可取消的异步任务——FutureTask用法及解析 -
FutureTask的用法。
开发中我遇到的问题。
结合FutureTask的源码分析问题。
1. FutureTask的用法
在Java中，一般是通过继承Thread类或者实现Runnable接口来创建多线程，Runnable接口不能返回结果，如果要获取子线程的执行结果，一般都是在子线程执行结束之后，通过Handler将结果返回到调用线程，jdk1.5之后，Java提供了Callable接口来封装子任务，Callable接口可以获取返回结果。
与FutureTask相关的类或接口，有Runnable，Callable，Future，直接从Callable开始。
Callable接口
下面可以看一下Callable接口的定义：
publicinterfaceCallable{/** * Computes a result, or throws an exception if unable to do so. * *@returncomputed result *@throwsException if unable to compute a result */Vcall()throwsException;}
Callable接口很简单，是一个泛型接口，就是定义了一个call()方法，与Runnable的run()方法相比，这个有返回值，泛型V就是要返回的结果类型，可以返回子任务的执行结果。
Future接口
Future接口表示异步计算的结果，通过Future接口提供的方法，可以很方便的查询异步计算任务是否执行完成，获取异步计算的结果，取消未执行的异步任务，或者中断异步任务的执行，接口定义如下：
publicinterfaceFuture{booleancancel(booleanmayInterruptIfRunning);booleanisCancelled();booleanisDone();Vget()throwsInterruptedException, ExecutionException;Vget(longtimeout, TimeUnit unit)throwsInterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;}
cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：取消子任务的执行，如果这个子任务已经执行结束，或者已经被取消，或者不能被取消，这个方法就会执行失败并返回false；如果子任务还没有开始执行，那么子任务会被取消，不会再被执行；如果子任务已经开始执行了，但是还没有执行结束，根据mayInterruptIfRunning的值，如果mayInterruptIfRunning = true，那么会中断执行任务的线程，然后返回true，如果参数为false，会返回true，不会中断执行任务的线程。这个方法在FutureTask的实现中有很多值得关注的地方，后面再细说。
需要注意，这个方法执行结束，返回结果之后，再调用isDone()会返回true。
isCancelled()，判断任务是否被取消，如果任务执行结束（正常执行结束和发生异常结束，都算执行结束）前被取消，也就是调用了cancel()方法，并且cancel()返回true，则该方法返回true，否则返回false.
isDone():判断任务是否执行结束，正常执行结束，或者发生异常结束，或者被取消，都属于结束，该方法都会返回true.
V get():获取结果，如果这个计算任务还没有执行结束，该调用线程会进入阻塞状态。如果计算任务已经被取消，调用get()会抛出CancellationException，如果计算过程中抛出异常，该方法会抛出ExecutionException，如果当前线程在阻塞等待的时候被中断了，该方法会抛出InterruptedException。
V get(long timeout, TimeUnit unit)：带超时限制的get()，等待超时之后，该方法会抛出TimeoutException。
FutureTask
FutureTask可以像Runnable一下，封装异步任务，然后提交给Thread或线程池执行，然后获取任务执行结果。原因在于FutureTask实现了RunnableFuture接口，RunnableFuture是什么呢，其实就是Runnable和Callable的结合，它继承自Runnable和Callable。继承关系如下：
publicclassFutureTaskimplementsRunnableFuture{publicinterfaceRunnableFutureextendsRunnable,Future{
FutureTask使用
FutureTask + Thread
上面介绍过，FutureTask有Runnable接口和Callable接口的特征，可以被Thread执行。
//step1:封装一个计算任务，实现Callable接口 classTaskimplementsCallable{@OverridepublicBooleancall()throwsException{try{for(inti =0; i <10; i++) { Log.d(TAG,"task......."