JAVA虚拟机体系结构
JAVA虛擬機的生命周期
一個運行時的Java虛擬機實例的天職是：負責運行一個java程序。當啟動一個Java程序時，一個虛擬機實例也就誕生了。當該程序關閉退出，這個虛擬機實例也就隨之消亡。如果同一臺計算機上同時運行三個Java程序，將得到三個Java虛擬機實例。每個Java程序都運行于它自己的Java虛擬機實例中。
Java虛擬機實例通過調用某個初始類的main()方法來運行一個Java程序。而這個main()方法必須是共有的(public)、靜態的(static)、返回值為void，并且接受一個字符串數組作為參數。任何擁有這樣一個main()方法的類都可以作為Java程序運行的起點。
public class Test {public static void main(String[] args) {// TODO Auto-generated method stubSystem.out.println("Hello World");}}在上面的例子中，Java程序初始類中的main()方法，將作為該程序初始線程的起點，任何其他的線程都是由這個初始線程啟動的。
在Java虛擬機內部有兩種線程：守護線程和非守護線程。守護線程通常是由虛擬機自己使用的，比如執行垃圾收集任務的線程。但是，Java程序也可以把它創建的任何線程標記為守護線程。而Java程序中的初始線程——就是開始于main()的那個，是非守護線程。
只要還有任何非守護線程在運行，那么這個Java程序也在繼續運行。當該程序中所有的非守護線程都終止時，虛擬機實例將自動退出。假若安全管理器允許，程序本身也能夠通過調用Runtime類或者System類的exit()方法來退出。
JAVA虛擬機的體系結構
下圖是JAVA虛擬機的結構圖，每個Java虛擬機都有一個類裝載子系統，它根據給定的全限定名來裝入類型（類或接口）。同樣，每個Java虛擬機都有一個執行引擎，它負責執行那些包含在被裝載類的方法中的指令。
當JAVA虛擬機運行一個程序時，它需要內存來存儲許多東西，例如：字節碼、從已裝載的class文件中得到的其他信息、程序創建的對象、傳遞給方法的參數，返回值、局部變量等等。Java虛擬機把這些東西都組織到幾個“運行時數據區”中，以便于管理。
某些運行時數據區是由程序中所有線程共享的，還有一些則只能由一個線程擁有。每個Java虛擬機實例都有一個方法區以及一個堆，它們是由該虛擬機實例中所有的線程共享的。當虛擬機裝載一個class文件時，它會從這個class文件包含的二進制數據中解析類型信息。然后把這些類型信息放到方法區中。當程序運行時，虛擬機會把所有該程序在運行時創建的對象都放到堆中。
當每一個新線程被創建時，它都將得到它自己的PC寄存器（程序計數器）以及一個Java棧，如果線程正在執行的是一個Java方法（非本地方法），那么PC寄存器的值將總是指向下一條將被執行的指令，而它的Java棧則總是存儲該線程中Java方法調用的狀態——包括它的局部變量，被調用時傳進來的參數、返回值，以及運算的中間結果等等。而本地方法調用的狀態，則是以某種依賴于具體實現的方法存儲在本地方法棧中，也可能是在寄存器或者其他某些與特定實現相關的內存區中。
Java棧是由許多棧幀（stack frame）組成的，一個棧幀包含一個Java方法調用的狀態。當線程調用一個Java方法時，虛擬機壓入一個新的棧幀到該線程的Java棧中，當該方法返回時，這個棧幀被從Java棧中彈出并拋棄。
Java虛擬機沒有寄存器，其指令集使用Java棧來存儲中間數據。這樣設計的原因是為了保持Java虛擬機的指令集盡量緊湊、同時也便于Java虛擬機在那些只有很少通用寄存器的平臺上實現。另外，Java虛擬機這種基于棧的體系結構，也有助于運行時某些虛擬機實現的動態編譯器和即時編譯器的代碼優化。
下圖描繪了Java虛擬機為每一個線程創建的內存區，這些內存區域是私有的，任何線程都不能訪問另一個線程的PC寄存器或者Java棧。
上圖展示了一個虛擬機實例的快照，它有三個線程正在執行。線程1和線程2都正在執行Java方法，而線程3則正在執行一個本地方法。
Java棧都是向下生長的，而棧頂都顯示在圖的底部。當前正在執行的方法的棧幀則以淺色表示，對于一個正在運行Java方法的線程而言，它的PC寄存器總是指向下一條將被執行的指令。比如線程1和線程2都是以淺色顯示的，由于線程3當前正在執行一個本地方法，因此，它的PC寄存器——以深色顯示的那個，其值是不確定的。
