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java原子性

發布時間: 2022-10-30 08:55:27

❶ 什麼是原子操作,java中的原子操作是什麼

  1. "原子操作(atomic operation)是不需要synchronized",所謂原子操作是指不會被線程調度機制打斷的操作;這種操作一旦開始,就一直運行到結束,中間不會有任何 context switch;

  2. java中一般事務管理裡面用到原子操作。

❷ java多線程中如何保證變數的可見性,原子性

首先,要知道原子性和可見性是在並發環境需要思考的問題,所以下面的回答是圍繞了並發場景來描述的。

如果大家不明白並發場景,請先了解java並發

  • 原子性,可以理解為CPU層面不能分割的操作,那麼 i++是原子操作嗎?不是的,實際它是i=i+1,這個操作首先要讀取i的值,然後為i值加1。是需要拆分的。非原子操作都會存在線程安全問題,需要我們使用同步技術(sychronized)來讓它變成一個原子操作。有好幾種方式實現一個原子操作。java提供了 sychronized代碼塊,lock介面(它的實現重入鎖是比較常用的)。還可以使用原子數據結構。AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。

  • 可見性。可以理解為線程層面各個線程之間對某個操作是透明的,各個線程可以及時知道引用的改變。volatile修飾的變數可以保證可見性,假如,一個變數只有 1或者0兩種情況。那麼volatile修飾之後,就不需要對這個變數加同步操作了。強調一下。volatile不能保證原子性。volatile修飾的整數i,在多線程下 i++之後,不能得到預期的值

❸ java volatile變數為什麼不能保證原子性

被volatile修飾的變數保證的是可見性,不是原子性。這是兩個不同的概念。
可見性是指不論在哪個線程中看,同一個對象同一時刻的值總是一樣的,不會出現不一致的情況。
原子性是指一個操作要麼完成,要麼沒有完成,不會出現完成了一半的情況。

❹ 在java中,什麼是原子性

:原子性,就是不會有中間狀態存在,要麼什麼都沒改變,要麼全都改變。不會有一部分沒改變,一部分改變了。 引用賦值,或者說所有賦值操作都不是原子性的。 對應的原子類是AtomicReferenc。類似的也有AtomicLong之類的原子類,來保證賦值的原子性

❺ Java是怎麼保證原子性,可見性

首先,要知道原子性和可見性是在並發環境需要思考的問題,所以下面的回答是圍繞了並發場景來描述的。

如果大家不明白並發場景,請先了解java並發

  1. 原子性,可以理解為CPU層面不能分割的操作,那麼 i++是原子操作嗎?不是的,實際它是i=i+1,這個操作首先要讀取i的值,然後為i值加1。是需要拆分的。非原子操作都會存在線程安全問題,需要我們使用同步技術(sychronized)來讓它變成一個原子操作。有好幾種方式實現一個原子操作。java提供了 sychronized代碼塊,lock介面(它的實現重入鎖是比較常用的)。還可以使用原子數據結構。AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。

  2. 可見性。可以理解為線程層面各個線程之間對某個操作是透明的,各個線程可以及時知道引用的改變。volatile修飾的變數可以保證可見性,假如,一個變數只有 1或者0兩種情況。那麼volatile修飾之後,就不需要對這個變數加同步操作了。強調一下。volatile不能保證原子性。volatile修飾的整數i,在多線程下 i++之後,不能得到預期的值

❻ java 程序中怎麼保證多線程的運行安全

並發編程三要素(線程的安全性問題體現在):

原子性:原子,即一個不可再被分割的顆粒。原子性指的是一個或多個操作要麼 全部執行成功要麼全部執行失敗。

可見性:一個線程對共享變數的修改,另一個線程能夠立刻看到。 (synchronized,volatile)

有序性:程序執行的順序按照代碼的先後順序執行。(處理器可能會對指令進行 重排序)

出現線程安全問題的原因:

  • 線程切換帶來的原子性問題

  • 緩存導致的可見性問題

  • 編譯優化帶來的有序性問題

  • 解決辦法:

  • JDK Atomic開頭的原子類、synchronized、LOCK,可以解決原子性問題

  • synchronized、volatile、LOCK,可以解決可見性問題

  • Happens-Before 規則可以解決有序性問題

❼ 為什麼java基本數據類型是原子的但是i 還存在線程安全問題

這個問題本身是錯誤的觀點,基本數據類型是數據結構,原子性是操作定義,不是一個概念。
原話是這樣的,基本數據類型的賦值是原子性操作。這里還要排除long和double,或者標明64bit操作系統。因為long和double類型是8位元組,而低位操作系統(32bit)單次內存的存儲結構最大隻能存儲4個位元組,所以每次操作都要分兩次進行,也就是非原子性操作。
那int類型的i++為什麼還有線程安全問題(推測了問題真正想表達的意思)?因為i++在指令中是賦值和自增兩個操作。賦值沒問題,但自增是要讀取和寫入兩個操作,很明顯是非原子性操作,自然就有安全問題。另外volatile只有兩個作用,一個是禁用指令重排,一個是強制讀取主存,沒有絕對的原子性。

❽ 看了這篇文章,你還敢說你了解volatile關鍵字嗎

想要理解volatile為什麼能確保可見性,就要先理解Java中的內存模型是什麼樣的。

Java內存模型規定了 所有的變數都存儲在主內存中 每條線程中還有自己的工作內存,線程的工作內存中保存了被該線程所使用到的變數(這些變數是從主內存中拷貝而來) 線程對變數的所有操作(讀取,賦值)都必須在工作內存中進行。不同線程之間也無法直接訪問對方工作內存中的變數,線程間變數值的傳遞均需要通過主內存來完成

基於此種內存模型,便產生了多線程編程中的數據「臟讀」等問題。

舉個簡單的例子:在java中,執行下面這個語句:

i = 10;

執行線程必須先在自己的工作線程中對變數i所在的緩存行進行賦值操作,然後再寫入主存當中。而不是直接將數值10寫入主存當中。

比如同時有2個線程執行這段代碼,假如初始時i的值為10,那麼我們希望兩個線程執行完之後i的值變為12。但是事實會是這樣嗎?

可能存在下面一種情況:初始時,兩個線程分別讀取i的值存入各自所在的工作內存當中,然後線程1進行加1操作,然後把i的最新值11寫入到內存。此時線程2的工作內存當中i的值還是10,進行加1操作之後,i的值為11,然後線程2把i的值寫入內存。

最終結果i的值是11,而不是12。這就是著名的緩存一致性問題。通常稱這種被多個線程訪問的變數為共享變數。

那麼如何確保共享變數在多線程訪問時能夠正確輸出結果呢?

在解決這個問題之前,我們要先了解並發編程的三大概念: 原子性,有序性,可見性

1.定義

原子性:即一個操作或者多個操作 要麼全部執行並且執行的過程不會被任何因素打斷,要麼就都不執行。

2.實例

一個很經典的例子就是銀行賬戶轉賬問題:

比如從賬戶A向賬戶B轉1000元,那麼必然包括2個操作:從賬戶A減去1000元,往賬戶B加上1000元。

試想一下,如果這2個操作不具備原子性,會造成什麼樣的後果。假如從賬戶A減去1000元之後,操作突然中止。這樣就會導致賬戶A雖然減去了1000元,但是賬戶B沒有收到這個轉過來的1000元。

所以這2個操作必須要具備原子性才能保證不出現一些意外的問題。

同樣地反映到並發編程中會出現什麼結果呢?

舉個最簡單的例子,大家想一下假如為一個32位的變數賦值過程不具備原子性的話,會發生什麼後果?

假若一個線程執行到這個語句時,我暫且假設為一個32位的變數賦值包括兩個過程:為低16位賦值,為高16位賦值。

那麼就可能發生一種情況:當將低16位數值寫入之後,突然被中斷,而此時又有一個線程去讀取i的值,那麼讀取到的就是錯誤的數據。

3.Java中的原子性

在Java中, 對基本數據類型的變數的讀取和賦值操作是原子性操作 ,即這些操作是不可被中斷的,要麼執行,要麼不執行。

上面一句話雖然看起來簡單,但是理解起來並不是那麼容易。看下面一個例子i:

請分析以下哪些操作是原子性操作:

x = 10; //語句1

y = x; //語句2

x++; //語句3

x = x + 1; //語句4

咋一看,可能會說上面的4個語句中的操作都是原子性操作。其實只有語句1是原子性操作,其他三個語句都不是原子性操作。

語句1是直接將數值10賦值給x,也就是說線程執行這個語句的會直接將數值10寫入到工作內存中。

語句2實際上包含2個操作,它先要去讀取x的值,再將x的值寫入工作內存 ,雖然讀取x的值以及 將x的值寫入工作內存 這2個操作都是原子性操作,但是合起來就不是原子性操作了。

同樣的, x++和 x = x+1包括3個操作:讀取x的值,進行加1操作,寫入新的值

所以上面4個語句只有語句1的操作具備原子性。

也就是說, 只有簡單的讀取、賦值(而且必須是將數字賦值給某個變數,變數之間的相互賦值不是原子操作)才是原子操作。

從上面可以看出,Java內存模型只保證了基本讀取和賦值是原子性操作, 如果要實現更大范圍操作的原子性,可以通過synchronized和Lock來實現。由於synchronized和Lock能夠保證任一時刻只有一個線程執行該代碼塊,那麼自然就不存在原子性問題了,從而保證了原子性。

1.定義

可見性是指當多個線程訪問同一個變數時,一個線程修改了這個變數的值,其他線程能夠立即看得到修改的值。

2.實例

舉個簡單的例子,看下面這段代碼:

//線程1執行的代碼

int i = 0;

i = 10;

//線程2執行的代碼

j = i;

由上面的分析可知,當線程1執行 i =10這句時,會先把i的初始值載入到工作內存中,然後賦值為10,那麼在線程1的工作內存當中i的值變為10了,卻沒有立即寫入到主存當中。

此時線程2執行 j = i,它會先去主存讀取i的值並載入到線程2的工作內存當中,注意此時內存當中i的值還是0,那麼就會使得j的值為0,而不是10.

這就是可見性問題,線程1對變數i修改了之後,線程2沒有立即看到線程1修改的值。

3.Java中的可見性

對於可見性,Java提供了volatile關鍵字來保證可見性。

當一個共享變數被volatile修飾時,它會保證修改的值會立即被更新到主存,當有其他線程需要讀取時,它會去內存中讀取新值。

而普通的共享變數不能保證可見性, 因為普通共享變數被修改之後,什麼時候被寫入主存是不確定的,當其他線程去讀取時,此時內存中可能還是原來的舊值,因此無法保證可見性。

另外,通過synchronized和Lock也能夠保證可見性,synchronized和Lock能保證同一時刻只有一個線程獲取鎖然後執行同步代碼,並且 在釋放鎖之前會將對變數的修改刷新到主存當中 。因此可以保證可見性。

1.定義

有序性:即程序執行的順序按照代碼的先後順序執行。

2.實例

舉個簡單的例子,看下面這段代碼:

int i = 0;

boolean flag = false;

i = 1; //語句1

flag = true; //語句2

上面代碼定義了一個int型變數,定義了一個boolean類型變數,然後分別對兩個變數進行賦值操作。從代碼順序上看,語句1是在語句2前面的,那麼JVM在真正執行這段代碼的時候會保證語句1一定會在語句2前面執行嗎?不一定,為什麼呢?這里可能會發生指令重排序(Instruction Reorder)。

下面解釋一下什麼是指令重排序, 一般來說,處理器為了提高程序運行效率,可能會對輸入代碼進行優化,它不保證程序中各個語句的執行先後順序同代碼中的順序一致,但是它會保證程序最終執行結果和代碼順序執行的結果是一致的。

比如上面的代碼中,語句1和語句2誰先執行對最終的程序結果並沒有影響,那麼就有可能在執行過程中,語句2先執行而語句1後執行。

但是要注意,雖然處理器會對指令進行重排序,但是它會保證程序最終結果會和代碼順序執行結果相同,那麼它靠什麼保證的呢?再看下面一個例子:

int a = 10; //語句1

int r = 2; //語句2

a = a + 3; //語句3

r = a*a; //語句4

這段代碼有4個語句,那麼可能的一個執行順序是:

那麼可不可能是這個執行順序呢: 語句2 語句1 語句4 語句3

不可能,因為處理器在進行重排序時是會考慮指令之間的數據依賴性,如果一個指令Instruction 2必須用到Instruction 1的結果,那麼處理器會保證Instruction 1會在Instruction 2之前執行。

雖然重排序不會影響單個線程內程序執行的結果,但是多線程呢?下面看一個例子:

上面代碼中,由於語句1和語句2沒有數據依賴性,因此可能會被重排序。假如發生了重排序,在線程1執行過程中先執行語句2,而此是線程2會以為初始化工作已經完成,那麼就會跳出while循環,去執行doSomethingwithconfig(context)方法,而此時context並沒有被初始化,就會導致程序出錯。

從上面可以看出, 指令重排序不會影響單個線程的執行,但是會影響到線程並發執行的正確性。

也就是說, 要想並發程序正確地執行,必須要保證原子性、可見性以及有序性。只要有一個沒有被保證,就有可能會導致程序運行不正確。

3.Java中的有序性

在Java內存模型中,允許編譯器和處理器對指令進行重排序,但是重排序過程不會影響到單線程程序的執行,卻會影響到多線程並發執行的正確性。

在Java裡面,可以通過volatile關鍵字來保證一定的「有序性」。另外可以通過synchronized和Lock來保證有序性,很顯然,synchronized和Lock保證每個時刻是有一個線程執行同步代碼,相當於是讓線程順序執行同步代碼,自然就保證了有序性。

另外,Java內存模型具備一些先天的「有序性」, 即不需要通過任何手段就能夠得到保證的有序性,這個通常也稱為 happens-before 原則。如果兩個操作的執行次序無法從happens-before原則推導出來,那麼它們就不能保證它們的有序性,虛擬機可以隨意地對它們進行重排序。

下面就來具體介紹下happens-before原則(先行發生原則):

①程序次序規則:一個線程內,按照代碼順序,書寫在前面的操作先行發生於書寫在後面的操作

②鎖定規則:一個unLock操作先行發生於後面對同一個鎖額lock操作

③volatile變數規則:對一個變數的寫操作先行發生於後面對這個變數的讀操作

④傳遞規則:如果操作A先行發生於操作B,而操作B又先行發生於操作C,則可以得出操作A先行發生於操作C

⑤線程啟動規則:Thread對象的start()方法先行發生於此線程的每個一個動作

⑥線程中斷規則:對線程interrupt()方法的調用先行發生於被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發生

⑦線程終結規則:線程中所有的操作都先行發生於線程的終止檢測,我們可以通過Thread.join()方法結束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測到線程已經終止執行

⑧對象終結規則:一個對象的初始化完成先行發生於他的finalize()方法的開始

這8條規則中,前4條規則是比較重要的,後4條規則都是顯而易見的。

下面我們來解釋一下前4條規則:

對於程序次序規則來說,就是一段程序代碼的執行 在單個線程中看起來是有序的 。注意,雖然這條規則中提到「書寫在前面的操作先行發生於書寫在後面的操作」,這個應該是程序看起來執行的順序是按照代碼順序執行的, 但是虛擬機可能會對程序代碼進行指令重排序 。雖然進行重排序,但是最終執行的結果是與程序順序執行的結果一致的,它只會對不存在數據依賴性的指令進行重排序。因此, 在單個線程中,程序執行看起來是有序執行的 ,這一點要注意理解。事實上, 這個規則是用來保證程序在單線程中執行結果的正確性,但無法保證程序在多線程中執行的正確性。

第二條規則也比較容易理解,也就是說無論在單線程中還是多線程中, 同一個鎖如果處於被鎖定的狀態,那麼必須先對鎖進行了釋放操作,後面才能繼續進行lock操作。

第三條規則是一條比較重要的規則。直觀地解釋就是, 如果一個線程先去寫一個變數,然後一個線程去進行讀取,那麼寫入操作肯定會先行發生於讀操作。

第四條規則實際上就是體現happens-before原則 具備傳遞性

1.volatile保證可見性

一旦一個共享變數(類的成員變數、類的靜態成員變數)被volatile修飾之後,那麼就具備了兩層語義:

1)保證了 不同線程對這個變數進行操作時的可見性 ,即一個線程修改了某個變數的值,這新值對其他線程來說是立即可見的。

2) 禁止進行指令重排序。

先看一段代碼,假如線程1先執行,線程2後執行:

這段代碼是很典型的一段代碼,很多人在中斷線程時可能都會採用這種標記辦法。但是事實上,這段代碼會完全運行正確么?即一定會將線程中斷么?不一定,也許在大多數時候,這個代碼能夠把線程中斷,但是也有可能會導致無法中斷線程(雖然這個可能性很小,但是只要一旦發生這種情況就會造成死循環了)。

下面解釋一下這段代碼為何有可能導致無法中斷線程。在前面已經解釋過,每個線程在運行過程中都有自己的工作內存,那麼線程1在運行的時候,會將stop變數的值拷貝一份放在自己的工作內存當中。

那麼當線程2更改了stop變數的值之後,但是還沒來得及寫入主存當中,線程2轉去做其他事情了,那麼線程1由於不知道線程2對stop變數的更改,因此還會一直循環下去。

但是用volatile修飾之後就變得不一樣了:

第一:使用volatile關鍵字會 強制將修改的值立即寫入主存

第二:使用volatile關鍵字的話,當線程2進行修改時, 會導致線程1的工作內存中緩存變數stop的緩存行無效 (反映到硬體層的話,就是CPU的L1或者L2緩存中對應的緩存行無效);

第三:由於線程1的工作內存中緩存變數stop的緩存行無效,所以 線程1再次讀取變數stop的值時會去主存讀取

那麼在線程2修改stop值時(當然這里包括2個操作,修改線程2工作內存中的值,然後將修改後的值寫入內存),會使得線程1的工作內存中緩存變數stop的緩存行無效,然後線程1讀取時,發現自己的緩存行無效,它會等待緩存行對應的主存地址被更新之後,然後去對應的主存讀取最新的值。

那麼線程1讀取到的就是最新的正確的值。

2.volatile不能確保原子性

下面看一個例子:

大家想一下這段程序的輸出結果是多少?也許有些朋友認為是10000。但是事實上運行它會發現每次運行結果都不一致,都是一個小於10000的數字。

可能有的朋友就會有疑問,不對啊,上面是對變數inc進行自增操作,由於volatile保證了可見性,那麼在每個線程中對inc自增完之後,在其他線程中都能看到修改後的值啊,所以有10個線程分別進行了1000次操作,那麼最終inc的值應該是1000*10=10000。

這裡面就有一個誤區了, volatile關鍵字能保證可見性沒有錯,但是上面的程序錯在沒能保證原子性。 可見性只能保證每次讀取的是最新的值,但是volatile沒辦法保證對變數的操作的原子性。

在前面已經提到過, 自增操作是不具備原子性的,它包括讀取變數的原始值、進行加1操作、寫入工作內存 。那麼就是說自增操作的三個子操作可能會分割開執行,就有可能導致下面這種情況出現:

假如某個時刻變數inc的值為10,

線程1對變數進行自增操作,線程1先讀取了變數inc的原始值,然後線程1被阻塞了

然後線程2對變數進行自增操作,線程2也去讀取變數inc的原始值, 由於線程1隻是對變數inc進行讀取操作,而沒有對變數進行修改操作,所以不會導致線程2的工作內存中緩存變數inc的緩存行無效,也不會導致主存中的值刷新, 所以線程2會直接去主存讀取inc的值,發現inc的值時10,然後進行加1操作,並把11寫入工作內存,最後寫入主存。

然後線程1接著進行加1操作,由於已經讀取了inc的值,注意此時在線程1的工作內存中inc的值仍然為10,所以線程1對inc進行加1操作後inc的值為11,然後將11寫入工作內存,最後寫入主存。

那麼兩個線程分別進行了一次自增操作後,inc只增加了1。

根源就在這里,自增操作不是原子性操作,而且volatile也無法保證對變數的任何操作都是原子性的。

解決方案:可以通過synchronized或lock,進行加鎖,來保證操作的原子性。也可以通過AtomicInteger。

在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些 原子操作類 ,即對基本數據類型的 自增(加1操作),自減(減1操作)、以及加法操作(加一個數),減法操作(減一個數)進行了封裝,保證這些操作是原子性操作。 atomic是利用CAS來實現原子性操作的(Compare And Swap) ,CAS實際上是 利用處理器提供的CMPXCHG指令實現的,而處理器執行CMPXCHG指令是一個原子性操作。