+ Thread.currentThread().getName() +"...i = "+ i);//模拟耗时操作Thread.sleep(100); } }catch(InterruptedException e) { Log.e(TAG," is interrupted when calculating, will stop...");returnfalse;// 注意这里如果不return的话，线程还会继续执行，所以任务超时后在这里处理结果然后返回}returntrue; }}//step2:创建计算任务，作为参数，传入FutureTaskTask task =newTask();FutureTask futureTask =newFutureTask(task);//step3:将FutureTask提交给Thread执行Thread thread1 =newThread(futureTask);thread1.setName("task thread 1");thread1.start();//step4:获取执行结果，由于get()方法可能会阻塞当前调用线程，如果子任务执行时间不确定，最好在子线程中获取执行结果try{// boolean result = (boolean) futureTask.get();booleanresult = (boolean) futureTask.get(5, TimeUnit.SECONDS); Log.d(TAG,"result:"+ result);}catch(InterruptedException e) { Log.e(TAG,"守护线程阻塞被打断..."); e.printStackTrace();}catch(ExecutionException e) { Log.e(TAG,"执行任务时出错..."); e.printStackTrace();}catch(TimeoutException e) { Log.e(TAG,"执行超时..."); futureTask.cancel(true); e.printStackTrace();}catch(CancellationException e) {//如果线程已经cancel了，再执行get操作会抛出这个异常Log.e(TAG,"future已经cancel了..."); e.printStackTrace();}
Future + ExecutorService
//step1 ......//step2:创建计算任务Task task =newTask();//step3:创建线程池，将Callable类型的task提交给线程池执行，通过Future获取子任务的执行结果ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();finalFuture future = executorService.submit(task);//step4：通过future获取执行结果booleanresult = (boolean) future.get();
FutureTask + ExecutorService
//step1 ......//step2 ......//step3:将FutureTask提交给线程池执行ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();executorService.execute(futureTask);//step4 ......
2. 开发中我遇到的问题。
FutureTask使用还是比较简单的，FutureTask与Runnable，最大的区别有两个，一个是可以获取执行结果，另一个是可以取消，使用方法可以参考以上步骤，不过我在项目中使用FutureTask出现了以下两个问题：
有的情况下，使用futuretask.cancel(true)方法并不能真正的结束子任务执行。
FutureTask的get(long timeout, TimeUnit unit)方法，是等待timeout时间后，获取子线程的执行结果，但是如果子任务执行结束了，但是超时时间还没有到，这个方法也会返回结果。
3. 结合FutureTask的源码分析问题。
成员变量
下面，结合FutureTask的源码，分析一下以上两个问题。在此之前，先看一下FutureTask内部比较值得关注的几个成员变量。
private volatile int state，state用来标识当前任务的运行状态。FutureTask的所有方法都是围绕这个状态进行的，需要注意，这个值用volatile（易变的）来标记，如果有多个子线程在执行FutureTask，那么它们看到的都会是同一个state，有如下几个值：
privatevolatileintstate;privatestaticfinalintNEW =0;privatestaticfinalintCOMPLETING =1;privatestaticfinalintNORMAL =2;privatestaticfinalintEXCEPTIONAL =3;privatestaticfinalintCANCELLED =4;privatestaticfinalintINTERRUPTING =5;privatestaticfinalintINTERRUPTED =6;
NEW：表示这是一个新的任务，或者还没有执行完的任务，是初始状态。
COMPLETING：表示任务执行结束（正常执行结束，或者发生异常结束），但是还没有将结果保存到outcome中。是一个中间状态。
NORMAL：表示任务正常执行结束，并且已经把执行结果保存到outcome字段中。是一个最终状态。
EXCEPTIONAL：表示任务发生异常结束，异常信息已经保存到outcome中，这是一个最终状态。
CANCELLED：任务在新建之后，执行结束之前被取消了，但是不要求中断正在执行的线程，也就是调用了cancel(false)，任务就是CANCELLED状态，这时任务状态变化是NEW -> CANCELLED。
INTERRUPTING：任务在新建之后，执行结束之前被取消了，并要求中断线程的执行，也就是调用了cancel(true)，这时任务状态就是INTERRUPTING。这是一个中间状态。
INTERRUPTED：调用cancel(true)取消异步任务，会调用interrupt()中断线程的执行，然后状态会从INTERRUPTING变到INTERRUPTED。
状态变化有如下4种情况：
NEW -> COMPLETING -> NORMAL --------------------------------------- 正常执行结束的流程
NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL ---------------------执行过程中出现异常的流程
NEW -> CANCELLED -------------------------------------------被取消，即调用了cancel(false)
NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED -------------被中断，即调用了cancel(true)
private Callable
private Object outcome，Object类型的变量outcome，用来保存计算任务的返回结果，或者执行过程中抛出的异常。
private volatile Thread runner，指向当前在运行Callable任务的线程，runner在FutureTask中的赋值变化很值得关注，后面源码会详细介绍这个。
private volatile WaitNode waiters，WaitNode是FutureTask的内部类，表示一个阻塞队列，如果任务还没有执行结束，那么调用get()获取结果的线程会阻塞，在这个阻塞队列中排队等待。
成员函数
下面从构造函数说起，看一下FutureTask的源码。
1. 构造函数
publicFutureTask(Callable
FutureTask的第一个构造函数，参数是Callable类型的变量。将传入的参数赋值给this.callable，然后设置state状态为NEW，表示这是新任务。
publicFutureTask(Runnable runnable, V result){this.callable = Executors.callable(runnable, result);this.state = NEW;// ensure visibility of callable}
FutureTask还有一个构造函数，接收Runnable类型的参数，通过Executors.callable(runnable, result)将传入的Runnable和result转换成Callable类型。使用该构造方法，可以定制返回结果。
publicstaticCallablecallable(Runnable task, T result){if(task ==null)thrownewNullPointerException();returnnewRunnableAdapter(task, result);}
可以看一下Executors.callable(runnable, result)方法，这里通过适配器模式进行适配，创建一个RunnableAdapter适配器。
privatestaticfinalclassRunnableAdapterimplementsCallable{privatefinalRunnable task;privatefinalT result; RunnableAdapter(Runnable task, T result) {this.task = task;this.result = result; }publicTcall(){ task.run();returnresult; }}
RunnableAdapter是Executors的内部类，实现也比较简单，实现了适配对象Callable接口，在call()方法中执行Runnable的run()，然后返回result。
2. 任务被执行——run()
FutureTask封装了计算任务，无论是提交给Thread执行，或者线程池执行，调用的都是FutureTask的run()。
publicvoidrun(){//1.判断状态是否是NEW，不是NEW，说明任务已经被其他线程执行，甚至执行结束，或者被取消了，直接返回//2.调用CAS方法，判断RUNNER为null的话，就将当前线程保存到RUNNER中，设置RUNNER失败，就直接返回if(state != NEW || !U.compareAndSwapObject(this, RUNNER,null, Thread.currentThread()))return;try{ Callable c = callable;if(c !=null&& state == NEW) { V result;booleanran;try{//3.执行Callable任务，结果保存到result中result = c.call(); ran =true; }catch(Throwable ex) {//3.1 如果执行任务过程中发生异常，将调用setException()设置异常result =null; ran =false; setException(ex); }//3.2 任务正常执行结束调用set(result)保存结果if(ran) set(result); } }finally{// runner must be non-null until state is settled to// prevent concurrent calls to run()//4. 任务执行结束，runner设置为null，表示当前没有线程在执行这个任务了runner =null;// state must be re-read after nulling runner to prevent// leaked interrupts//5. 读取状态，判断是否在执行的过程中，被中断了，如果被中断，处理中断ints = state;if(s >= INTERRUPTING) handlePossibleCancellationInterrupt(s); }}
首先，判断state的值是不是NEW，如果不是NEW，说明线程已经被执行了，可能已经执行结束，或者被取消了，直接返回。
这里其实是调用了Unsafe的CAS方法，读取并设置runner的值，将当前线程保存到runner中，表示当前正在执行任务的线程。可以看到，这里设置的其实是RUNNER，和前面介绍的Thread类型的runner变量不一样的，那为什么还说设置的是runner的值？RUNNER在FutureTask中定义如下：
privatestaticfinallongRUNNER;//RUNNER是一个long类型的变量，指向runner字段的偏移地址，相当于指针RUNNER = U.objectFieldOffset (FutureTask.class.getDeclaredField("runner"));