數據類型
Java虛擬機是通過某些數據類型來執行計算的，數據類型可以分為兩種：基本類型和引用類型，基本類型的變量持有原始值，而引用類型的變量持有引用值。
Java語言中的所有基本類型同樣也都是Java虛擬機中的基本類型。但是boolean有點特別，雖然Java虛擬機也把boolean看做基本類型，但是指令集對boolean只有很有限的支持，當編譯器把Java源代碼編譯為字節碼時，它會用int或者byte來表示boolean。在Java虛擬機中，false是由整數零來表示的，所有非零整數都表示true，涉及boolean值的操作則會使用int。另外，boolean數組是當做byte數組來訪問的，但是在“堆”區，它也可以被表示為位域。
Java虛擬機還有一個只在內部使用的基本類型：returnAddress，Java程序員不能使用這個類型，這個基本類型被用來實現Java程序中的finally子句。該類型是jsr, ret以及jsr_w指令需要使用到的，它的值是JVM指令的操作碼的指針。returnAddress類型不是簡單意義上的數值，不屬于任何一種基本類型，并且它的值是不能被運行中的程序所修改的。
Java虛擬機的引用類型被統稱為“引用（reference）”，有三種引用類型：類類型、接口類型、以及數組類型，它們的值都是對動態創建對象的引用。類類型的值是對類實例的引用；數組類型的值是對數組對象的引用，在Java虛擬機中，數組是個真正的對象；而接口類型的值，則是對實現了該接口的某個類實例的引用。還有一種特殊的引用值是null，它表示該引用變量沒有引用任何對象。
JAVA中方法參數的引用傳遞
java中參數的傳遞有兩種，分別是按值傳遞和按引用傳遞。按值傳遞不必多說，下面就說一下按引用傳遞。
“當一個對象被當作參數傳遞到一個方法”，這就是所謂的按引用傳遞。
public class User {private String name;public String getName() {return name;}public void setName(String name) {this.name = name;}} public class Test {public void set(User user){user.setName("hello world");}public static void main(String[] args) {Test test = new Test();User user = new User();test.set(user);System.out.println(user.getName());} }上面代碼的輸出結果是“hello world”，這不必多說，那如果將set方法改為如下，結果會是多少呢？
public void set(User user){user.setName("hello world");user = new User();user.setName("change");}答案依然是“hello world”，下面就讓我們來分析一下如上代碼。
首先
User user = new User();是在堆中創建了一個對象，并在棧中創建了一個引用，此引用指向該對象，如下圖：
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test.set(user);是將引用user作為參數傳遞到set方法，注意：這里傳遞的并不是引用本身，而是一個引用的拷貝。也就是說這時有兩個引用（引用和引用的拷貝）同時指向堆中的對象，如下圖：
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user.setName("hello world");在set()方法中，“user引用的拷貝”操作堆中的User對象，給name屬性設置字符串"hello world"。如下圖：
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user = new User();在set()方法中，又創建了一個User對象，并將“user引用的拷貝”指向這個在堆中新創建的對象，如下圖：
user.setName("change");
