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透過(guò) NestJS 中的高級(jí)快取提高速度和效能：如何使用 AVL 樹(shù)和 Redis

DDD

Dec 26, 2024 pm 12:15 PM

Boosting Speed and Performance with Advanced Caching in NestJS: How to Use AVL Trees and Redis

在當(dāng)今世界，回應(yīng)請(qǐng)求的速度和效率對(duì)於大規(guī)模和高流量的系統(tǒng)至關(guān)重要。電子商務(wù)網(wǎng)站、社交網(wǎng)路和銀行服務(wù)等線上平檯面臨大量資料和使用者請(qǐng)求。這種高要求不僅會(huì)為伺服器和資料庫(kù)帶來(lái)巨大的負(fù)載，還會(huì)顯著影響使用者體驗(yàn)。在這種情況下，實(shí)施快取系統(tǒng)可以成為提高效能和減少資源負(fù)載的有效解決方案。

在本文中，我們探討了結(jié)合 AVL 樹(shù)和 Redis 的高階快取系統(tǒng)的實(shí)作。該系統(tǒng)包括安全機(jī)制、TTL（生存時(shí)間）管理以及與 Redis 的集成，以增強(qiáng)性能和靈活性。目標(biāo)是利用這兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)減輕它們的弱點(diǎn)。

重要提示：本文是在人工智慧的幫助下開(kāi)發(fā)的。

基於AVL樹(shù)的快取系統(tǒng)與Redis結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

提高記憶效率：
- 智慧型TTL管理：透過(guò)使用AVL樹(shù)來(lái)管理資料過(guò)期，可以最佳化記憶體消耗，並防止保留陳舊資料。這在資料變化快、需要精確過(guò)期的場(chǎng)景下特別有用。
增強(qiáng)的安全性：
- 令牌驗(yàn)證：增加基於令牌的驗(yàn)證機(jī)制增強(qiáng)了Redis的安全性。這個(gè)額外的安全層可以防止對(duì)快取的未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)，從而增強(qiáng)整體系統(tǒng)的安全性。
進(jìn)階 TTL 管理：
- 自訂過(guò)期策略： AVL 樹(shù)允許實(shí)施 Redis 可能不支援的更複雜和客製化的過(guò)期策略。
多樣化的資料結(jié)構(gòu)：
- 平衡樹(shù)組合：作為一種平衡資料結(jié)構(gòu)，與 Redis 的預(yù)設(shè)資料結(jié)構(gòu)相比，AVL 樹(shù)可以為某些需要快速搜尋和排序的用例提供更好的效能。
增加靈活性和客製化：
- 更好的客製化：結(jié)合兩個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更廣泛的定制，從而能夠開(kāi)發(fā)更精確和針對(duì)特定應(yīng)用的解決方案。

缺點(diǎn)：

增加的架構(gòu)複雜度：
- 管理兩個(gè)快取系統(tǒng)：同時(shí)使用 Redis 和基於 AVL 樹(shù)的快取系統(tǒng)會(huì)增加架構(gòu)複雜性，並且需要兩個(gè)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)管理。
增加的時(shí)間開(kāi)銷：
- 額外延遲：新增額外的快取層可能會(huì)導(dǎo)致延遲。必須確保性能優(yōu)勢(shì)超過(guò)這些潛在的延遲。
資料維護(hù)與同步：
- 資料一致性：維護(hù)Redis和AVL樹(shù)之間的一致性和同步對(duì)於防止資料差異至關(guān)重要，需要複雜的同步機(jī)制。
更高的開(kāi)發(fā)與維護(hù)成本：
- 費(fèi)用增加：開(kāi)發(fā)和維護(hù)兩個(gè)快取系統(tǒng)需要更多資源和多樣化的專業(yè)知識(shí)，可能會(huì)增加整體專案成本。
安全複雜性：
- 協(xié)調(diào)安全策略：確保在兩個(gè)系統(tǒng)中正確且一致地實(shí)施安全策略可能具有挑戰(zhàn)性。

利用AVL樹(shù)和Redis實(shí)現(xiàn)快取系統(tǒng)

下面，我們介紹一下這個(gè)快取系統(tǒng)的專業(yè)實(shí)作。此實(shí)作包括用於管理具有 TTL 功能的資料的 AVL 樹(shù)和用於快速資料儲(chǔ)存的 Redis。

1.帶有TTL的AVL樹(shù)

