ThreadPoolExecutor 自定义线程池
它们都是某种线程池,可以控制线程创建,释放,并通过某种策略尝试复用线程去执行任务的一个管理框架
,因此最终所有线程池的构造函数都调用了Java5后推出的ThreadPoolExecutor的如下构造函数
Java默认提供的线程池
Java中的线程池是运用场景最多的并发框架,几乎所有需要异步或并发执行任务的程序都可以使用线程池
我们只需要将待执行的方法放入 run 方法中,将 Runnable 接口的实现类交给线程池的 execute 方法,作为他的一个参数,比如:
Executor e=Executors.newSingleThreadExecutor();
e.execute(new Runnable(){ //匿名内部类 public void run(){
//需要执行的任务
}
});
线程池的实现原理
ThreadPoolExecutor执行execute()分4种情况
- 若当前运行的线程少于
corePoolSize,则创建新线程来执行任务(执行这一步需要获取全局锁) - 若运行的线程多于或等于
corePoolSize,则将任务加入BlockingQueue - 若无法将任务加入
BlockingQueue,则创建新的线程来处理任务(执行这一步需要获取全局锁) - 若创建新线程将使当前运行的线程超出
maximumPoolSize,任务将被拒绝,并调用RejectedExecutionHandler.rejectedExecution()
采取上述思路,是为了在执行execute()时,尽可能避免获取全局锁 在ThreadPoolExecutor完成预热之后(当前运行的线程数大于等于corePoolSize),几乎所有的execute()方法调用都是执行步骤2,而步骤2不需要获取全局锁
#源码分析
/**
* 检查是否可以根据当前池状态和给定的边界(核心或最大)
* 添加新工作线程。如果是这样,工作线程数量会相应调整,如果可能的话,一个新的工作线程创建并启动
* 将firstTask作为其运行的第一项任务。
* 如果池已停止此方法返回false
* 如果线程工厂在被访问时未能创建线程,也返回false
* 如果线程创建失败,或者是由于线程工厂返回null,或者由于异常(通常是在调用Thread.start()后的OOM)),我们干净地回滚。
*
* @param core if true use corePoolSize as bound, else
* maximumPoolSize. (A boolean indicator is used here rather than a
* value to ensure reads of fresh values after checking other pool
* state).
* @return true if successful
*/
private boolean addWorker(Runnable firstTask, boolean core) {
retry:
for (;;) {
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
/**
* Check if queue empty only if necessary.
*
* 如果线程池已关闭,并满足以下条件之一,那么不创建新的 worker:
* 1\. 线程池状态大于 SHUTDOWN,也就是 STOP, TIDYING, 或 TERMINATED
* 2\. firstTask != null
* 3\. workQueue.isEmpty()
* 简单分析下:
* 状态控制的问题,当线程池处于 SHUTDOWN ,不允许提交任务,但是已有任务继续执行
* 当状态大于 SHUTDOWN ,不允许提交任务,且中断正在执行任务
* 多说一句:若线程池处于 SHUTDOWN,但 firstTask 为 null,且 workQueue 非空,是允许创建 worker 的
*
*/
if (rs >= SHUTDOWN &&
! (rs == SHUTDOWN &&
firstTask == null &&
! workQueue.isEmpty()))
return false;
for (;;) {
int wc = workerCountOf(c);
if (wc >= CAPACITY ||
wc >= (core ? corePoolSize : maximumPoolSize))
return false;
// 如果成功,那么就是所有创建线程前的条件校验都满足了,准备创建线程执行任务
// 这里失败的话,说明有其他线程也在尝试往线程池中创建线程
if (compareAndIncrementWorkerCount(c))
break retry;
// 由于有并发,重新再读取一下 ctl
c = ctl.get(); // Re-read ctl
// 正常如果是 CAS 失败的话,进到下一个里层的for循环就可以了
// 可如果是因为其他线程的操作,导致线程池的状态发生了变更,如有其他线程关闭了这个线程池
// 那么需要回到外层的for循环
if (runStateOf(c) != rs)
continue retry;
// else CAS failed due to workerCount change; retry inner loop
}
}
/* *
* 到这里,我们认为在当前这个时刻,可以开始创建线程来执行任务
*/
// worker 是否已经启动
boolean workerStarted = false;
// 是否已将这个 worker 添加到 workers 这个 HashSet 中
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
// 把 firstTask 传给 worker 的构造方法
w = new Worker(firstTask);
// 取 worker 中的线程对象,Worker的构造方法会调用 ThreadFactory 来创建一个新的线程
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
//先加锁
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
// 这个是整个类的全局锁,持有这个锁才能让下面的操作“顺理成章”,
// 因为关闭一个线程池需要这个锁,至少我持有锁的期间,线程池不会被关闭
mainLock.lock();
try {
// Recheck while holding lock.