在set()方法中，“user引用的拷貝”操作的是堆中新創建的User對象。
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set()方法執行完畢，目光再回到mian()方法
System.out.println(user.getName());因為之前，"user引用的拷貝"已經將堆中的User對象的name屬性設置為了"hello world"，所以當main()方法中的user調用getName()時，打印的結果就是"hello world"。如下圖：
類裝載子系統
在JAVA虛擬機中，負責查找并裝載類型的那部分被稱為類裝載子系統。
JAVA虛擬機有兩種類裝載器：啟動類裝載器和用戶自定義類裝載器。前者是JAVA虛擬機實現的一部分，后者則是Java程序的一部分。由不同的類裝載器裝載的類將被放在虛擬機內部的不同命名空間中。
類裝載器子系統涉及Java虛擬機的其他幾個組成部分，以及幾個來自java.lang庫的類。比如，用戶自定義的類裝載器是普通的Java對象，它的類必須派生自java.lang.ClassLoader類。ClassLoader中定義的方法為程序提供了訪問類裝載器機制的接口。此外，對于每一個被裝載的類型，JAVA虛擬機都會為它創建一個java.lang.Class類的實例來代表該類型。和所有其他對象一樣，用戶自定義的類裝載器以及Class類的實例都放在內存中的堆區，而裝載的類型信息則都位于方法區。
類裝載器子系統除了要定位和導入二進制class文件外，還必須負責驗證被導入類的正確性，為類變量分配并初始化內存，以及幫助解析符號引用。這些動作必須嚴格按以下順序進行：
（1）裝載——查找并裝載類型的二進制數據。
（2）連接——指向驗證、準備、以及解析（可選）。
● 驗證 確保被導入類型的正確性。
● 準備 為類變量分配內存，并將其初始化為默認值。
● 解析 把類型中的符號引用轉換為直接引用。
（3）初始化——把類變量初始化為正確初始值。
每個JAVA虛擬機實現都必須有一個啟動類裝載器，它知道怎么裝載受信任的類。
每個類裝載器都有自己的命名空間，其中維護著由它裝載的類型。所以一個Java程序可以多次裝載具有同一個全限定名的多個類型。這樣一個類型的全限定名就不足以確定在一個Java虛擬機中的唯一性。因此，當多個類裝載器都裝載了同名的類型時，為了惟一地標識該類型，還要在類型名稱前加上裝載該類型（指出它所位于的命名空間）的類裝載器標識。
方法區
在Java虛擬機中，關于被裝載類型的信息存儲在一個邏輯上被稱為方法區的內存中。當虛擬機裝載某個類型時，它使用類裝載器定位相應的class文件，然后讀入這個class文件——1個線性二進制數據流，然后它傳輸到虛擬機中，緊接著虛擬機提取其中的類型信息，并將這些信息存儲到方法區。該類型中的類（靜態）變量同樣也是存儲在方法區中。
JAVA虛擬機在內部如何存儲類型信息，這是由具體實現的設計者來決定的。
當虛擬機運行Java程序時，它會查找使用存儲在方法區中的類型信息。由于所有線程都共享方法區，因此它們對方法區數據的訪問必須被設計為是線程安全的。比如，假設同時有兩個線程都企圖訪問一個名為Lava的類，而這個類還沒有被裝入虛擬機，那么，這時只應該有一個線程去裝載它，而另一個線程則只能等待。
對于每個裝載的類型，虛擬機都會在方法區中存儲以下類型信息：
● 這個類型的全限定名
● 這個類型的直接超類的全限定名（除非這個類型是java.lang.Object，它沒有超類）
● 這個類型是類類型還是接口類型
● 這個類型的訪問修飾符（public、abstract或final的某個子集）
● 任何直接超接口的全限定名的有序列表
除了上面列出的基本類型信息外，虛擬機還得為每個被裝載的類型存儲以下信息：
● 該類型的常量池
● 字段信息
● 方法信息
● 除了常量以外的所有類（靜態）變量
● 一個到類ClassLoader的引用
● 一個到Class類的引用
常量池
虛擬機必須為每個被裝載的類型維護一個常量池。常量池就是該類型所用常量的一個有序集合，包括直接常量和對其他類型、字段和方法的符號引用。池中的數據項就像數組一樣是通過索引訪問的。因為常量池存儲了相應類型所用到的所有類型、字段和方法的符號引用，所以它在Java程序的動態連接中起著核心的作用。
字段信息
