Simple Calculator(简单计算器：算法初阶，代码基础，“纯”手撕)

梦幻精灵_cq2024-09-28 4:09

简单计算器：仅适用无括号加减乘除，算法初阶，代码基础，不调库或模块"纯"手撕。

(笔记模板由python脚本于2024年09月22日 12:08:02创建，本篇笔记适合喜欢用python解决实际问题的coder翻阅)

【学习的细节是欢悦的历程】

**  自学并不是什么神秘的东西** ，一个人一辈子自学的时间总是比在学校学习的时间长，没有老师的时候总是比有老师的时候多。

------ 华罗庚

仅适用没有括号的加减乘除 Simple Calculator (算法初阶代码基础不调库或模块"纯"手撕)

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目 录

  • ◆ Simple Calculator
    • 1、程序说明
    • 2、运行效果
    • 3、代码解读
    • 4、calculate的另一种写法
    • 5、完整源码(Python)

◆ Simple Calculator

1、程序说明

一、概述

这是一个简单的计算器程序，它可以处理没有括号的算式，包括加法、减法、乘法和除法。程序仅支持0和自然数的四则混合运算。用户可以通过输入算式来执行计算，并且可以多次输入算式进行计算。若输入的算式不符合要求，程序会给出相应的错误提示。

二、功能说明

  • 输入验证：确保用户输入的算式只包含数字、四则运算符和小数点，且格式正确。
  • 算式解析：将算式转换为可以处理的列表形式。
  • 算式计算：支持不带括号的四则混合运算，先执行乘除运算，然后执行加减运算。
  • 结果输出：将计算结果输出给用户。
  • 优雅退出：用户输入"00"即可退出程序。

程序的优点在于它的简单性和易用性，用户可以轻松地输入算式并得到结果。

三、使用方法

  • 运行程序。
  • 根据提示输入算式，例如：3+5*2-4/2。
  • 按下回车键进行计算。
  • 查看计算结果，并根据提示继续使用或退出。

四、注意事项

  • 输入的算式不能为空。
  • 算式中只能包含数字、加号（+）、减号（-）、乘号（*）、除号（/）和小数点（.）。
  • 算式末尾必须是数字。
  • 不允许连续的运算符。
  • 算式不可以有连续的符号，如"++"、"-/"、"+*"、"//"等。
  • 每个数值中只能包含一个小数点。

五、错误处理

  • 若输入的算式不符合要求，程序将抛出ValueError错误提示。
  • 用户可根据错误提示修改算式，然后重新输入。

六、程序优势

  • 无需安装第三方库，纯Python实现。
  • 代码结构清晰，易于理解和维护。
  • 具有较好的错误处理机制，提高用户体验。

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2、运行效果

  • 界面

  • 计算

  • 错误输入




  • 退出

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3、代码解读

一、文件头部

python 复制代码 
#!/usr/bin/env python3
# coding: utf-8
  1. #!/sur/bin/nve：指定解释器的路径，此处应为#!/usr/bin/env python3，表示使用Python 3解释器。
  2. # coding: utf-8：指定源文件编码为UTF-8，以支持中文等非ASCII字符。

二、程序结构

  1. validate_input(s:str) -> bool：输入验证函数，用于检查用户输入的算式是否合法。
  2. calculate(s:str) -> float：计算函数，用于解析并计算用户输入的算式。
  3. calculator(s:str) -> float：计算器主函数，调用validate_input和calculate函数，返回计算结果。
  4. main() -> None：程序主入口，提供用户交互界面，循环接收用户输入并进行计算。

三、函数说明

  • split_expression
python 复制代码 
def split_expression(s:str) -> list:
    ''' 拆分算式 '''
    return s.replace('+', ' + ').replace('-', ' - ').replace('*', ' * ').replace('/', ' / ').split()
  1. validate_input(s:str) -> bool.
python 复制代码 
def validate_input(s:str) -> bool:
    ''' 输入验证 '''

