還不懂 ConcurrentHashMap ?這份源碼分析瞭解一下

文章已經收錄在 Github.com/niumoo/JavaNotes ,更有 Java 程序員所須要掌握的核心知識,歡迎Star和指教。
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上一篇文章介紹了 HashMap 源碼,反響不錯,也有不少同窗發表了本身的觀點,此次又來了,此次是 ConcurrentHashMap 了,做爲線程安全的HashMap ,它的使用頻率也是很高。那麼它的存儲結構和實現原理是怎麼樣的呢?java

1. ConcurrentHashMap 1.7

1. 存儲結構

Java 7 ConcurrentHashMap 存儲結構

Java 7 中 ConcurrentHashMap 的存儲結構如上圖,ConcurrnetHashMap 由不少個 Segment 組合,而每個 Segment 是一個相似於 HashMap 的結構,因此每個 HashMap 的內部能夠進行擴容。可是 Segment 的個數一旦初始化就不能改變,默認 Segment 的個數是 16 個,你也能夠認爲 ConcurrentHashMap 默認支持最多 16 個線程併發。node

2. 初始化

經過 ConcurrentHashMap 的無參構造探尋 ConcurrentHashMap 的初始化流程。git

/**
     * Creates a new, empty map with a default initial capacity (16),
     * load factor (0.75) and concurrencyLevel (16).
     */
    public ConcurrentHashMap() {
        this(DEFAULT_INITIAL_CAPACITY, DEFAULT_LOAD_FACTOR, DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL);
    }

無參構造中調用了有參構造,傳入了三個參數的默認值,他們的值是。程序員

/**
     * 默認初始化容量
     */
    static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 16;

    /**
     * 默認負載因子
     */
    static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;

    /**
     * 默認併發級別
     */
    static final int DEFAULT_CONCURRENCY_LEVEL = 16;

接着看下這個有參構造函數的內部實現邏輯。github

@SuppressWarnings("unchecked")
public ConcurrentHashMap(int initialCapacity,float loadFactor, int concurrencyLevel) {
    // 參數校驗
    if (!(loadFactor > 0) || initialCapacity < 0 || concurrencyLevel <= 0)
        throw new IllegalArgumentException();
    // 校驗併發級別大小,大於 1<<16,重置爲 65536
    if (concurrencyLevel > MAX_SEGMENTS)
        concurrencyLevel = MAX_SEGMENTS;
    // Find power-of-two sizes best matching arguments
    // 2的多少次方
    int sshift = 0;
    int ssize = 1;
    // 這個循環能夠找到 concurrencyLevel 之上最近的 2的次方值
    while (ssize < concurrencyLevel) {
        ++sshift;
        ssize <<= 1;
    }
    // 記錄段偏移量
    this.segmentShift = 32 - sshift;
    // 記錄段掩碼
    this.segmentMask = ssize - 1;
    // 設置容量
    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    // c = 容量 / ssize ,默認 16 / 16 = 1,這裏是計算每一個 Segment 中的相似於 HashMap 的容量
    int c = initialCapacity / ssize;
    if (c * ssize < initialCapacity)
        ++c;
    int cap = MIN_SEGMENT_TABLE_CAPACITY;
    //Segment 中的相似於 HashMap 的容量至少是2或者2的倍數
    while (cap < c)
        cap <<= 1;
    // create segments and segments[0]
    // 建立 Segment 數組,設置 segments[0]
    Segment<K,V> s0 = new Segment<K,V>(loadFactor, (int)(cap * loadFactor),
                         (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]);
    Segment<K,V>[] ss = (Segment<K,V>[])new Segment[ssize];
    UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); // ordered write of segments[0]
    this.segments = ss;
}

總結一下在 Java 7 中 ConcurrnetHashMap 的初始化邏輯。面試

  1. 必要參數校驗。
  2. 校驗併發級別 concurrencyLevel 大小,若是大於最大值,重置爲最大值。無慘構造默認值是 16.
  3. 尋找併發級別 concurrencyLevel 之上最近的 2 的冪次方值,做爲初始化容量大小,默認是 16
  4. 記錄 segmentShift 偏移量,這個值爲【容量 = 2 的N次方】中的 N,在後面 Put 時計算位置時會用到。默認是 32 - sshift = 28.
  5. 記錄 segmentMask,默認是 ssize - 1 = 16 -1 = 15.
  6. 初始化 segments[0]默認大小爲 2負載因子 0.75擴容閥值是 2*0.75=1.5,插入第二個值時纔會進行擴容。