對于類型中聲明的每一個字段。方法區中必須保存下面的信息。除此之外，這些字段在類或者接口中的聲明順序也必須保存。
○ 字段名
○ 字段的類型
○ 字段的修飾符（public、private、protected、static、final、volatile、transient的某個子集）
方法信息
對于類型中聲明的每一個方法，方法區中必須保存下面的信息。和字段一樣，這些方法在類或者接口中的聲明順序也必須保存。
○ 方法名
○ 方法的返回類型（或void）
○ 方法參數的數量和類型（按聲明順序）
○ 方法的修飾符（public、private、protected、static、final、synchronized、native、abstract的某個子集）
除了上面清單中列出的條目之外，如果某個方法不是抽象的和本地的，它還必須保存下列信息：
○ 方法的字節碼（bytecodes）
○ 操作數棧和該方法的棧幀中的局部變量區的大小
○ 異常表
類（靜態）變量
類變量是由所有類實例共享的，但是即使沒有任何類實例，它也可以被訪問。這些變量只與類有關——而非類的實例，因此它們總是作為類型信息的一部分而存儲在方法區。除了在類中聲明的編譯時常量外，虛擬機在使用某個類之前，必須在方法區中為這些類變量分配空間。
而編譯時常量（就是那些用final聲明以及用編譯時已知的值初始化的類變量）則和一般的類變量處理方式不同，每個使用編譯時常量的類型都會復制它的所有常量到自己的常量池中，或嵌入到它的字節碼流中。作為常量池或字節碼流的一部分，編譯時常量保存在方法區中——就和一般的類變量一樣。但是當一般的類變量作為聲明它們的類型的一部分數據面保存的時候，編譯時常量作為使用它們的類型的一部分而保存。
指向ClassLoader類的引用
每個類型被裝載的時候，虛擬機必須跟蹤它是由啟動類裝載器還是由用戶自定義類裝載器裝載的。如果是用戶自定義類裝載器裝載的，那么虛擬機必須在類型信息中存儲對該裝載器的引用。這是作為方法表中的類型數據的一部分保存的。
虛擬機會在動態連接期間使用這個信息。當某個類型引用另一個類型的時候，虛擬機會請求裝載發起引用類型的類裝載器來裝載被引用的類型。這個動態連接的過程，對于虛擬機分離命名空間的方式也是至關重要的。為了能夠正確地執行動態連接以及維護多個命名空間，虛擬機需要在方法表中得知每個類都是由哪個類裝載器裝載的。
指向Class類的引用
對于每一個被裝載的類型（不管是類還是接口），虛擬機都會相應地為它創建一個java.lang.Class類的實例，而且虛擬機還必須以某種方式把這個實例和存儲在方法區中的類型數據關聯起來。
在Java程序中，你可以得到并使用指向Class對象的引用。Class類中的一個靜態方法可以讓用戶得到任何已裝載的類的Class實例的引用。
public static Class<?> forName(String className)比如，如果調用forName("java.lang.Object")，那么將得到一個代表java.lang.Object的Class對象的引用?？梢允褂胒orName()來得到代表任何包中任何類型的Class對象的引用，只要這個類型可以被（或者已經被）裝載到當前命名空間中。如果虛擬機無法把請求的類型裝載到當前命名空間，那么會拋出ClassNotFoundException異常。
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另一個得到Class對象引用的方法是，可以調用任何對象引用的getClass()方法。這個方法被來自Object類本身的所有對象繼承：
public final native Class<?> getClass();比如，如果你有一個到java.lang.Integer類的對象的引用，那么你只需簡單地調用Integer對象引用的getClass()方法，就可以得到表示java.lang.Integer類的Class對象。
方法區使用實例
為了展示虛擬機如何使用方法區中的信息，下面來舉例說明：
class Lava {private int speed = 5;void flow(){} } public class Volcano {public static void main(String[] args){Lava lava = new Lava();lava.flow();} }不同的虛擬機實現可能會用完全不同的方法來操作，下面描述的只是其中一種可能——但并不是僅有的一種。