// Back out on ThreadFactory failure or if
// shut down before lock acquired.
int rs = runStateOf(ctl.get());
// 小于 SHUTTDOWN 即 RUNNING
// 如果等于 SHUTDOWN,不接受新的任务,但是会继续执行等待队列中的任务
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
// worker 里面的 thread 不能是已启动的
if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
throw new IllegalThreadStateException();
// 加到 workers 这个 HashSet 中
workers.add(w);
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
// 若添加成功
if (workerAdded) {
// 启动线程
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
// 若线程没有启动,做一些清理工作,若前面 workCount 加了 1,将其减掉
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
// 返回线程是否启动成功
return workerStarted;
}
看下 addWorkFailed
worker 中的线程 start 后,其 run 方法会调用 runWorker
继续往下看 runWorker
// worker 线程启动后调用,while 循环(即自旋!)不断从等待队列获取任务并执行
// worker 初始化时,可指定 firstTask,那么第一个任务也就可以不需要从队列中获取
final void runWorker(Worker w) {
Thread wt = Thread.currentThread();
// 该线程的第一个任务(若有)
Runnable task = w.firstTask;
w.firstTask = null;
// 允许中断
w.unlock();
boolean completedAbruptly = true;
try {
// 循环调用 getTask 获取任务
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
w.lock();
// 若线程池状态大于等于 STOP,那么意味着该线程也要中断
/**
* 若线程池STOP,请确保线程 已被中断
* 如果没有,请确保线程未被中断
* 这需要在第二种情况下进行重新检查,以便在关中断时处理shutdownNow竞争
*/
if ((runStateAtLeast(ctl.get(), STOP) ||
(Thread.interrupted() &&
runStateAtLeast(ctl.get(), STOP))) &&
!wt.isInterrupted())
wt.interrupt();
try {
// 这是一个钩子方法,留给需要的子类实现
beforeExecute(wt, task);
Throwable thrown = null;
try {
// 到这里终于可以执行任务了
task.run();
} catch (RuntimeException x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Error x) {
thrown = x; throw x;
} catch (Throwable x) {
// 这里不允许抛出 Throwable,所以转换为 Error
thrown = x; throw new Error(x);
} finally {
// 也是一个钩子方法,将 task 和异常作为参数,留给需要的子类实现
afterExecute(task, thrown);
}
} finally {
// 置空 task,准备 getTask 下一个任务
task = null;
// 累加完成的任务数
w.completedTasks++;
// 释放掉 worker 的独占锁
w.unlock();
}
}
completedAbruptly = false;
} finally {
// 到这里,需要执行线程关闭
// 1\. 说明 getTask 返回 null,也就是说,这个 worker 的使命结束了,执行关闭
// 2\. 任务执行过程中发生了异常
// 第一种情况,已经在代码处理了将 workCount 减 1,这个在 getTask 方法分析中说
// 第二种情况,workCount 没有进行处理,所以需要在 processWorkerExit 中处理
processWorkerExit(w, completedAbruptly);
}
}
看看 getTask()
// 此方法有三种可能
// 1\. 阻塞直到获取到任务返回。默认 corePoolSize 之内的线程是不会被回收的,它们会一直等待任务
// 2\. 超时退出。keepAliveTime 起作用的时候,也就是如果这么多时间内都没有任务,那么应该执行关闭
// 3\. 如果发生了以下条件,须返回 null
// 池中有大于 maximumPoolSize 个 workers 存在(通过调用 setMaximumPoolSize 进行设置)
// 线程池处于 SHUTDOWN,而且 workQueue 是空的,前面说了,这种不再接受新的任务
// 线程池处于 STOP,不仅不接受新的线程,连 workQueue 中的线程也不再执行
private Runnable getTask() {
boolean timedOut = false; // Did the last poll() time out?