关于Unsafe的CAS方法，简单介绍一下，它提供了一种对runner进行原子操作的方法，原子操作，意味着，这个操作不会被打断。runner被volatile字段修饰，只能保证，当多个子线程在执行FutureTask的时候，它们读取到的runner的值是同一个，但是不能保证原子操作，所以很容易读到脏数据（举个例子：线程A准备对runner进行读和写操作，读取到runner的值为null，这是，cpu切换执行线程B，线程B读取到runner的值也是null，然后又切换到线程A执行，线程A对runner赋值thread-A，此时runner的值已经不再是null，线程B读取到的runner=null就是脏数据），用Unsafe的CAS方法，来对runner进行读写，就能保证原子操作。多个线程访问run()方法时，会在这里同步。
读取callable变量，执行call()，并获取执行结果。
如果执行call()的过程中发生异常，就调用setException()设置异常，setException()定义如下：
protectedvoidsetException(Throwable t){if(U.compareAndSwapInt(this, STATE, NEW, COMPLETING)) { outcome = t; U.putOrderedInt(this, STATE, EXCEPTIONAL);// final statefinishCompletion(); }}//a. 调用Unsafe的CAS方法，state从NEW --> COMPLETING，这里的STATE和上面的RUNNER定义类似，指向state字段的偏移地址。//b. 将异常信息保存到outcome字段，state变成EXCEPTIONAL。//c. 调用finishCompletion()。//NEW --> COMPLETING --> EXCEPTIONAL。
如果任务正常执行结束，就调用set(result)保存结果，定义如下：
protectedvoidset(V v){if(U.compareAndSwapInt(this, STATE, NEW, COMPLETING)) { outcome = v; U.putOrderedInt(this, STATE, NORMAL);// final statefinishCompletion(); }}//a. 和setException()类似，state从NEW --> COMPLETING。//b. 将正常执行的结果result保存到outcome，state变成NORMAL。//c. 调用finishCompletion()。NEW --> COMPLETING --> NORMAL。
任务执行结束，runner设置为null，表示当前没有线程在执行这个任务了。
读取state状态，判断是否在执行的过程中被中断了，如果被中断，处理中断，看一下这个中断处理：
privatevoidhandlePossibleCancellationInterrupt(ints){// It is possible for our interrupter to stall before getting a// chance to interrupt us. Let's spin-wait patiently.if(s == INTERRUPTING)while(state == INTERRUPTING) Thread.yield();// wait out pending interrupt}
如果状态是INTERRUPTING，表示正在被中断，这时就让出线程的执行权，给其他线程来执行。
3. 获取任务的执行结果——get()
一般情况下，执行任务的线程和获取结果的线程不会是同一个，当我们在主线程或者其他线程中，获取计算任务的结果时，就会调用get方法，如果这时计算任务还没有执行完成，调用get()的线程就会阻塞等待。get()实现如下：
publicVget()throwsInterruptedException, ExecutionException{ints = state;if(s <= COMPLETING) s = awaitDone(false,0L);returnreport(s);}
读取任务的执行状态 state ，如果state <= COMPLETING，说明线程还没有执行完（run()中可以看到，只有任务执行结束，或者发生异常的时候，state才会被设置成COMPLETING）。
调用awaitDone(false, 0L)，进入阻塞状态。看一下awaitDone(false, 0L)的实现：
privateintawaitDone(booleantimed,longnanos)throwsInterruptedException{longstartTime =0L;// Special value 0L means not yet parkedWaitNode q =null;booleanqueued =false;for(;;) {//1. 读取状态//1.1 如果s > COMPLETING，表示任务已经执行结束，或者发生异常结束了，就不会阻塞，直接返回ints = state;if(s > COMPLETING) {if(q !=null) q.thread =null;returns; }//1.2 如果s == COMPLETING，表示任务结束(正常/异常)，但是结果还没有保存到outcome字段，当前线程让出执行权，给其他线程先执行elseif(s == COMPLETING)// We may have already promised (via isDone) that we are done// so never return empty-handed or throw InterruptedExceptionThread.yield();//2. 