3. put

接着上面的初始化參數繼續查看 put 方法源碼。數組

/**
 * Maps the specified key to the specified value in this table.
 * Neither the key nor the value can be null.
 *
 * <p> The value can be retrieved by calling the <tt>get</tt> method
 * with a key that is equal to the original key.
 *
 * @param key key with which the specified value is to be associated
 * @param value value to be associated with the specified key
 * @return the previous value associated with <tt>key</tt>, or
 *         <tt>null</tt> if there was no mapping for <tt>key</tt>
 * @throws NullPointerException if the specified key or value is null
 */
public V put(K key, V value) {
    Segment<K,V> s;
    if (value == null)
        throw new NullPointerException();
    int hash = hash(key);
    // hash 值無符號右移 28位(初始化時得到),而後與 segmentMask=15 作與運算
    // 其實也就是把高4位與segmentMask(1111)作與運算
    int j = (hash >>> segmentShift) & segmentMask;
    if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObject          // nonvolatile; recheck
         (segments, (j << SSHIFT) + SBASE)) == null) //  in ensureSegment
        // 若是查找到的 Segment 爲空,初始化
        s = ensureSegment(j);
    return s.put(key, hash, value, false);
}

/**
 * Returns the segment for the given index, creating it and
 * recording in segment table (via CAS) if not already present.
 *
 * @param k the index
 * @return the segment
 */
@SuppressWarnings("unchecked")
private Segment<K,V> ensureSegment(int k) {
    final Segment<K,V>[] ss = this.segments;
    long u = (k << SSHIFT) + SBASE; // raw offset
    Segment<K,V> seg;
    // 判斷 u 位置的 Segment 是否爲null
    if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) {
        Segment<K,V> proto = ss[0]; // use segment 0 as prototype
        // 獲取0號 segment 裏的 HashEntry<K,V> 初始化長度
        int cap = proto.table.length;
        // 獲取0號 segment 裏的 hash 表裏的擴容負載因子,全部的 segment 的 loadFactor 是相同的
        float lf = proto.loadFactor;
        // 計算擴容閥值
        int threshold = (int)(cap * lf);
        // 建立一個 cap 容量的 HashEntry 數組
        HashEntry<K,V>[] tab = (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap];
        if ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u)) == null) { // recheck
            // 再次檢查 u 位置的 Segment 是否爲null,由於這時可能有其餘線程進行了操做
            Segment<K,V> s = new Segment<K,V>(lf, threshold, tab);
            // 自旋檢查 u 位置的 Segment 是否爲null
            while ((seg = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(ss, u))
                   == null) {
                // 使用CAS 賦值,只會成功一次
                if (UNSAFE.compareAndSwapObject(ss, u, null, seg = s))
                    break;
            }
        }
    }
    return seg;
}

上面的源碼分析了 ConcurrentHashMap 在 put 一個數據時的處理流程,下面梳理下具體流程。安全

  1. 計算要 put 的 key 的位置,獲取指定位置的 Segment。
  2. 若是指定位置的 Segment 爲空,則初始化這個 Segment.併發

    初始化 Segment 流程:app

    1. 檢查計算獲得的位置的 Segment 是否爲null.
    2. 爲 null 繼續初始化,使用 Segment[0] 的容量和負載因子建立一個 HashEntry 數組。
    3. 再次檢查計算獲得的指定位置的 Segment 是否爲null.
    4. 使用建立的 HashEntry 數組初始化這個 Segment.
    5. 自旋判斷計算獲得的指定位置的 Segment 是否爲null,使用 CAS 在這個位置賦值爲 Segment.
  3. Segment.put 插入 key,value 值。

