessFunction<K, I, O> extends AbstractRichFunction

主要有两个核心的方法:

java 复制代码
// 定义处理每个元素的逻辑
public abstract void processElement(I value, Context ctx, Collector<O> out)

// 定时器触发时处理逻辑
public void onTimer(long timestamp, OnTimerContext ctx, Collector<O> out)

从上面可以看到,参数里面都有Context(这里OnTimerContext继承了Context),所以都可以通过

java 复制代码
ctx.timerService().registerEventTimeTimer(long time);

去注册定时器。

示例:

自定义数据源

java 复制代码
public class CustomSource implements SourceFunction<Event> {
    @Override
    public void run(SourceContext<Event> ctx) throws Exception {
        // 直接发出一条数据
        ctx.collect(new Event("Mark", "./hhhh.com", 1000L));

        // 中间停顿5秒
        Thread.sleep(5000L);

        // 发出10秒后的数据
        ctx.collect(new Event("Mark", "/home", 11000L));
        Thread.sleep(5000L);

        // 发出 10 秒+1ms 后的数据
        ctx.collect(new Event("Alice", "./cart", 11001L));
        Thread.sleep(5000L);

    }

    @Override
    public void cancel() {

    }
}

创建一个KeyedProcessFunction实现类

java 复制代码
public class MyKeyedProcessFunction extends KeyedProcessFunction<Boolean, Event, String> {
    @Override
    public void processElement(Event value, KeyedProcessFunction<Boolean, Event, String>.Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
        out.collect("数据到达,时间戳为:" + ctx.timestamp());
        out.collect("数据到达,水位线为:" + ctx.timerService().currentWatermark());
        // 注册一个 1 秒后的定时器
        ctx.timerService().registerEventTimeTimer(ctx.timestamp() + 1000L);
        out.collect(String.format("注册定时器:%d%n-------分割线-------", ctx.timestamp() + 1000L));
    }

    @Override
    public void onTimer(long timestamp, KeyedProcessFunction<Boolean, Event, String>.OnTimerContext ctx, Collector<String> out) throws Exception {
        out.collect("定时器触发,触发时间:" + timestamp);
    }
}

主函数

java 复制代码
public class EventTimeTimerTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);

        SingleOutputStreamOperator<Event> stream = env.addSource(new CustomSource())
                .assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.<Event>forMonotonousTimestamps()
                        .withTimestampAssigner(new SerializableTimestampAssigner<Event>() {
                            @Override
                            public long extractTimestamp(Event element, long recordTimestamp) {
                                return element.getTimestamp();
                            }
                        }));

        stream.keyBy(data->true).process(new MyKeyedProcessFunction()).print();

        env.execute();

    }
}

输出结果:

数据到达,时间戳为:1000
数据到达,水位线为:-9223372036854775808
注册定时器:2000
-------分割线-------
数据到达,时间戳为:11000
数据到达,水位线为:999
注册定时器:12000
-------分割线-------
定时器触发,触发时间:2000
数据到达,时间戳为:11001
数据到达,水位线为:10999
注册定时器:12001
-------分割线-------
定时器触发,触发时间:12000
定时器触发,触发时间:12001

输出结果解释:

当第一条数据 Event("Mark", "./hhhh.com", 1000L) 过来,由于水位线生成的周期是默认(200ms)一次,所以第一次数据过来时,水位线没有更新,为默认值Long.MIN_VALUE,此时注册一个以事件时间为准加1000ms的定时器。所以输出就是:

数据到达,时间戳为:1000

数据到达,水位线为:-9223372036854775808

注册定时器:2000

-------分割线-------

过了200ms后,到了水位线生成时间,此时最大时间戳为1000,由于没有设置水位线延迟,所以默认减1ms。此时水位线为:1000-1=999.并未达到定时器触发时间(2000)

过了5秒钟第二条数据 Event("Mark", "/home", 11000L) 过来,输出并注册了一个12000的定时器:

数据到达,时间戳为:11000

数据到达,水位线为:999

注册定时器:12000

-------分割线-------

达到水位线生成时间后,更新为11000-1=10999,此时达到(注册定时器:2000)触发时间,所以输出:

定时器触发,触发时间:2000

过了5秒,数据 Event("Alice", "./cart", 11001L) 过来,输出并注册了一个12001的定时器

数据到达,时间戳为:11001

数据到达,水位线为:10999

注册定时器:12001

-------分割线-------

达到水位线生成时间后,更新为11001-1=11000

过了5秒,数据发送执行完毕,第三条数据发出后再过 5 秒,没有更多的数据生成了,整个程序运行结束将要退出,此时 Flink 会自动将水位线推进到长整型的最大值(Long.MAX_VALUE)。于是所有尚未触发的定时器这时就统一触发了,输出