for (;;) {
// 允许核心线程数内的线程回收,或当前线程数超过了核心线程数,那么有可能发生超时关闭
// 这里 break,是为了不往下执行后一个 if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
// 两个 if 一起看:如果当前线程数 wc > maximumPoolSize,或者超时,都返回 null
// 那这里的问题来了,wc > maximumPoolSize 的情况,为什么要返回 null?
// 换句话说,返回 null 意味着关闭线程。
// 那是因为有可能开发者调用了 setMaximumPoolSize 将线程池的 maximumPoolSize 调小了
// 如果此 worker 发生了中断,采取的方案是重试
// 解释下为什么会发生中断,这个读者要去看 setMaximumPoolSize 方法,
// 如果开发者将 maximumPoolSize 调小了,导致其小于当前的 workers 数量,
// 那么意味着超出的部分线程要被关闭。重新进入 for 循环,自然会有部分线程会返回 null
int c = ctl.get();
int rs = runStateOf(c);
// Check if queue empty only if necessary.
if (rs >= SHUTDOWN && (rs >= STOP || workQueue.isEmpty())) {
// CAS 操作,减少工作线程数
decrementWorkerCount();
return null;
}
int wc = workerCountOf(c);
// Are workers subject to culling?
boolean timed = allowCoreThreadTimeOut || wc > corePoolSize;
if ((wc > maximumPoolSize || (timed && timedOut))
&& (wc > 1 || workQueue.isEmpty())) {
if (compareAndDecrementWorkerCount(c))
return null;
continue;
}
try {
Runnable r = timed ?
workQueue.poll(keepAliveTime, TimeUnit.NANOSECONDS) :
workQueue.take();
if (r != null)
return r;
timedOut = true;
} catch (InterruptedException retry) {
// 如果此 worker 发生了中断,采取的方案是重试
// 解释下为什么会发生中断,这个读者要去看 setMaximumPoolSize 方法,
// 如果开发者将 maximumPoolSize 调小了,导致其小于当前的 workers 数量,
// 那么意味着超出的部分线程要被关闭。重新进入 for 循环,自然会有部分线程会返回 null
timedOut = false;
}
}
}
到这里,基本上也说完了整个流程,回到 execute(Runnable command) 方法,看看各个分支,我把代码贴过来一下:
/**
* Executes the given task sometime in the future. The task
* may execute in a new thread or in an existing pooled thread.
*
* If the task cannot be submitted for execution, either because this
* executor has been shutdown or because its capacity has been reached,
* the task is handled by the current {@code RejectedExecutionHandler}.
*
* @param command the task to execute
* @throws RejectedExecutionException at discretion of
* {@code RejectedExecutionHandler}, if the task
* cannot be accepted for execution
* @throws NullPointerException if {@code command} is null
*/
public void execute(Runnable command) {
if (command == null)
throw new NullPointerException();
/*
* Proceed in 3 steps:
*
* 1\. If fewer than corePoolSize threads are running, try to
* start a new thread with the given command as its first
* task. The call to addWorker atomically checks runState and
* workerCount, and so prevents false alarms that would add
* threads when it shouldn't, by returning false.
*
* 2\. If a task can be successfully queued, then we still need
* to double-check whether we should have added a thread
* (because existing ones died since last checking) or that
* the pool shut down since entry into this method. So we
* recheck state and if necessary roll back the enqueuing if
* stopped, or start a new thread if there are none.
*
* 3\. If we cannot queue task, then we try to add a new
* thread. If it fails, we know we are shut down or saturated
* and so reject the task.