要運行Volcano程序，首先得以某種“依賴于實現的”方式告訴虛擬機“Volcano”這個名字。之后，虛擬機將找到并讀入相應的class文件“Volcano.class”，然后它會從導入的class文件里的二進制數據中提取類型信息并放到方法區中。通過執行保存在方法區中的字節碼，虛擬機開始執行main()方法，在執行時，它會一直持有指向當前類（Volcano類）的常量池（方法區中的一個數據結構）的指針。
注意：虛擬機開始執行Volcano類中main()方法的字節碼的時候，盡管Lava類還沒被裝載，但是和大多數（也許所有）虛擬機實現一樣，它不會等到把程序中用到的所有類都裝載后才開始運行。恰好相反，它只會需要時才裝載相應的類。
main()的第一條指令告知虛擬機為列在常量池第一項的類分配足夠的內存。所以虛擬機使用指向Volcano常量池的指針找到第一項，發現它是一個對Lava類的符號引用，然后它就檢查方法區，看Lava類是否已經被加載了。
這個符號引用僅僅是一個給出了類Lava的全限定名“Lava”的字符串。為了能讓虛擬機盡可能快地從一個名稱找到類，虛擬機的設計者應當選擇最佳的數據結構和算法。
當虛擬機發現還沒有裝載過名為“Lava”的類時，它就開始查找并裝載文件“Lava.class”，并把從讀入的二進制數據中提取的類型信息放在方法區中。
緊接著，虛擬機以一個直接指向方法區Lava類數據的指針來替換常量池第一項（就是那個字符串“Lava”），以后就可以用這個指針來快速地訪問Lava類了。這個替換過程稱為常量池解析，即把常量池中的符號引用替換為直接引用。
終于，虛擬機準備為一個新的Lava對象分配內存。此時它又需要方法區中的信息。還記得剛剛放到Volcano類常量池第一項的指針嗎？現在虛擬機用它來訪問Lava類型信息，找出其中記錄的這樣一條信息：一個Lava對象需要分配多少堆空間。
JAVA虛擬機總能夠通過存儲與方法區的類型信息來確定一個對象需要多少內存，當JAVA虛擬機確定了一個Lava對象的大小后，它就在堆上分配這么大的空間，并把這個對象實例的變量speed初始化為默認初始值0。
當把新生成的Lava對象的引用壓到棧中，main()方法的第一條指令也完成了。接下來的指令通過這個引用調用Java代碼（該代碼把speed變量初始化為正確初始值5）。另一條指令將用這個引用調用Lava對象引用的flow()方法。
堆
Java程序在運行時創建的所有類實例或數組都放在同一個堆中。而一個JAVA虛擬機實例中只存在一個堆空間，因此所有線程都將共享這個堆。又由于一個Java程序獨占一個JAVA虛擬機實例，因而每個Java程序都有它自己的堆空間——它們不會彼此干擾。但是同一個Java程序的多個線程卻共享著同一個堆空間，在這種情況下，就得考慮多線程訪問對象（堆數據）的同步問題了。
JAVA虛擬機有一條在堆中分配新對象的指令，卻沒有釋放內存的指令，正如你無法用Java代碼區明確釋放一個對象一樣。虛擬機自己負責決定如何以及何時釋放不再被運行的程序引用的對象所占據的內存。通常，虛擬機把這個任務交給垃圾收集器。
數組的內部表示
在Java中，數組是真正的對象。和其他對象一樣，數組總是存儲在堆中。同樣，數組也擁有一個與它們的類相關聯的Class實例，所有具有相同維度和類型的數組都是同一個類的實例，而不管數組的長度（多維數組每一維的長度）是多少。例如一個包含3個int整數的數組和一個包含300個整數的數組擁有同一個類。數組的長度只與實例數據有關。
數組類的名稱由兩部分組成：每一維用一個方括號“[”表示，用字符或字符串表示元素類型。比如，元素類型為int整數的、一維數組的類名為“[I”，元素類型為byte的三維數組為“[[[B”，元素類型為Object的二維數組為“[[Ljava/lang/Object”。
多維數組被表示為數組的數組。比如，int類型的二維數組，將表示為一個一維數組，其中的每一個元素是一個一維int數組的引用，如下圖：
在堆中的每個數組對象還必須保存的數據時數組的長度、數組數據，以及某些指向數組的類數據的引用。虛擬機必須能夠通過一個數組對象的引用得到此數組的長度，通過索引訪問其元素（期間要檢查數組邊界是否越界），調用所有數組的直接超類Object聲明的方法等等。