上面探究了獲取 Segment 段和初始化 Segment 段的操做。最後一行的 Segment 的 put 方法尚未查看,繼續分析。

final V put(K key, int hash, V value, boolean onlyIfAbsent) {
    // 獲取 ReentrantLock 獨佔鎖,獲取不到,scanAndLockForPut 獲取。
    HashEntry<K,V> node = tryLock() ? null : scanAndLockForPut(key, hash, value);
    V oldValue;
    try {
        HashEntry<K,V>[] tab = table;
        // 計算要put的數據位置
        int index = (tab.length - 1) & hash;
        // CAS 獲取 index 座標的值
        HashEntry<K,V> first = entryAt(tab, index);
        for (HashEntry<K,V> e = first;;) {
            if (e != null) {
                // 檢查是否 key 已經存在,若是存在,則遍歷鏈表尋找位置,找到後替換 value
                K k;
                if ((k = e.key) == key ||
                    (e.hash == hash && key.equals(k))) {
                    oldValue = e.value;
                    if (!onlyIfAbsent) {
                        e.value = value;
                        ++modCount;
                    }
                    break;
                }
                e = e.next;
            }
            else {
                // first 有值沒說明 index 位置已經有值了,有衝突,鏈表頭插法。
                if (node != null)
                    node.setNext(first);
                else
                    node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, first);
                int c = count + 1;
                // 容量大於擴容閥值,小於最大容量,進行擴容
                if (c > threshold && tab.length < MAXIMUM_CAPACITY)
                    rehash(node);
                else
                    // index 位置賦值 node,node 多是一個元素,也多是一個鏈表的表頭
                    setEntryAt(tab, index, node);
                ++modCount;
                count = c;
                oldValue = null;
                break;
            }
        }
    } finally {
        unlock();
    }
    return oldValue;
}

因爲 Segment 繼承了 ReentrantLock,因此 Segment 內部能夠很方便的獲取鎖,put 流程就用到了這個功能。

  1. tryLock() 獲取鎖,獲取不到使用 scanAndLockForPut 方法繼續獲取。
  2. 計算 put 的數據要放入的 index 位置,而後獲取這個位置上的 HashEntry 。
  3. 遍歷 put 新元素,爲何要遍歷?由於這裏獲取的 HashEntry 多是一個空元素,也多是鏈表已存在,因此要區別對待。

    若是這個位置上的 HashEntry 不存在

    1. 若是當前容量大於擴容閥值,小於最大容量,進行擴容
    2. 直接頭插法插入。

若是這個位置上的 HashEntry 存在

    1. 判斷鏈表當前元素 Key 和 hash 值是否和要 put 的 key 和 hash 值一致。一致則替換值
    2. 不一致,獲取鏈表下一個節點,直到發現相同進行值替換,或者鏈表表裏完畢沒有相同的。

      1. 若是當前容量大於擴容閥值,小於最大容量,進行擴容
      2. 直接鏈表頭插法插入。
    1. 若是要插入的位置以前已經存在,替換後返回舊值,不然返回 null.

    這裏面的第一步中的 scanAndLockForPut 操做這裏沒有介紹,這個方法作的操做就是不斷的自旋 tryLock() 獲取鎖。當自旋次數大於指定次數時,使用 lock() 阻塞獲取鎖。在自旋時順表獲取下 hash 位置的 HashEntry。

    private HashEntry<K,V> scanAndLockForPut(K key, int hash, V value) {
        HashEntry<K,V> first = entryForHash(this, hash);
        HashEntry<K,V> e = first;
        HashEntry<K,V> node = null;
        int retries = -1; // negative while locating node
        // 自旋獲取鎖
        while (!tryLock()) {
            HashEntry<K,V> f; // to recheck first below
            if (retries < 0) {
                if (e == null) {
                    if (node == null) // speculatively create node
                        node = new HashEntry<K,V>(hash, key, value, null);
                    retries = 0;
                }
                else if (key.equals(e.key))
                    retries = 0;
                else
                    e = e.next;
            }
            else if (++retries > MAX_SCAN_RETRIES) {
                // 自旋達到指定次數後,阻塞等到只到獲取到鎖
                lock();
                break;
            }
            else if ((retries & 1) == 0 &&
                     (f = entryForHash(this, hash)) != first) {
                e = first = f; // re-traverse if entry changed
                retries = -1;
            }
        }
        return node;
    }