首先，我們實(shí)作具有TTL管理能力的AVL樹(shù)。

// src/utils/avltree.ts

export class AVLNode {
  key: string;
  value: any;
  ttl: number; // Expiration time in milliseconds
  height: number;
  left: AVLNode | null;
  right: AVLNode | null;

  constructor(key: string, value: any, ttl: number) {
    this.key = key;
    this.value = value;
    this.ttl = Date.now() + ttl;
    this.height = 1;
    this.left = null;
    this.right = null;
  }

  isExpired(): boolean {
    return Date.now() > this.ttl;
  }
}

export class AVLTree {
  private root: AVLNode | null;

  constructor() {
    this.root = null;
  }

  private getHeight(node: AVLNode | null): number {
    return node ? node.height : 0;
  }

  private updateHeight(node: AVLNode): void {
    node.height = 1 + Math.max(this.getHeight(node.left), this.getHeight(node.right));
  }

  private rotateRight(y: AVLNode): AVLNode {
    const x = y.left!;
    y.left = x.right;
    x.right = y;
    this.updateHeight(y);
    this.updateHeight(x);
    return x;
  }

  private rotateLeft(x: AVLNode): AVLNode {
    const y = x.right!;
    x.right = y.left;
    y.left = x;
    this.updateHeight(x);
    this.updateHeight(y);
    return y;
  }

  private getBalance(node: AVLNode): number {
    return node ? this.getHeight(node.left) - this.getHeight(node.right) : 0;
  }

  insert(key: string, value: any, ttl: number): void {
    this.root = this.insertNode(this.root, key, value, ttl);
  }

  private insertNode(node: AVLNode | null, key: string, value: any, ttl: number): AVLNode {
    if (!node) return new AVLNode(key, value, ttl);

    if (key < node.key) {
      node.left = this.insertNode(node.left, key, value, ttl);
    } else if (key > node.key) {
      node.right = this.insertNode(node.right, key, value, ttl);
    } else {
      node.value = value;
      node.ttl = Date.now() + ttl;
      return node;
    }

    this.updateHeight(node);
    const balance = this.getBalance(node);

    // Balancing the tree
    if (balance > 1 && key < node.left!.key) return this.rotateRight(node);
    if (balance < -1 && key > node.right!.key) return this.rotateLeft(node);
    if (balance > 1 && key > node.left!.key) {
      node.left = this.rotateLeft(node.left!);
      return this.rotateRight(node);
    }
    if (balance < -1 && key < node.right!.key) {
      node.right = this.rotateRight(node.right!);
      return this.rotateLeft(node);
    }

    return node;
  }

  search(key: string): any {
    let node = this.root;
    while (node) {
      if (node.isExpired()) {
        this.delete(key);
        return null;
      }
      if (key === node.key) return node.value;
      node = key < node.key ? node.left : node.right;
    }
    return null;
  }

  delete(key: string): void {
    this.root = this.deleteNode(this.root, key);
  }

  private deleteNode(node: AVLNode | null, key: string): AVLNode | null {
    if (!node) return null;

    if (key < node.key) {
      node.left = this.deleteNode(node.left, key);
    } else if (key > node.key) {
      node.right = this.deleteNode(node.right, key);
    } else {
      if (!node.left || !node.right) return node.left || node.right;
      let minLargerNode = node.right;
      while (minLargerNode.left) minLargerNode = minLargerNode.left;
      node.key = minLargerNode.key;
      node.value = minLargerNode.value;
      node.ttl = minLargerNode.ttl;
      node.right = this.deleteNode(node.right, minLargerNode.key);
    }

    this.updateHeight(node);
    const balance = this.getBalance(node);

    if (balance > 1 && this.getBalance(node.left!) >= 0) return this.rotateRight(node);
    if (balance < -1 && this.getBalance(node.right!) <= 0) return this.rotateLeft(node);
    if (balance > 1 && this.getBalance(node.left!) < 0) {
      node.left = this.rotateLeft(node.left!);
      return this.rotateRight(node);
    }
    if (balance < -1 && this.getBalance(node.right!) > 0) {
      node.right = this.rotateRight(node.right!);
      return this.rotateLeft(node);
    }

    return node;
  }
}

2. 與Redis整合的快取服務(wù)（CacheService）

在本節(jié)中，我們實(shí)現(xiàn)了利用 AVL 樹(shù)和 Redis 進(jìn)行快取管理的快取服務(wù)。此外，我們也採(cǎi)用了令牌驗(yàn)證機(jī)制。

// src/cache/cache.service.ts

import { Injectable, UnauthorizedException, InternalServerErrorException } from '@nestjs/common';
import { AVLTree } from '../utils/avltree';
import { InjectRedis, Redis } from '@nestjs-modules/ioredis';