程序計數器
對于一個運行中的Java程序而言，其中的每一個線程都有它自己的PC（程序計數器）寄存器，它是在該線程啟動時創建的，PC寄存器的大小是一個字長，因此它既能夠持有一個本地指針，也能夠持有一個returnAddress。當線程執行某個Java方法時，PC寄存器的內容總是下一條將被執行指令的“地址”，這里的“地址”可以是一個本地指針，也可以是在方法字節碼中相對于該方法起始指令的偏移量。如果該線程正在執行一個本地方法，那么此時PC寄存器的值是“undefined”。
Java棧
每當啟動一個新線程時，Java虛擬機都會為它分配一個Java棧。Java棧以幀為單位保存線程的運行狀態。虛擬機只會直接對Java棧執行兩種操作：以幀為單位的壓棧和出棧。
某個線程正在執行的方法被稱為該線程的當前方法，當前方法使用的棧幀稱為當前幀，當前方法所屬的類稱為當前類，當前類的常量池稱為當前常量池。在線程執行一個方法時，它會跟蹤當前類和當前常量池。此外，當虛擬機遇到棧內操作指令時，它對當前幀內數據執行操作。
每當線程調用一個Java方法時，虛擬機都會在該線程的Java棧中壓入一個新幀。而這個新幀自然就成為了當前幀。在執行這個方法時，它使用這個幀來存儲參數、局部變量、中間運算結果等數據。
Java方法可以以兩種方式完成。一種通過return返回的，稱為正常返回；一種是通過拋出異常而異常終止的。不管以哪種方式返回，虛擬機都會將當前幀彈出Java棧然后釋放掉，這樣上一個方法的幀就成為當前幀了。
Java幀上的所有數據都是此線程私有的。任何線程都不能訪問另一個線程的棧數據，因此我們不需要考慮多線程情況下棧數據的訪問同步問題。當一個線程調用一個方法時，方法的的局部變量保存在調用線程Java棧的幀中。只有一個線程能總是訪問那些局部變量，即調用方法的線程。
本地方法棧
前面提到的所有運行時數據區都是Java虛擬機規范中明確定義的，除此之外，對于一個運行中的Java程序而言，它還可能會用到一些跟本地方法相關的數據區。當某個線程調用一個本地方法時，它就進入了一個全新的并且不再受虛擬機限制的世界。本地方法可以通過本地方法接口來訪問虛擬機的運行時數據區，但不止如此，它還可以做任何它想做的事情。
本地方法本質上時依賴于實現的，虛擬機實現的設計者們可以自由地決定使用怎樣的機制來讓Java程序調用本地方法。
任何本地方法接口都會使用某種本地方法棧。當線程調用Java方法時，虛擬機會創建一個新的棧幀并壓入Java棧。然而當它調用的是本地方法時，虛擬機會保持Java棧不變，不再在線程的Java棧中壓入新的幀，虛擬機只是簡單地動態連接并直接調用指定的本地方法。
如果某個虛擬機實現的本地方法接口是使用C連接模型的話，那么它的本地方法棧就是C棧。當C程序調用一個C函數時，其棧操作都是確定的。傳遞給該函數的參數以某個確定的順序壓入棧，它的返回值也以確定的方式傳回調用者。同樣，這就是虛擬機實現中本地方法棧的行為。
很可能本地方法接口需要回調Java虛擬機中的Java方法，在這種情況下，該線程會保存本地方法棧的狀態并進入到另一個Java棧。
下圖描繪了這樣一個情景，就是當一個線程調用一個本地方法時，本地方法又回調虛擬機中的另一個Java方法。這幅圖展示了JAVA虛擬機內部線程運行的全景圖。一個線程可能在整個生命周期中都執行Java方法，操作它的Java棧；或者它可能毫無障礙地在Java棧和本地方法棧之間跳轉?！ ?/p>
該線程首先調用了兩個Java方法，而第二個Java方法又調用了一個本地方法，這樣導致虛擬機使用了一個本地方法棧。假設這是一個C語言棧，其間有兩個C函數，第一個C函數被第二個Java方法當做本地方法調用，而這個C函數又調用了第二個C函數。之后第二個C函數又通過本地方法接口回調了一個Java方法（第三個Java方法），最終這個Java方法又調用了一個Java方法（它成為圖中的當前方法）。
from:?http://www.cnblogs.com/java-my-life/archive/2012/08/01/2615221.html
總結
以上是生活随笔為你收集整理的JAVA虚拟机体系结构的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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