    4. 擴容 rehash

    ConcurrentHashMap 的擴容只會擴容到原來的兩倍。老數組裏的數據移動到新的數組時,位置要麼不變,要麼變爲 index+ oldSize,參數裏的 node 會在擴容以後使用鏈表頭插法插入到指定位置。

    private void rehash(HashEntry<K,V> node) {
        HashEntry<K,V>[] oldTable = table;
        // 老容量
        int oldCapacity = oldTable.length;
        // 新容量,擴大兩倍
        int newCapacity = oldCapacity << 1;
        // 新的擴容閥值 
        threshold = (int)(newCapacity * loadFactor);
        // 建立新的數組
        HashEntry<K,V>[] newTable = (HashEntry<K,V>[]) new HashEntry[newCapacity];
        // 新的掩碼,默認2擴容後是4,-1是3,二進制就是11。
        int sizeMask = newCapacity - 1;
        for (int i = 0; i < oldCapacity ; i++) {
            // 遍歷老數組
            HashEntry<K,V> e = oldTable[i];
            if (e != null) {
                HashEntry<K,V> next = e.next;
                // 計算新的位置,新的位置只多是不便或者是老的位置+老的容量。
                int idx = e.hash & sizeMask;
                if (next == null)   //  Single node on list
                    // 若是當前位置還不是鏈表,只是一個元素,直接賦值
                    newTable[idx] = e;
                else { // Reuse consecutive sequence at same slot
                    // 若是是鏈表了
                    HashEntry<K,V> lastRun = e;
                    int lastIdx = idx;
                    // 新的位置只多是不便或者是老的位置+老的容量。
                    // 遍歷結束後,lastRun 後面的元素位置都是相同的
                    for (HashEntry<K,V> last = next; last != null; last = last.next) {
                        int k = last.hash & sizeMask;
                        if (k != lastIdx) {
                            lastIdx = k;
                            lastRun = last;
                        }
                    }
                    // ,lastRun 後面的元素位置都是相同的,直接做爲鏈表賦值到新位置。
                    newTable[lastIdx] = lastRun;
                    // Clone remaining nodes
                    for (HashEntry<K,V> p = e; p != lastRun; p = p.next) {
                        // 遍歷剩餘元素,頭插法到指定 k 位置。
                        V v = p.value;
                        int h = p.hash;
                        int k = h & sizeMask;
                        HashEntry<K,V> n = newTable[k];
                        newTable[k] = new HashEntry<K,V>(h, p.key, v, n);
                    }
                }
            }
        }
        // 頭插法插入新的節點
        int nodeIndex = node.hash & sizeMask; // add the new node
        node.setNext(newTable[nodeIndex]);
        newTable[nodeIndex] = node;
        table = newTable;
    }

    有些同窗可能會對最後的兩個 for 循環有疑惑,這裏第一個 for 是爲了尋找這樣一個節點,這個節點後面的全部 next 節點的新位置都是相同的。而後把這個做爲一個鏈表賦值到新位置。第二個 for 循環是爲了把剩餘的元素經過頭插法插入到指定位置鏈表。這樣實現的緣由多是基於機率統計,有深刻研究的同窗能夠發表下意見。

    5. get

    到這裏就很簡單了,get 方法只須要兩步便可。

    1. 計算獲得 key 的存放位置。
    2. 遍歷指定位置查找相同 key 的 value 值。
    public V get(Object key) {
        Segment<K,V> s; // manually integrate access methods to reduce overhead
        HashEntry<K,V>[] tab;
        int h = hash(key);
        long u = (((h >>> segmentShift) & segmentMask) << SSHIFT) + SBASE;
        // 計算獲得 key 的存放位置
        if ((s = (Segment<K,V>)UNSAFE.getObjectVolatile(segments, u)) != null &&
            (tab = s.table) != null) {
            for (HashEntry<K,V> e = (HashEntry<K,V>) UNSAFE.getObjectVolatile
                     (tab, ((long)(((tab.length - 1) & h)) << TSHIFT) + TBASE);
                 e != null; e = e.next) {
                // 若是是鏈表,遍歷查找到相同 key 的 value。
                K k;
                if ((k = e.key) == key || (e.hash == h && key.equals(k)))
                    return e.value;
            }
        }
        return null;
    }