定时器触发,触发时间:12000

定时器触发,触发时间:12001

7.3 窗口处理函数

除了按键分区的处理,还有就是窗口数据的处理,常用的有:

  • ProcessWindowFunction
  • ProcessAllWindowFunction

7.3.1 窗口处理函数的使用

进行窗口计算,我们可以直接调用现成的简单聚合方法(sum/max/min),也可以通过调用.reduce()或.aggregate()来自定义一般的增量聚合函数(ReduceFunction/AggregateFucntion);而对于更加复杂、需要窗口信息和额外状态的一些场景,我们还可以直接使用全窗口函数、把数据全部收集保存在窗口内,等到触发窗口计算时再统一处理。窗口处理函数就是一种典型的全窗口函数。

窗口处理函数 ProcessWindowFunction 的使用与其他窗口函数类似,也是基于WindowedStream 直接调用方法就可以,只不过这时调用的是.process()

java 复制代码
stream.keyBy( t -> t.f0 )
    .window( TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10)) )
    .process(new MyProcessWindowFunction())

7.3.2 ProcessWindowFunction 解析

java 复制代码
public abstract class ProcessWindowFunction<IN, OUT, KEY, W extends Window>
        extends AbstractRichFunction

/*
IN: 输入数据类型
OUT:输出数据类型
KEY:数据中key的类型
W:窗口类型
*/

方法:

java 复制代码
// 窗口数据的处理
public abstract void process(
            KEY key, Context context, Iterable<IN> elements, Collector<OUT> out);
/*
key: 键
context: 上下文
elements: 窗口收集到用来计算的所有数据,这是一个可迭代的集合类型
out: 发送输出结果的收集器
*/


// 这主要是方便我们进行窗口的清理工作。如果我们自定义了窗口状态,那么必须在.clear()方法中进行显式地清除,避免内存溢出
public void clear(Context context);

还定义了一个抽象类

java 复制代码
public abstract class Context implements java.io.Serializable
// 我们之前可以看到,processFunction用的都是Context,但是这里ProcessWindowFunction 自己定义了一个Context,他是没有定时器的。为什么呢?因为本身窗口操作已经起到了一个触发计算的时间点,一般情况下是没有必要去做定时操作的。如果非要这么做,可以使用窗口触发器Trigger,里面有一个TriggerContext

ProcessAllWindowFunction的用法相似

java 复制代码
stream.windowAll( TumblingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10)) )
	.process(new MyProcessAllWindowFunction())

7.4 应用案例------TopN

窗口的计算处理,在实际应用中非常常见。对于一些比较复杂的需求,如果增量聚合函数无法满足,我们就需要考虑使用窗口处理函数这样的"大招"了。

网站中一个非常经典的例子,就是实时统计一段时间内的热门 url。例如,需要统计最近

10 秒钟内最热门的两个 url 链接,并且每 5 秒钟更新一次。我们知道,这可以用一个滑动窗口来实现,而"热门度"一般可以直接用访问量来表示。于是就需要开滑动窗口收集 url 的访问数据,按照不同的 url 进行统计,而后汇总排序并最终输出前两名。这其实就是著名的"Top N" 问题。

很显然,简单的增量聚合可以得到 url 链接的访问量,但是后续的排序输出 Top N 就很难实现了。所以接下来我们用窗口处理函数进行实现。

7.4.1 使用 ProcessAllWindowFunction

一种最简单的想法是,我们干脆不区分 url 链接,而是将所有访问数据都收集起来,统一进行统计计算。所以可以不做 keyBy,直接基于 DataStream 开窗,然后使用全窗口函数ProcessAllWindowFunction 来进行处理。

在窗口中可以用一个 HashMap 来保存每个 url 的访问次数,只要遍历窗口中的所有数据, 自然就能得到所有 url 的热门度。最后把 HashMap 转成一个列表 ArrayList,然后进行排序、取出前两名输出就可以了

java 复制代码
public class ProcessAllWindowTopN {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(1);

        SingleOutputStreamOperator<Event> stream = env.addSource(new ClickSource()).assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.<Event>forMonotonousTimestamps().withTimestampAssigner(new SerializableTimestampAssigner<Event>() {
            @Override
            public long extractTimestamp(Event event, long l) {
                return event.getTimestamp();
            }
        }));

        SingleOutputStreamOperator<String> urlStream = stream.map(new MapFunction<Event, String>() {
            @Override
            public String map(Event event) throws Exception {
                return event.getUrl();
            }
        });