3.volatile保證有序性

在前面提到volatile關鍵字能禁止指令重排序,所以volatile能在一定程度上保證有序性。

volatile關鍵字禁止指令重排序有兩層意思:

1)當程序執行到volatile變數的讀操作或者寫操作時, 在其前面的操作的更改肯定全部已經進行,且結果已經對後面的操作可見;在其後面的操作肯定還沒有進行

2)在進行指令優化時, 不能將在對volatile變數的讀操作或者寫操作的語句放在其後面執行,也不能把volatile變數後面的語句放到其前面執行。

可能上面說的比較繞,舉個簡單的例子:

由於 flag變數為volatile變數 ,那麼在進行指令重排序的過程的時候, 不會將語句3放到語句1、語句2前面,也不會講語句3放到語句4、語句5後面。但是要注意語句1和語句2的順序、語句4和語句5的順序是不作任何保證的。

並且volatile關鍵字能保證, 執行到語句3時,語句1和語句2必定是執行完畢了的,且語句1和語句2的執行結果對語句3、語句4、語句5是可見的。

那麼我們回到前面舉的一個例子:

//線程1:

context = loadContext(); //語句1

inited = true; //語句2

//線程2:

while(!inited ){

sleep()

}

doSomethingwithconfig(context);

前面舉這個例子的時候,提到有可能語句2會在語句1之前執行,那麼久可能導致context還沒被初始化,而線程2中就使用未初始化的context去進行操作,導致程序出錯。

這里如果用volatile關鍵字對inited變數進行修飾,就不會出現這種問題了, 因為當執行到語句2時,必定能保證context已經初始化完畢。

1.可見性

處理器為了提高處理速度,不直接和內存進行通訊,而是將系統內存的數據獨到內部緩存後再進行操作,但操作完後不知什麼時候會寫到內存。

2.有序性

Lock前綴指令實際上相當於一個內存屏障(也成內存柵欄),它確保 指令重排序時不會把其後面的指令排到內存屏障之前的位置,也不會把前面的指令排到內存屏障的後面; 即在執行到內存屏障這句指令時,在它前面的操作已經全部完成。

synchronized關鍵字是防止多個線程同時執行一段代碼,那麼就會很影響程序執行效率,而volatile關鍵字在某些情況下性能要優於synchronized,但是要注意volatile關鍵字是無法替代synchronized關鍵字的,因為volatile關鍵字無法保證操作的原子性。通常來說,使用volatile必須具備以下2個條件:

1)對變數的寫操作不依賴於當前值

2)該變數沒有包含在具有其他變數的不變式中

下面列舉幾個Java中使用volatile的幾個場景。

①.狀態標記量

volatile boolean flag = false;

//線程1

while(!flag){

doSomething();

}

//線程2

public void setFlag() {

flag = true;

}

根據狀態標記,終止線程。

②.單例模式中的double check

為什麼要使用volatile 修飾instance?

主要在於instance = new Singleton()這句,這並非是一個原子操作,事實上在 JVM 中這句話大概做了下面 3 件事情:

但是在 JVM 的即時編譯器中存在指令重排序的優化。也就是說上面的第二步和第三步的順序是不能保證的,最終的執行順序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是後者,則在 3 執行完畢、2 未執行之前,被線程二搶佔了,這時 instance 已經是非 null 了(但卻沒有初始化),所以線程二會直接返回 instance,然後使用,然後順理成章地報錯。

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❾ java 多線程裡面經常提到原子性,那原子性到底是什麼呢求教!

原子性就是說一個操作不可以被中途cpu暫停然後調度, 即不能被中斷, 要不就執行完, 要不就不執行. 如果一個操作是原子性的, 那麼在多線程環境下, 就不會出現變數被修改等奇怪的問題.

❿ Java new 對象是否是原子性的

對新對象討論原子性沒有任何意義,不過可以告訴你,不具有原子性
你可以想一下,構造時就可能包含多個數據域的賦值。
希望可以幫到你,謝謝!

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