    # expression空验证
    if not s:
        raise ValueError(f"\n{f' 算式不可为空 ':-^36}\n")    

    # 字符有效验证
    chars = tuple('0123456789+-/*.')
    for char in s:
        if char not in chars:
            raise ValueError(f"\n{f' 错误字符：{char} ':-^35}\n") 

    s = split_expression(s) # 拆分算式成列表

    # expression末尾验证
    if not s[-1][-1].isdigit():
        raise ValueError(f"\n{f' 算式末尾不可以是：{s[-1]} ':-^31}\n")    

    # 数值小数点、连续运算符、零除验证
    if s[0].count('.') > 1:
        raise ValueError(f"\n{f' "{s[0]}"小数点错误 ':-^37}\n") 
    for i in range(1, len(s)):
        if not s[i-1].replace('.', '').isdigit() and not s[i].replace('.', '').isdigit():
            raise ValueError(f"\n{f' 算式不可以有连续符号：{s[i-1]}{s[i]} ':-^30}\n") 
        elif s[i].count('.') > 1:
            raise ValueError(f"\n{f' "{s[i]}"小数点错误 ':-^37}\n") 
        elif s[i]=='/' and set(s[i+1].replace('.', ''))=={'0'}:
            raise ValueError(f"\n{f' 零除错误 ':-^36}\n") 
    
    return True
  • 验证用户输入的算式是否合法。
  • 验证输入的算式是否为空。
  • 验证算式中的字符是否有效。
  • 将算式转换为列表，方便后续处理。
  • 验证算式末尾是否为数字。
  • 验证每个数值的小数点数量和连续符号。
  • 验证零除错误。
  1. calculate(s:str) -> float
python 复制代码 
def calculate(s:str) -> float:
    ''' 算式解析并计算 '''
    numbers = [] # 数值
    signs = [] # 运算符
    local_num = '' # 当前数值

    # 拆分算式
    for char in s:
        if char.isdigit() or char=='.':
            local_num += char
        else:
            numbers.append(float(local_num))
            signs.append(char)
            local_num = ''

    numbers.append(float(local_num)) # 追加最后一个数值

    # 计算乘除
    newnumbers = numbers[:1]
    for i in range(1, len(numbers)):
        if signs[i-1] == '*':
            newnumbers[-1] = newnumbers[-1] * numbers[i]
            signs[i-1] = ''
        elif signs[i-1] == '/':
            newnumbers[-1] = newnumbers[-1] /numbers[i]
            signs[i-1] = ''
        else:
            newnumbers.append(numbers[i])
    signs = [sign for sign in signs if sign] # 更新运算符列表

    # 处理+、-符号：列表解析，用前插空字符对齐运算符与数值列表，遍历zip拼接"运算符-数值"对，更新到newnumbers
    newnumbers = [float(f"{number[0]}{number[1]}") for number in zip(['']+signs, newnumbers)]
    return sum(newnumbers) # 求和（加）并返回
  • 首先将算式拆分为数字和运算符两个列表。
  • 然后优先计算乘法和除法。
  • 然后处理加法和减法，将减法转换为加法（例如，5 - 3转换为5 + (-3)）。
  • 最后对处理后的数字列表求和，得到最终结果。
  1. calculator(s:str) -> float
python 复制代码 
def calculator(s:str) -> float:
    ''' 计算器 '''
    result = calculate(s) # 调用计算解析函数
    return int(result) if round(result) == result else result # 结果是整，去尾0
  • 调用validate_input进行输入验证。
  • 调用calculate进行算式计算。
  • 返回计算结果，若结果为整数则转换为整数类型。
  1. main() -> None
python 复制代码 
def main() -> None:
    ''' 主程序 '''
    while True:
        clear = '\033[2J' # 清屏字符串（windows系统低版本不支持）
        print(f"\n{clear}")        
        text = input(f"\n{' 简单计算器 ':=^37}\n{'（不带括号的四则运算，输入00退出）':^26}\n\n\n{' 回车确认执行计算 ':-^34}\n\n{'输入算式：':>7}").strip()

        if text == '00':
            print(f"{clear}\n{' 您已退出"简单计算器"！':^33}\n\n{f' 谢谢您使用"简单计算器"。':-^31}\n")
            break # break更优雅

        validate_input(text) # 输入验证
        result = calculator(text) # 计算表达式
        input(f"\n\n{'结果：':>9}{result}\n\n\n{'':=^42}\n{'（任意键继续......）':^35}")
  • 提供用户交互界面，允许用户输入算式。
  • 调用 validate_input 函数验证输入。
  • 调用 calculator 函数计算算式。
  • 输出计算结果。
  • 循环接收用户输入，直到用户输入"00"退出。