        SingleOutputStreamOperator<String> result = urlStream.windowAll(SlidingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10), Time.seconds(5)))
                .process(new ProcessAllWindowFunction<String, String, TimeWindow>() {
                    @Override
                    public void process(ProcessAllWindowFunction<String, String, TimeWindow>.Context context,
                                        Iterable<String> elements, Collector<String> out) throws Exception {
                        HashMap<String, Long> urlCountMap = new HashMap<>(10);
                        for (String url : elements) {
                            if (urlCountMap.containsKey(url)) {
                                long count = urlCountMap.get(url);
                                urlCountMap.put(url, count + 1);
                            } else {
                                urlCountMap.put(url, 1L);
                            }
                        }

                        // 转存为ArrayList
                        ArrayList<Tuple2<String, Long>> mapList = new ArrayList<Tuple2<String, Long>>();
                        for (String key : urlCountMap.keySet()) {
                            mapList.add(Tuple2.of(key, urlCountMap.get(key)));
                        }
                        mapList.sort(new Comparator<Tuple2<String, Long>>() {
                            @Override
                            public int compare(Tuple2<String, Long> o1, Tuple2<String, Long> o2) {
                                return o2.f1.intValue() - o1.f1.intValue();
                            }
                        });

                        // 取排序后的前两名,构建输出结果
                        StringBuilder result = new StringBuilder();
                        result.append("========================================\n");
                        for (int i = 0; i < 2; i++) {
                            Tuple2<String, Long> temp = mapList.get(i);
                            String info = "浏览量 No." + (i + 1) +
                                    "  url:" + temp.f0 +
                                    "  浏览量:" + temp.f1 +
                                    "  窗口结束时间:" + new Timestamp(context.window().getEnd()) + "\n";
                            result.append(info);
                        }
                        result.append("========================================\n");
                        out.collect(result.toString());
                    }
                });
        result.print();
        env.execute();
    }
}

7.4.2 使用KeyedProcessFunction

直接将所有数据放在一个分区上进行开窗操作。这相当于将并行度强行设置为 1,在实际应用中是要尽量避免的。

思路:

(1)读取数据源

(2)提取时间戳并生成水位线

(3)按照url进行keyBy分区

(4)开长度为10s步长为5的滑动窗口

(5)使用增量聚合函数 AggregateFunction,并结合全窗口函数 WindowFunction 进行窗口聚合,得到每个 url、在每个统计窗口内的浏览量,包装成 UrlViewCount

(6)按照窗口进行 keyBy 分区操作

(7)对同一窗口的统计结果数据,使用 KeyedProcessFunction 进行收集并排序输出

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-7iv6fbOt-1693232836517)(第七章处理函数.assets/image-20230406003916609.png)]

java 复制代码
// 自定义增量聚合
public class UrlViewCountAgg implements AggregateFunction<Event, Long, Long> {
    @Override
    public Long createAccumulator() {
        return 0L;
    }

    @Override
    public Long add(Event event, Long accumulator) {
        return accumulator + 1;
    }

    @Override
    public Long getResult(Long accumulator) {
        return accumulator;
    }

    @Override
    public Long merge(Long aLong, Long acc1) {
        return null;
    }
}

便于按窗口统计

java 复制代码
public class UrlViewCount {
    public String url;
    public Long count;
    public Long windowStart;
    public Long windowEnd;

    public UrlViewCount() {
    }

    public UrlViewCount(String url, Long count, Long windowStart, Long windowEnd) {
        this.url = url;
        this.count = count;
        this.windowStart = windowStart;
        this.windowEnd = windowEnd;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "UrlViewCount{" +
                "url='" + url + '\'' +
                ", count=" + count +
                ", windowStart=" + windowStart +
                ", windowEnd=" + windowEnd +
                '}';
    }
}

窗口聚合函数

java 复制代码
public class UrlViewCountResult extends ProcessWindowFunction<Long, UrlViewCount, String, TimeWindow> {
    @Override
    public void process(String url, ProcessWindowFunction<Long, UrlViewCount, String, TimeWindow>.Context context, Iterable<Long> elements, Collector<UrlViewCount> out) throws Exception {
        long start = context.window().getStart();
        long end = context.window().getEnd();
        System.out.println(url);
        System.out.println(elements);
        out.collect(new UrlViewCount(url, elements.iterator().next(), start, end));
    }
}

排序取TopN

java 复制代码
public class TopN extends KeyedProcessFunction<Long, UrlViewCount, String> {
    private Integer n;
    // 定义一个列表状态
    private ListState<UrlViewCount> urlViewCountListState;

    public TopN(Integer n) {
        this.n = n;
    }

    @Override
    public void open(Configuration parameters) throws Exception {
        // 从环境中获取列表状态句柄
        urlViewCountListState = getRuntimeContext().getListState(
                new ListStateDescriptor<UrlViewCount>("url-view-count-list", Types.POJO(UrlViewCount.class)));
    }