    2. ConcurrentHashMap 1.8

    1. 存儲結構

    Java8 ConcurrentHashMap 存儲結構(圖片來自 javadoop)

    能夠發現 Java8 的 ConcurrentHashMap 相對於 Java7 來講變化比較大,再也不是以前的 Segment 數組 + HashEntry 數組 + 鏈表,而是 Node 數組 + 鏈表 / 紅黑樹。當衝突鏈表達到必定長度時,鏈表會轉換成紅黑樹。

    2. 初始化 initTable

    /**
     * Initializes table, using the size recorded in sizeCtl.
     */
    private final Node<K,V>[] initTable() {
        Node<K,V>[] tab; int sc;
        while ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
            // 若是 sizeCtl < 0 ,說明另外的線程執行CAS 成功,正在進行初始化。
            if ((sc = sizeCtl) < 0)
                // 讓出 CPU 使用權
                Thread.yield(); // lost initialization race; just spin
            else if (U.compareAndSwapInt(this, SIZECTL, sc, -1)) {
                try {
                    if ((tab = table) == null || tab.length == 0) {
                        int n = (sc > 0) ? sc : DEFAULT_CAPACITY;
                        @SuppressWarnings("unchecked")
                        Node<K,V>[] nt = (Node<K,V>[])new Node<?,?>[n];
                        table = tab = nt;
                        sc = n - (n >>> 2);
                    }
                } finally {
                    sizeCtl = sc;
                }
                break;
            }
        }
        return tab;
    }

    從源碼中能夠發現 ConcurrentHashMap 的初始化是經過自旋和 CAS 操做完成的。裏面須要注意的是變量 sizeCtl ,它的值決定着當前的初始化狀態。

    1. -1 說明正在初始化
    2. -N 說明有N-1個線程正在進行擴容
    3. 表示 table 初始化大小,若是 table 沒有初始化
    4. 表示 table 容量,若是 table 已經初始化。

    3. put

    直接過一遍 put 源碼。

    public V put(K key, V value) {
        return putVal(key, value, false);
    }
    
    /** Implementation for put and putIfAbsent */
    final V putVal(K key, V value, boolean onlyIfAbsent) {
        // key 和 value 不能爲空
        if (key == null || value == null) throw new NullPointerException();
        int hash = spread(key.hashCode());
        int binCount = 0;
        for (Node<K,V>[] tab = table;;) {
            // f = 目標位置元素
            Node<K,V> f; int n, i, fh;// fh 後面存放目標位置的元素 hash 值
            if (tab == null || (n = tab.length) == 0)
                // 數組桶爲空,初始化數組桶(自旋+CAS)
                tab = initTable();
            else if ((f = tabAt(tab, i = (n - 1) & hash)) == null) {
                // 桶內爲空,CAS 放入,不加鎖,成功了就直接 break 跳出
                if (casTabAt(tab, i, null,new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
                    break;  // no lock when adding to empty bin
            }
            else if ((fh = f.hash) == MOVED)
                tab = helpTransfer(tab, f);
            else {
                V oldVal = null;
                // 使用 synchronized 加鎖加入節點
                synchronized (f) {
                    if (tabAt(tab, i) == f) {
                        // 說明是鏈表
                        if (fh >= 0) {
                            binCount = 1;
                            // 循環加入新的或者覆蓋節點
                            for (Node<K,V> e = f;; ++binCount) {
                                K ek;
                                if (e.hash == hash &&
                                    ((ek = e.key) == key ||
                                     (ek != null && key.equals(ek)))) {
                                    oldVal = e.val;
                                    if (!onlyIfAbsent)
                                        e.val = value;
                                    break;
                                }
                                Node<K,V> pred = e;
                                if ((e = e.next) == null) {
                                    pred.next = new Node<K,V>(hash, key,
                                                              value, null);
                                    break;
                                }
                            }
                        }
                        else if (f instanceof TreeBin) {
                            // 紅黑樹
                            Node<K,V> p;
                            binCount = 2;
                            if ((p = ((TreeBin<K,V>)f).putTreeVal(hash, key,
                                                           value)) != null) {
                                oldVal = p.val;
                                if (!onlyIfAbsent)
                                    p.val = value;
                            }
                        }
                    }
                }
                if (binCount != 0) {
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD)
                        treeifyBin(tab, i);
                    if (oldVal != null)
                        return oldVal;
                    break;
                }
            }
        }
        addCount(1L, binCount);
        return null;
    }
    1. 根據 key 計算出 hashcode 。
    2. 判斷是否須要進行初始化。
    3. 即爲當前 key 定位出的 Node,若是爲空表示當前位置能夠寫入數據,利用 CAS 嘗試寫入,失敗則自旋保證成功。
    4. 若是當前位置的 hashcode == MOVED == -1,則須要進行擴容。
    5. 若是都不知足,則利用 synchronized 鎖寫入數據。
    6. 若是數量大於 TREEIFY_THRESHOLD 則要轉換爲紅黑樹。