四、程序入口

  • 入口
python 复制代码 
if __name__ == '__main__':
    try:
        main()  # 启动主程序
    except ValueError as e:
        print(e)  # 打印错误信息
  1. 程序入口为if __name__ == '__main__':块，确保当模块被直接运行时，main()函数会被调用。
  2. 使用try...except语句块捕获并处理ValueError异常，提高程序的健壮性。

这个程序的逻辑清晰，代码简洁，易于理解和维护。通过这个简单的计算器，用户可以快速进行基本的数学运算。

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4、calculate的另一种写法

python 复制代码 
def calculate(s:str) -> float:
    ''' 算式解析并计算 '''
    s = [float(part) if part.replace('.', '').isdigit() else part for part in split_expression(s)] # 三元操作语句列表解析数值

    # 算乘除
    k = 1
    while k < len(s)-1:
        if s[k] == '*':
            s[k-1] = s[k-1]*s.pop(k+1) # 用积重写乘号前数值
            s.pop(k) # 删除乘号
        elif s[k] == '/':
            s[k-1] = s[k-1]/s.pop(k+1) # 用商重写乘号前数值
            s.pop(k) # 删除乘号
        else:
            k += 1 # 跳过加减运算符和数值

    # 算加减
    k = 1
    while k < len(s)-1:
        if s[k] == '+':
            s[k-1] = s[k-1] + s.pop(k+1) # 用和重写加号前数值
            s.pop(k) # 删除加号
        elif s[k] == '-':
            s[k-1] = s[k-1]- s.pop(k+1) # 用和重写加号前数值
            s.pop(k) # 删除减号
        else:
            k += 1 # 跳过数值

    return s[0] # 返回计算结果

ai点评：

两个calculate函数的实现都有其独特之处，下面是对它们的重新评估：

第一个calculate函数：

优点：

  1. 逻辑清晰：首先处理乘除，然后处理加减，符合数学运算的优先级规则。
  2. 易于理解：通过两个步骤分别处理不同的运算符，使得代码结构更加清晰。
  3. 错误处理：在处理乘除时，如果遇到乘号或除号，会正确地更新列表中的数值，并移除运算符。

缺点：

  1. 效率：需要两次遍历列表，一次处理乘除，一次处理加减。
  2. 代码量：相对较长，因为分步骤处理。

第二个calculate函数：

优点：

  1. 代码简洁：使用单次遍历和列表解析，代码量更少。
  2. 效率：在一次遍历中完成乘除运算，减少了遍历次数。
  3. 直接操作：直接在原列表上操作，减少了额外的数据结构使用。

缺点：

  1. 可读性：由于代码较为紧凑，可能不如第一个实现容易理解。
  2. 错误处理：在处理运算符时，如果列表操作不当，可能会导致索引错误。

总结：

  • 如果你的目标是编写一个易于理解和维护的代码，第一个calculate函数可能更适合。
  • 如果你追求代码的简洁性和效率，第二个calculate函数可能更符合你的需求。

两个实现都是有效的，并且都可以作为学习笔记中的示例。选择哪一个取决于你的个人偏好和你对代码质量的要求。如果你想要一个更加平衡的方案，可以考虑结合两个实现的优点，创建一个既高效又易于理解的版本。

我个人倾向于第二个实现，因为它更加简洁，并且在现代编程中，效率往往是一个重要的考虑因素。不过，确保你的代码有充分的注释，以提高可读性。

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5、完整源码(Python)

(源码较长，点此跳过源码)

涅槃版

python 复制代码 
#!/sur/bin/nve python3
# coding: utf-8


'''

简单计算器：处理没有括号的+-*/算式，可以实现四则混合运算仅支持0和自然数。

程序不调用库和模块，纯代码手撕。


'''


def split_expression(s:str) -> list:
    ''' 拆分算式 '''
    return s.replace('+', ' + ').replace('-', ' - ').replace('*', ' * ').replace('/', ' / ').split()


def validate_input(s:str) -> bool:
    ''' 输入验证 '''