    @Override
    public void processElement(UrlViewCount value, KeyedProcessFunction<Long, UrlViewCount, String>.Context ctx, Collector<String> out) throws Exception {
        // 将 count 数据添加到列表状态中,保存起来
        urlViewCountListState.add(value);
        // 注册 window end + 1ms 后的定时器,等待所有数据到齐开始排序
        ctx.timerService().registerEventTimeTimer(ctx.getCurrentKey() + 1);
    }

    @Override
    public void onTimer(long timestamp, KeyedProcessFunction<Long, UrlViewCount, String>.OnTimerContext ctx, Collector<String> out) throws Exception {
        // 将数据从列表状态变量中取出,放入 ArrayList,方便排序
        ArrayList<UrlViewCount> urlViewCountArrayList = new ArrayList<>();
        for (UrlViewCount urlViewCount : urlViewCountListState.get()) {
            urlViewCountArrayList.add(urlViewCount);
        }

        // 清空状态,释放资源
        urlViewCountListState.clear();

        // 排 序
        urlViewCountArrayList.sort(new Comparator<UrlViewCount>(){
            @Override
            public int compare(UrlViewCount o1, UrlViewCount o2) {
                return o2.count.intValue() - o1.count.intValue();
            }
        });

        // 取前两名,构建输出结果
        StringBuilder result = new StringBuilder(); result.append("========================================\n");
        result.append("窗口结束时间:" + new Timestamp(timestamp - 1) + "\n");
        for (int i = 0; i < this.n; i++) {
            UrlViewCount UrlViewCount = urlViewCountArrayList.get(i); String info = "No." + (i + 1) + " "
                    + "url:" + UrlViewCount.url + " "
                    + "浏览量:" + UrlViewCount.count + "\n"; result.append(info);
        } result.append("========================================\n");
        out.collect(result.toString());

    }
}

主方法:

java 复制代码
public class KeyedProcessTopN {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        StreamExecutionEnvironment env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment();
        env.setParallelism(2);

        // 从自定义数据源读取数据
        SingleOutputStreamOperator<Event> eventStream	=	env.addSource(new ClickSource())
                .assignTimestampsAndWatermarks(WatermarkStrategy.<Event>forMonotonousTimestamps()
                        .withTimestampAssigner(new SerializableTimestampAssigner<Event>() {
                            @Override
                            public long extractTimestamp(Event element,	long recordTimestamp) {
                                return element.getTimestamp();
                            }
                        }));

        SingleOutputStreamOperator<UrlViewCount> urlCountStream = eventStream.keyBy(Event::getUrl)
                .window(SlidingEventTimeWindows.of(Time.seconds(10), Time.seconds(5)))
                .aggregate(new UrlViewCountAgg(), new UrlViewCountResult());

        SingleOutputStreamOperator<String> result = urlCountStream.keyBy(data -> data.windowEnd).process(new TopN(2));

        result.print();
        env.execute();

    }
}

其实这里面是可以优化的。每次其实是把所有url------count都会发过来,保存到一个列表状态中。虽然只是一个窗口的,但是如果数据量大的话还是可以优化的。

7.5 侧输出流

处理函数还有另外一个特有功能,就是将自定义的数据放入"侧输出流"(side output)输出。这个概念我们并不陌生,之前在讲到窗口处理迟到数据时,最后一招就是输出到侧输出流。而这种处理方式的本质,其实就是处理函数的侧输出流功能。

我们之前讲到的绝大多数转换算子,输出的都是单一流,流里的数据类型只能有一种。而侧输出流可以认为是"主流"上分叉出的"支流",所以可以由一条流产生出多条流,而且这些流中的数据类型还可以不一样。利用这个功能可以很容易地实现"分流"操作。

具体应用时,只要在处理函数的.processElement()或者.onTimer()方法中,调用上下文的.output()方法就可以了

java 复制代码
DataStream<Integer> stream = env.addSource(...);
SingleOutputStreamOperator<Long> process = eventStream.process(new ProcessFunction<Integer, Long>() {
    @Override
    public void processElement(Integer value, ProcessFunction<Integer, Long>.Context ctx, Collector<Long> out) throws Exception {
        out.collect(Long.valueOf(value));
        ctx.output(outputTag, "side-output: " + value);
    }
});

这里 output()方法需要传入两个参数,第一个是一个"输出标签"OutputTag,用来标识侧输出流,一般会在外部统一声明;第二个就是要输出的数据。

我们可以在外部先将 OutputTag 声明出来

java 复制代码
OutputTag<String> outputTag = new OutputTag<String>("side-output") {};

如果想要获取这个侧输出流,可以基于处理之后的 DataStream 直接调用.getSideOutput() 方法,传入对应的 OutputTag,这个方式与窗口 API 中获取侧输出流是完全一样的。

java 复制代码
DataStream<String> stringStream = longStream.getSideOutput(outputTag);
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