*/
//表示 “线程池状态” 和 “线程数” 的整数
int c = ctl.get();
// 如果当前线程数少于核心线程数,直接添加一个 worker 执行任务,
// 创建一个新的线程,并把当前任务 command 作为这个线程的第一个任务(firstTask)
if (workerCountOf(c) < corePoolSize) {
// 添加任务成功,即结束
// 执行的结果,会包装到 FutureTask
// 返回 false 代表线程池不允许提交任务
if (addWorker(command, true))
return;
c = ctl.get();
}
// 到这说明,要么当前线程数大于等于核心线程数,要么刚刚 addWorker 失败
// 如果线程池处于 RUNNING ,把这个任务添加到任务队列 workQueue 中
if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
/* 若任务进入 workQueue,我们是否需要开启新的线程
* 线程数在 [0, corePoolSize) 是无条件开启新线程的
* 若线程数已经大于等于 corePoolSize,则将任务添加到队列中,然后进到这里
*/
int recheck = ctl.get();
// 若线程池不处于 RUNNING ,则移除已经入队的这个任务,并且执行拒绝策略
if (! isRunning(recheck) && remove(command))
reject(command);
// 若线程池还是 RUNNING ,且线程数为 0,则开启新的线程
// 这块代码的真正意图:担心任务提交到队列中了,但是线程都关闭了
else if (workerCountOf(recheck) == 0)
addWorker(null, false);
}
// 若 workQueue 满,到该分支
// 以 maximumPoolSize 为界创建新 worker,
// 若失败,说明当前线程数已经达到 maximumPoolSize,执行拒绝策略
else if (!addWorker(command, false))
reject(command);
}
工作线程:线程池创建线程时,会将线程封装成工作线程Worker,Worker在执行完任务后,还会循环获取工作队列里的任务来执行.我们可以从Worker类的run()方法里看到这点
public void run() {
try {
Runnable task = firstTask;
firstTask = null;
while (task != null || (task = getTask()) != null) {
runTask(task);
task = null;
}
} finally {
workerDone(this);
}
}
boolean workerStarted = false;
boolean workerAdded = false;
Worker w = null;
try {
w = new Worker(firstTask);
final Thread t = w.thread;
if (t != null) {
//先加锁
final ReentrantLock mainLock = this.mainLock;
mainLock.lock();
try {
// Recheck while holding lock.
// Back out on ThreadFactory failure or if
// shut down before lock acquired.
int rs = runStateOf(ctl.get());
if (rs < SHUTDOWN ||
(rs == SHUTDOWN && firstTask == null)) {
if (t.isAlive()) // precheck that t is startable
throw new IllegalThreadStateException();
workers.add(w);
int s = workers.size();
if (s > largestPoolSize)
largestPoolSize = s;
workerAdded = true;
}
} finally {
mainLock.unlock();
}
if (workerAdded) {
t.start();
workerStarted = true;
}
}
} finally {
if (! workerStarted)
addWorkerFailed(w);
}
return workerStarted;
}
线程池中的线程执行任务分两种情况
- 在execute()方法中创建一个线程时,会让这个线程执行当前任务
- 这个线程执行完上图中 1 的任务后,会反复从BlockingQueue获取任务来执行
线程池的使用
向线程池提交任务
可以使用两个方法向线程池提交任务
execute()
用于提交不需要返回值的任务,所以无法判断任务是否被线程池执行成功.通过以下代码可知execute()方法输入的任务是一个Runnable类的实例.
threadsPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// TODO Auto-generated method stub
}
});
从运行结果可以看出,单线程池中的线程是顺序执行的。固定线程池(参数为2)中,永远最多只有两个线程并发执行。缓存线程池中,所有线程都并发执行。 第二个例子,测试单线程调度线程池和固定调度线程池。
public class ScheduledThreadPoolExam {
public static void main(String[] args) {
//first test for singleThreadScheduledPool
ScheduledExecutorService scheduledPool = Executors.newSingleThreadScheduledExecutor();
//second test for scheduledThreadPool
// ScheduledExecutorService scheduledPool = Executors.newScheduledThreadPool(2);
for (int i = 0; i < 5; i++) {
scheduledPool.schedule(new TaskInScheduledPool(i), 0, TimeUnit.SECONDS);
}
scheduledPool.shutdown();
}
}
class TaskInScheduledPool implements Runnable {
private final int id;
TaskInScheduledPool(int id) {
this.id = id;
}
@Override
public void run() {
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
System.out.println("TaskInScheduledPool-["+id+"] is running phase-"+i);
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
}
System.out.println("TaskInScheduledPool-["+id+"] is over");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
从运行结果可以看出,单线程调度线程池和单线程池类似,而固定调度线程池和固定线程池类似。 总结:
- 如果没有特殊要求,使用缓存线程池总是合适的;
- 如果只能运行一个线程,就使用单线程池。
- 如果要运行调度任务,则按需使用调度线程池或单线程调度线程池
- 如果有其他特殊要求,则可以直接使用ThreadPoolExecutor类的构造函数来创建线程池,并自己给定那五个参数。
submit()
用于提交需要返回值的任务.线程池会返回一个future类型对象,通过此对象可以判断任务是否执行成功 并可通过get()获取返回值,get()会阻塞当前线程直到任务完成,而使用get(long timeout,TimeUnit unit)方法则会阻塞当前线程一段时间后立即返回,这时候可能任务没有执行完.
Future<Object> future = executor.submit(harReturnValuetask);
try {
Object s = future.get();
} catch (InterruptedException e) {
// 处理中断异常
} catch (ExecutionException e) {
// 处理无法执行任务异常
} finally {
// 关闭线程池
executor.shutdown();
}
关闭线程池
可通过调用线程池的shutdown或shutdownNow方法来关闭线程池. 它们的原理是遍历线程池中的工作线程,然后逐个调用线程的interrupt方法来中断线程,所以无法响应中断的任务可能永远无法终止. 但是它们存在一定的区别
- shutdownNow首先将线程池的状态设置成STOP,然后尝试停止所有的正在执行或暂停任务的线程,并返回等待执行任务的列表
- shutdown只是将线程池的状态设置成SHUTDOWN状态,然后中断所有没有正在执行任务的线程.
只要调用了这两个关闭方法中的任意一个,isShutdown方法就会返回true. 当所有的任务都已关闭后,才表示线程池关闭成功,这时调用isTerminaed方法会返回true. 至于应该调用哪一种方法,应该由提交到线程池的任务的特性决定,通常调用shutdown方法来关闭线程池,若任务不一定要执行完,则可以调用shutdownNow方法. ##2.4 合理配置 要想合理地配置线程池,就必须首先分析任务特性,可从以下几个角度来分析
- 任务的性质:CPU密集型任务、IO密集型任务和混合型任务
- 任务的优先级:高、中和低
- 任务的执行时间:长、中和短
- 任务的依赖性:是否依赖其他系统资源,如数据库连接。
性质不同的任务可以用不同规模的线程池分开处理
- CPU密集型任务 应配置尽可能小的线程,配置
N(CPU)+1或者N(CPU) * 2 - I/O密集型任务 业务读取较多,线程并不是一直在执行任务,则应配置尽可能多的线程
N(CPU)/1 - 阻塞系数(0.8~0.9) - 混合型的任务,如果可以拆分,将其拆分成一个CPU密集型任务和一个IO密集型任务,只要这两个任务执行的时间相差不是太大,那么分解后执行的吞吐量将高于串行执行的吞吐量.如果这两个任务执行时间相差太大,则没必要进行分解.
可以通过Runtime.getRuntime().availableProcessors()方法获得当前设备的CPU个数.
优先级不同的任务可以使用PriorityBlockingQueue处理.它可以让优先级高 的任务先执行.
注意 如果一直有优先级高的任务提交到队列里,那么优先级低的任务可能永远不能执行
执行时间不同的任务可以交给不同规模的线程池来处理,或者可以使用优先级队列,让执行时间短的任务先执行.
依赖数据库连接池的任务,因为线程提交SQL后需要等待数据库返回结果,等待的时间越长,则CPU空闲时间就越长,那么线程数应该设置得越大,这样才能更好地利用CPU.