    # expression空验证
    if not s:
        raise ValueError(f"\n{f' 算式不可为空 ':-^36}\n")    

    # 字符有效验证
    chars = tuple('0123456789+-/*.')
    for char in s:
        if char not in chars:
            raise ValueError(f"\n{f' 错误字符：{char} ':-^35}\n") 

    s = split_expression(s) # 拆分算式成列表

    # expression末尾验证
    if not s[-1][-1].isdigit():
        raise ValueError(f"\n{f' 算式末尾不可以是：{s[-1]} ':-^31}\n")    

    # 数值小数点、连续运算符、零除验证
    if s[0].count('.') > 1:
        raise ValueError(f"\n{f' "{s[0]}"小数点错误 ':-^37}\n") 
    for i in range(1, len(s)):
        if not s[i-1].replace('.', '').isdigit() and not s[i].replace('.', '').isdigit():
            raise ValueError(f"\n{f' 算式不可以有连续符号：{s[i-1]}{s[i]} ':-^30}\n") 
        elif s[i].count('.') > 1:
            raise ValueError(f"\n{f' "{s[i]}"小数点错误 ':-^37}\n") 
        elif s[i]=='/' and set(s[i+1].replace('.', ''))=={'0'}:
            raise ValueError(f"\n{f' 零除错误 ':-^36}\n") 
    
    return True


def calculate(s:str) -> float:
    ''' 算式解析并计算 '''
    numbers = [] # 数值
    signs = [] # 运算符
    local_num = '' # 当前数值

    # 拆分算式
    for char in s:
        if char.isdigit() or char=='.':
            local_num += char
        else:
            numbers.append(float(local_num))
            signs.append(char)
            local_num = ''

    numbers.append(float(local_num)) # 追加最后一个数值

    # 计算乘除
    newnumbers = numbers[:1]
    for i in range(1, len(numbers)):
        if signs[i-1] == '*':
            newnumbers[-1] = newnumbers[-1] * numbers[i]
            signs[i-1] = ''
        elif signs[i-1] == '/':
            newnumbers[-1] = newnumbers[-1] /numbers[i]
            signs[i-1] = ''
        else:
            newnumbers.append(numbers[i])
    signs = [sign for sign in signs if sign] # 更新运算符列表

    # 处理+、-符号：列表解析，用前插空字符对齐运算符与数值列表，遍历zip拼接"运算符-数值"对，更新到newnumbers
    newnumbers = [float(f"{number[0]}{number[1]}") for number in zip(['']+signs, newnumbers)]
    return sum(newnumbers) # 求和（加）并返回


def calculate(s:str) -> float:
    ''' 算式解析并计算 '''
    s = [float(part) if part.replace('.', '').isdigit() else part for part in split_expression(s)] # 三元操作语句列表解析数值

    # 算乘除
    k = 1
    while k < len(s)-1:
        if s[k] == '*':
            s[k-1] = s[k-1]*s.pop(k+1) # 用积重写乘号前数值
            s.pop(k) # 删除乘号
        elif s[k] == '/':
            s[k-1] = s[k-1]/s.pop(k+1) # 用商重写乘号前数值
            s.pop(k) # 删除乘号
        else:
            k += 1 # 跳过加减运算符和数值

    # 算加减
    k = 1
    while k < len(s)-1:
        if s[k] == '+':
            s[k-1] = s[k-1] + s.pop(k+1) # 用和重写加号前数值
            s.pop(k) # 删除加号
        elif s[k] == '-':
            s[k-1] = s[k-1]- s.pop(k+1) # 用和重写加号前数值
            s.pop(k) # 删除减号
        else:
            k += 1 # 跳过数值

    return s[0] # 返回计算结果


def calculator(s:str) -> float:
    ''' 计算器 '''
    result = calculate(s) # 调用计算解析函数
    return int(result) if round(result) == result else result # 结果是整，去尾0


def main() -> None:
    ''' 主程序 '''
    while True:
        clear = '\033[2J' # 清屏字符串（windows系统低版本不支持）
        print(f"\n{clear}")        
        text = input(f"\n{' 简单计算器 ':=^37}\n{'（不带括号的四则运算，输入00退出）':^26}\n\n\n{' 回车确认执行计算 ':-^34}\n\n{'输入算式：':>7}").strip()

        if text == '00':
            print(f"{clear}\n{' 您已退出"简单计算器"！':^33}\n\n{f' 谢谢您使用"简单计算器"。':-^31}\n")
            break # break更优雅

        validate_input(text) # 输入验证
        result = calculator(text) # 计算表达式
        input(f"\n\n{'结果：':>9}{result}\n\n\n{'':=^42}\n{'（任意键继续......）':^35}") 


if __name__ == '__main__':
    try:
        main() # 启动主程序
    except ValueError as e:
        print(e)