如果调用get()的线程被中断了，就从等待的线程栈中移除这个等待节点，然后抛出中断异常elseif(Thread.interrupted()) { removeWaiter(q);thrownewInterruptedException(); }//3. 如果等待节点q=null,就创建一个等待节点elseif(q ==null) {if(timed && nanos <=0L)returns; q =newWaitNode(); }//4. 如果这个等待节点还没有加入等待队列，就加入队列头elseif(!queued) queued = U.compareAndSwapObject(this, WAITERS, q.next = waiters, q);//5. 如果设置了超时等待时间elseif(timed) {//5.1 设置startTime,用于计算超时时间，如果超时时间到了，就等待队列中移除当前节点finallongparkNanos;if(startTime ==0L) {// first timestartTime = System.nanoTime();if(startTime ==0L) startTime =1L; parkNanos = nanos; }else{longelapsed = System.nanoTime() - startTime;if(elapsed >= nanos) { removeWaiter(q);returnstate; } parkNanos = nanos - elapsed; }// nanoTime may be slow; recheck before parking//5.2 如果超时时间还没有到，而且任务还没有结束，就阻塞特定时间if(state < COMPLETING) LockSupport.parkNanos(this, parkNanos); }//6. 阻塞，等待唤醒elseLockSupport.park(this); }}
这里主要有几个步骤：
a. 读取state，如果s > COMPLETING，表示任务已经执行结束，或者发生异常结束了，此时，调用get()的线程就不会阻塞；如果s == COMPLETING，表示任务结束(正常/异常)，但是结果还没有保存到outcome字段，当前线程让出执行权，给其他线程先执行。
b. 判断Thread.interrupted()，如果调用get()的线程被中断了，就从等待的线程栈(其实就是一个WaitNode节点队列或者说是栈)中移除这个等待节点，然后抛出中断异常。
c. 判断q == null，如果等待节点q为null，就创建等待节点，这个节点后面会被插入阻塞队列。
d. 判断queued，这里是将c中创建节点q加入队列头。使用Unsafe的CAS方法，对waiters进行赋值，waiters也是一个WaitNode节点，相当于队列头，或者理解为队列的头指针。通过WaitNode可以遍历整个阻塞队列。
e. 之后，判断timed，这是从get()传入的值，表示是否设置了超时时间。设置超时时间之后，调用get()的线程最多阻塞nanos，就会从阻塞状态醒过来。如果没有设置超时时间，就直接进入阻塞状态，等待被其他线程唤醒。
awaitDone()方法内部有一个无限循环，看似有很多判断，比较难理解，其实这个循环最多循环3次。
假设Thread A执行了get()获取计算任务执行结果，但是子任务还没有执行完，而且Thread A没有被中断，它会进行以下步骤。
step1：Thread A执行了awaitDone()，1，2两次判断都不成立，Thread A判断q=null，会创建一个WaitNode节点q，然后进入第二次循环。
step2：第二次循环，判断4不成立，此时将step1创建的节点q加入队列头。
step3：第三次循环，判断是否设置了超时时间，如果设置了超时时间，就阻塞特定时间，否则，一直阻塞，等待被其他线程唤醒。
从awaitDone()返回，最后调用report(int s)，这个后面再介绍。
4. 取消任务——cancel(boolean mayInterruptIfRunning)
通常调用cancel()的线程和执行子任务的线程不会是同一个。当FutureTask的cancel(boolean mayInterruptIfRunning)方法被调用时，如果子任务还没有执行，那么这个任务就不会执行了，如果子任务已经执行，且mayInterruptIfRunning=true，那么执行子任务的线程会被中断（注意：这里说的是线程被中断，不是任务被取消），下面看一下这个方法的实现：
publicbooleancancel(booleanmayInterruptIfRunning){//1.判断state是否为NEW，如果不是NEW，说明任务已经结束或者被取消了，该方法会执行返回false//state=NEW时，判断mayInterruptIfRunning，如果mayInterruptIfRunning=true，说明要中断任务的执行，NEW->INTERRUPTING//如果mayInterruptIfRunning=false,不需要中断，状态改为CANCELLEDif(!(state == NEW && U.compareAndSwapInt(this, STATE, NEW, mayInterruptIfRunning ? INTERRUPTING : CANCELLED)))returnfalse;try{// in case call to interrupt throws exceptionif(mayInterruptIfRunning) {try{//2.读取当前正在执行子任务的线程runner,调用t.interrupt()，中断线程执行Thread t = runner;if(t !=null) t.interrupt(); }finally{// final state//3.修改状态为INTERRUPTEDU.putOrderedInt(this, STATE, INTERRUPTED); } } }finally{ finishCompletion(); }returntrue;}
cancel()分析：