建议使用有界队列 有界队列能增加系统的稳定性和预警能力,可以根据需要设大一点,比如几千. 假如系统里后台任务线程池的队列和线程池全满了,不断抛出抛弃任务的异常,通过排查发现是数据库出现了问题,导致执行SQL变得非常缓慢,因为后台任务线程池里的任务全是需要向数据库查询和插入数据的,所以导致线程池里的工作线程全部阻塞,任务积压在线程池里. 如果我们设置成无界队列,那么线程池的队列就会越来越多,有可能会撑满内存,导致整个系统不可用,而不只是后台任务出现问题.
线程池的监控
如果在系统中大量使用线程池,则有必要对线程池进行监控,方便在出现问题时,可以根据线程池的使用状况快速定位问题.可通过线程池提供的参数进行监控,在监控线程池的时候可以使用以下属性:
- taskCount:线程池需要执行的任务数量
- completedTaskCount:线程池在运行过程中已完成的任务数量,小于或等于taskCount。
- largestPoolSize:线程池里曾经创建过的最大线程数量.通过这个数据可以知道线程池是否曾经满过.如该数值等于线程池的最大大小,则表示线程池曾经满过.
- getPoolSize:线程池的线程数量.如果线程池不销毁的话,线程池里的线程不会自动销毁,所以这个大小只增不减.
- getActiveCount:获取活动的线程数.
通过扩展线程池进行监控.可以通过继承线程池来自定义线程池,重写线程池的 beforeExecute、afterExecute和terminated方法,也可以在任务执行前、执行后和线程池关闭前执行一些代码来进行监控.例如,监控任务的平均执行时间、最大执行时间和最小执行时间等. 这几个方法在线程池里是空方法.
protected void beforeExecute(Thread t, Runnable r) { }
复制代码
线程池的状态
1.当线程池创建后,初始为 running 状态 2.调用 shutdown 方法后,处 shutdown 状态,此时不再接受新的任务,等待已有的任务执行完毕 3.调用 shutdownnow 方法后,进入 stop 状态,不再接受新的任务,并且会尝试终止正在执行的任务。 4.当处于 shotdown 或 stop 状态,并且所有工作线程已经销毁,任务缓存队列已清空,线程池被设为 terminated 状态。
#总结
java 线程池有哪些关键属性?
- corePoolSize 到 maximumPoolSize 之间的线程会被回收,当然 corePoolSize 的线程也可以通过设置而得到回收(allowCoreThreadTimeOut(true))。
- workQueue 用于存放任务,添加任务的时候,如果当前线程数超过了 corePoolSize,那么往该队列中插入任务,线程池中的线程会负责到队列中拉取任务。
- keepAliveTime 用于设置空闲时间,如果线程数超出了 corePoolSize,并且有些线程的空闲时间超过了这个值,会执行关闭这些线程的操作
- rejectedExecutionHandler 用于处理当线程池不能执行此任务时的情况,默认有抛出 RejectedExecutionException 异常、忽略任务、使用提交任务的线程来执行此任务和将队列中等待最久的任务删除,然后提交此任务这四种策略,默认为抛出异常。 ##线程池中的线程创建时机?
- 如果当前线程数少于 corePoolSize,那么提交任务的时候创建一个新的线程,并由这个线程执行这个任务;
- 如果当前线程数已经达到 corePoolSize,那么将提交的任务添加到队列中,等待线程池中的线程去队列中取任务;
- 如果队列已满,那么创建新的线程来执行任务,需要保证池中的线程数不会超过 maximumPoolSize,如果此时线程数超过了 maximumPoolSize,那么执行拒绝策略。
##任务执行过程中发生异常怎么处理? 如果某个任务执行出现异常,那么执行任务的线程会被关闭,而不是继续接收其他任务。然后会启动一个新的线程来代替它。
##什么时候会执行拒绝策略?
- workers 的数量达到了 corePoolSize,任务入队成功,以此同时线程池被关闭了,而且关闭线程池并没有将这个任务出队,那么执行拒绝策略。这里说的是非常边界的问题,入队和关闭线程池并发执行,读者仔细看看 execute 方法是怎么进到第一个 reject(command) 里面的。
- workers 的数量大于等于 corePoolSize,准备入队,可是队列满了,任务入队失败,那么准备开启新的线程,可是线程数已经达到 maximumPoolSize,那么执行拒绝策略。
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来源:掘金
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