雏形版

python 复制代码 
#!/sur/bin/nve python3
# coding: utf-8


'''

简单计算器：处理没有括号的+-*/算式，可以实现四则混合运算仅支持0和自然数。

程序不调用库和模块，纯代码手撕。


'''


def validate_input(s:str) -> bool:
    ''' 输入验证 '''
    # expression空验证
    if not s:
        raise ValueError(f"\n{f' 算式不可为空 ':-^36}\n")    

    # 字符有效验证
    chars = tuple('0123456789+-/*.')
    for char in s:
        if char not in chars:
            raise ValueError(f"\n{f' 错误字符：{char} ':-^35}\n") 

    # expression末尾验证
    if not s[-1].isdigit():
        raise ValueError(f"\n{f' 算式末尾不可以是：{s[-1]} ':-^31}\n")    

    # 连续符号验证（用的是str.isdigit方法判定算式中的相邻两个字符）
    for i in range(1, len(s)):
        if not s[i-1].isdigit() and not s[i].isdigit():
            raise ValueError(f"\n{f' 算式不可以有连续符号：{s[i-1]}{s[i]} ':-^30}\n") 
    
    # 数值小数点验证：用str.count方法计数数值字符小数点。
    # 用空格替换加减乘除字符后，再用str.split拆分列表来对数值字符串预处理。
    for number in s.replace('+', ' ').replace('-', ' ').replace('*', ' ').replace('/', ' ').split():
        if number.count('.') > 1:
            raise ValueError(f"\n{f' "{number}"小数点错误。 ':-^36}\n") 

    return True


def calculate(s:str) -> float:
    ''' 算式解析并计算 '''
    numbers = [] # 数值
    signs = [] # 运算符
    local_num = '' # 当前数值

    # 拆分算式
    for char in s:
        if char.isdigit() or char=='.':
            local_num += char
        else:
            numbers.append(float(local_num))
            signs.append(char)
            local_num = ''

    numbers.append(float(local_num)) # 追加最后一个数值

    # 计算乘除
    newnumbers = numbers[:1]
    for i in range(1, len(numbers)):
        if signs[i-1] == '*':
            newnumbers[-1] = newnumbers[-1] * numbers[i]
            signs[i-1] = ''
        elif signs[i-1] == '/':
            newnumbers[-1] = newnumbers[-1] /numbers[i]
            signs[i-1] = ''
        else:
            newnumbers.append(numbers[i])
    signs = [sign for sign in signs if sign] # 更新运算符列表

    # 处理+、-符号：列表解析，用前插空字符对齐运算符与数值列表，遍历zip拼接"运算符-数值"对，更新到newnumbers
    newnumbers = [float(f"{number[0]}{number[1]}") for number in zip(['']+signs, newnumbers)]
    return sum(newnumbers) # 求和（加）并返回


def calculator(s:str) -> float:
    ''' 计算器 '''
    result = calculate(s) # 调用计算解析函数
    return int(result) if int(result) == result else result # 结果是整，去尾0


def main() -> None:
    ''' 主程序 '''
    while True:
        clear = '\033[2J' # 清屏字符串（windows系统低版本不支持）
        print(f"\n{clear}")        
        text = input(f"\n{' 简单计算器 ':=^37}\n{'（不带括号的四则运算，输入00退出）':^26}\n\n\n{' 回车确认执行计算 ':-^34}\n\n{'输入算式：':>7}").strip()

        if text == '00':
            print(f"{clear}\n{' 您已退出"简单计算器"！':^33}\n\n{f' 谢谢您使用"简单计算器"。':-^31}\n")
            break # break更优雅

        validate_input(text) # 输入验证
        result = calculator(text) # 计算表达式
        input(f"\n\n{'结果：':>7}{result}\n\n\n{'':=^42}\n{'（任意键继续......）':^35}") 


if __name__ == '__main__':
    try:
        main() # 启动主程序
    except ValueError as e:
        print(e)