判断state，保证state = NEW才能继续cancel()的后续操作。state=NEW且mayInterruptIfRunning=true，说明要中断任务的执行，此时，NEW->INTERRUPTING。然后读取当前执行任务的线程runner，调用t.interrupt()，中断线程执行，NEW->INTERRUPTING->INTERRUPTED，最后调用finishCompletion()。
如果NEW->INTERRUPTING，那么cancel()方法，只是修改了状态，NEW->CANCELLED，然后直接调用finishCompletion()。
所以cancel(true)方法，只是调用t.interrupt()，此时，如果t因为sleep()，wait()等方法进入阻塞状态，那么阻塞的地方会抛出InterruptedException；如果线程正常运行，需要结合Thread的interrupted()方法进行判断，才能结束，否则，cancel(true)不能结束正在执行的任务。
这也就可以解释前面我遇到的问题，有的情况下，使用 futuretask.cancel(true)方法并不能真正的结束子任务执行。
5. 子线程返回结果前的最后一步——finishCompletion()
前面多次出现过这个方法，set(V v)(保存执行结果，设置状态为NORMAL)，setException(Throwable t)(保存结果，设置状态为EXCEPTIONAL)和cancel(boolean mayInterruptIfRunning)(设置状态为CANCELLED/INTERRUPTED)，该方法在state变成最终态之后，会被调用。
privatevoidfinishCompletion(){// assert state > COMPLETING;for(WaitNode q; (q = waiters) !=null;) {if(U.compareAndSwapObject(this, WAITERS, q,null)) {for(;;) { Thread t = q.thread;if(t !=null) { q.thread =null; LockSupport.unpark(t); } WaitNode next = q.next;if(next ==null)break; q.next =null;// unlink to help gcq = next; }break; } } done(); callable =null;// to reduce footprint}
finishCompletion()主要做了三件事情：
遍历waiters等待队列，调用LockSupport.unpark(t)唤醒等待返回结果的线程，释放资源。
调用done()，这个方法什么都没有做，不过子类可以实现这个方法，做一些额外的操作。
设置callable为null，callable是FutureTask封装的任务，任务执行完，释放资源。
这里可以解答上面的第二个问题了。FutureTask的get(long timeout, TimeUnit unit)方法，表示阻塞timeout时间后，获取子线程的执行结果，但是如果子任务执行结束了，但是超时时间还没有到，这个方法也会返回结果。因为任务执行完之后，会遍历阻塞队列，唤醒阻塞的线程。LockSupport.unpark(t)执行之后，阻塞的线程会从LockSupport.park(this)/LockSupport.parkNanos(this, parkNanos)醒来，然后会继续进入awaitDone(boolean timed, long nanos)的while循环，此时，state >= COMPLETING，然后从awaitDone()返回。此时，get()/get(long timeout, TimeUnit unit)会继续执行，return report(s)，上面介绍get()的时候没介绍的方法。看一下report(int s)：
privateVreport(ints)throwsExecutionException{ Object x = outcome;if(s == NORMAL)return(V)x;if(s >= CANCELLED)thrownewCancellationException();thrownewExecutionException((Throwable)x);}
其实就是读取outcome，将state映射到最后返回的结果中，s == NORMAL说明任务正常结束，返回正常结果，s >= CANCELLED，就抛出CancellationException。
6.其他方法
FutureTask的还有两个方法isCancelled()和isDone()，其实就是判断state，没有过多的步骤。
publicbooleanisCancelled(){returnstate >= CANCELLED;}publicbooleanisDone(){returnstate != NEW;}
总结
到此FutureTask分析完毕，其中感受最深的是Unsafe的用法，对于多线程共享的对象，采用volatile+Unsafe的方法，代替锁操作，进行同步；其次，是LockSupport的park(Object blocker)和unpark(Thread thread)的使用
park(Object blocker)：线程进入阻塞状态，告诉线程调度，当前线程不可用，直到线程再次获取permit(允许)；如果在调用park(Object blocker)之前，线程已经获得了permit(比如说，已经调用了unpark(t))，那么该方法会返回。
unpark(Thread thread)：使得传入的线程再次获得permit.这里的permit可以理解为一个信号量。
LockSupport在这里的作用，类似于wait(),notify()/notifyAll()，关于二者的区别，可以看一下
Java的LockSupport.park()实现分析。
作者：zero_sr
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