    4. get

    get 流程比較簡單,直接過一遍源碼。

    public V get(Object key) {
        Node<K,V>[] tab; Node<K,V> e, p; int n, eh; K ek;
        // key 所在的 hash 位置
        int h = spread(key.hashCode());
        if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (e = tabAt(tab, (n - 1) & h)) != null) {
            // 若是指定位置元素存在,頭結點hash值相同
            if ((eh = e.hash) == h) {
                if ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek)))
                    // key hash 值相等,key值相同,直接返回元素 value
                    return e.val;
            }
            else if (eh < 0)
                // 頭結點hash值小於0,說明正在擴容或者是紅黑樹,find查找
                return (p = e.find(h, key)) != null ? p.val : null;
            while ((e = e.next) != null) {
                // 是鏈表,遍歷查找
                if (e.hash == h &&
                    ((ek = e.key) == key || (ek != null && key.equals(ek))))
                    return e.val;
            }
        }
        return null;
    }

    總結一下 get 過程:

    1. 根據 hash 值計算位置。
    2. 查找到指定位置,若是頭節點就是要找的,直接返回它的 value.
    3. 若是頭節點 hash 值小於 0 ,說明正在擴容或者是紅黑樹,查找之。
    4. 若是是鏈表,遍歷查找之。

    總結:

    總的來講 ConcruuentHashMap 在 Java8 中相對於 Java7 來講變化仍是挺大的,

    3. 總結

    Java7 中 ConcruuentHashMap 使用的分段鎖,也就是每個 Segment 上同時只有一個線程能夠操做,每個 Segment 都是一個相似 HashMap 數組的結構,它能夠擴容,它的衝突會轉化爲鏈表。可是 Segment 的個數一但初始化就不能改變。

    Java8 中的 ConcruuentHashMap 使用的 Synchronized 鎖加 CAS 的機制。結構也由 Java7 中的 Segment 數組 + HashEntry 數組 + 鏈表 進化成了 Node 數組 + 鏈表 / 紅黑樹,Node 是相似於一個 HashEntry 的結構。它的衝突再達到必定大小時會轉化成紅黑樹,在衝突小於必定數量時又退回鏈表。

    有些同窗可能對 Synchronized 的性能存在疑問,其實 Synchronized 鎖自從引入鎖升級策略後,性能再也不是問題,有興趣的同窗能夠本身瞭解下 Synchronized 的鎖升級

    最後的話

    文章已經收錄在 Github.com/niumoo/JavaNotes ,歡迎Star和指教。更有一線大廠面試點,Java程序員須要掌握的核心知識等文章,也整理了不少個人文字,歡迎 Star 和完善,但願咱們一塊兒變得優秀。

    文章有幫助能夠點個「」或「分享」,都是支持,我都喜歡! 文章每週持續更新,要實時關注我更新的文章以及分享的乾貨,能夠關注「 未讀代碼 」公衆號

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