修正版

python 复制代码 
#!/sur/bin/nve python3
# coding: utf-8


'''

简单计算器：处理没有括号的+-*/算式，可以实现四则混合运算仅支持0和自然数。

程序不调用库和模块，纯代码手撕。


'''


def validate_input(s:str) -> bool:
    ''' 输入验证 '''
    # expression空验证
    if not s:
        raise ValueError(f"\n{f' 算式不可为空 ':-^36}\n")    

    # 字符有效验证
    chars = tuple('0123456789+-/*.')
    for char in s:
        if char not in chars:
            raise ValueError(f"\n{f' 错误字符：{char} ':-^35}\n") 

    # expression末尾验证
    if not s[-1].isdigit():
        raise ValueError(f"\n{f' 算式末尾不可以是：{s[-1]} ':-^31}\n")    

    # 连续符号验证（用的是str.isdigit方法判定算式中的相邻两个字符）
    for i in range(1, len(s)):
        if not s[i-1].isdigit() and not s[i].isdigit():
            raise ValueError(f"\n{f' 算式不可以有连续符号：{s[i-1]}{s[i]} ':-^30}\n") 
    
    # 数值小数点验证：用str.count方法计数数值字符小数点。
    # 用空格替换加减乘除字符后，再用str.split拆分列表来对数值字符串预处理。
    for number in s.replace('+', ' ').replace('-', ' ').replace('*', ' ').replace('/', ' ').split():
        if number.count('.') > 1:
            raise ValueError(f"\n{f' "{number}"小数点错误。 ':-^36}\n") 

    return True


def calculate(s:str) -> float:
    ''' 算式解析并计算 '''
    numbers = [] # 数值
    signs = [] # 运算符
    local_num = '' # 当前数值

    # 拆分算式
    for char in s:
        if char.isdigit() or char=='.':
            local_num += char
        else:
            numbers.append(float(local_num))
            signs.append(char)
            local_num = ''

    numbers.append(float(local_num)) # 追加最后一个数值

    # 计算乘除
    newnumbers = numbers[:1]
    for i in range(1, len(numbers)):
        if signs[i-1] == '*':
            newnumbers[-1] = newnumbers[-1] * numbers[i]
            signs[i-1] = ''
        elif signs[i-1] == '/':
            newnumbers[-1] = newnumbers[-1] /numbers[i]
            signs[i-1] = ''
        else:
            newnumbers.append(numbers[i])
    signs = [sign for sign in signs if sign] # 更新运算符列表

    # 处理+、-符号：列表解析，用前插空字符对齐运算符与数值列表，遍历zip拼接"运算符-数值"对，更新到newnumbers
    newnumbers = [float(f"{number[0]}{number[1]}") for number in zip(['']+signs, newnumbers)]
    return sum(newnumbers) # 求和（加）并返回


def calculator(s:str) -> float:
    ''' 计算器 '''
    result = calculate(s) # 调用计算解析函数
    return int(result) if int(result) == result else result # 结果是整，去尾0


def main() -> None:
    ''' 主程序 '''
    while True:
        clear = '\033[2J' # 清屏字符串（windows系统低版本不支持）
        print(f"\n{clear}")        
        text = input(f"\n{' 简单计算器 ':=^37}\n{'（不带括号的四则运算，输入00退出）':^26}\n\n\n{' 回车确认执行计算 ':-^34}\n\n{'输入算式：':>7}").strip()

        if text == '00':
            print(f"{clear}\n{' 您已退出"简单计算器"！':^33}\n\n{f' 谢谢您使用"简单计算器"。':-^31}\n")
            break # break更优雅

        validate_input(text) # 输入验证
        result = calculator(text) # 计算表达式
        input(f"\n\n{'结果：':>7}{result}\n\n\n{'':=^42}\n{'（任意键继续......）':^35}") 


if __name__ == '__main__':
    try:
        main() # 启动主程序
    except ValueError as e:
        print(e)

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