@Injectable()
export class CacheService {
  private avlTree: AVLTree;
  private authorizedTokens: Set<string> = new Set(['your_authorized_token']); // Authorized tokens

  constructor(@InjectRedis() private readonly redis: Redis) {
    this.avlTree = new AVLTree();
  }

  validateToken(token: string): void {
    if (!this.authorizedTokens.has(token)) {
      throw new UnauthorizedException('Invalid access token');
    }
  }

  async set(key: string, value: any, ttl: number, token: string): Promise<void> {
    this.validateToken(token);
    try {
      // Store in Redis
      await this.redis.set(key, JSON.stringify(value), 'PX', ttl);
      // Store in AVL Tree
      this.avlTree.insert(key, value, ttl);
    } catch (error) {
      throw new InternalServerErrorException('Failed to set cache');
    }
  }

  async get(key: string, token: string): Promise<any> {
    this.validateToken(token);
    try {
      // First, attempt to retrieve from Redis
      const redisValue = await this.redis.get(key);
      if (redisValue) {
        return JSON.parse(redisValue);
      }

      // If not found in Redis, retrieve from AVL Tree
      const avlValue = this.avlTree.search(key);
      if (avlValue) {
        // Re-store in Redis for faster access next time
        // Assuming the remaining TTL is maintained in AVL Tree
        // For simplicity, we set a new TTL
        const newTtl = 60000; // 60 seconds as an example
        await this.redis.set(key, JSON.stringify(avlValue), 'PX', newTtl);
        return avlValue;
      }

      return null;
    } catch (error) {
      throw new InternalServerErrorException('Failed to get cache');
    }
  }

  async delete(key: string, token: string): Promise<void> {
    this.validateToken(token);
    try {
      // Remove from Redis
      await this.redis.del(key);
      // Remove from AVL Tree
      this.avlTree.delete(key);
    } catch (error) {
      throw new InternalServerErrorException('Failed to delete cache');
    }
  }
}

3. API控制器（CacheController）

控制器管理對(duì)快取服務(wù)的 API 請(qǐng)求。

// src/cache/cache.controller.ts

import { Controller, Get, Post, Delete, Body, Param, Query, HttpCode, HttpStatus } from '@nestjs/common';
import { CacheService } from './cache.service';

class SetCacheDto {
  key: string;
  value: any;
  ttl: number; // milliseconds
  token: string;
}

@Controller('cache')
export class CacheController {
  constructor(private readonly cacheService: CacheService) {}

  @Post('set')
  @HttpCode(HttpStatus.CREATED)
  async setCache(@Body() body: SetCacheDto) {
    await this.cacheService.set(body.key, body.value, body.ttl, body.token);
    return { message: 'Data cached successfully' };
  }

  @Get('get/:key')
  async getCache(@Param('key') key: string, @Query('token') token: string) {
    const value = await this.cacheService.get(key, token);
    return value ? { value } : { message: 'Key not found or expired' };
  }

  @Delete('delete/:key')
  @HttpCode(HttpStatus.NO_CONTENT)
  async deleteCache(@Param('key') key: string, @Query('token') token: string) {
    await this.cacheService.delete(key, token);
    return { message: 'Key deleted successfully' };
  }
}

4.快取模組（CacheModule）

定義連接服務(wù)和控制器並注入Redis的快取模組。

// src/cache/cache.module.ts

import { Module } from '@nestjs/common';
import { CacheService } from './cache.service';
import { CacheController } from './cache.controller';
import { RedisModule } from '@nestjs-modules/ioredis';

@Module({
  imports: [
    RedisModule.forRoot({
      config: {
        host: 'localhost',
        port: 6379,
        // Other Redis configurations
      },
    }),
  ],
  providers: [CacheService],
  controllers: [CacheController],
})
export class CacheModule {}

5.Redis配置

要在 NestJS 專案中使用 Redis，我們使用 @nestjs-modules/ioredis 套件。首先，安裝軟體套件：

npm install @nestjs-modules/ioredis ioredis

然後，在CacheModule中配置Redis，如上所示。如果您需要更進(jìn)階的配置，可以使用單獨(dú)的設(shè)定檔。

6. 代幣驗(yàn)證機(jī)制

為了管理和驗(yàn)證代幣，可以採(cǎi)取各種策略。在這個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)作中，令牌被維護(hù)在一個(gè)固定的集合中。對(duì)於較大的項(xiàng)目，建議使用 JWT（JSON Web Tokens）或其他進(jìn)階安全方法。

7. 錯(cuò)誤處理與輸入驗(yàn)證

在此實(shí)作中，DTO（資料傳輸物件）類別用於輸入驗(yàn)證和錯(cuò)誤管理。此外，快取服務(wù)利用一般錯(cuò)誤處理來(lái)防止意外問(wèn)題。

8. 主應(yīng)用模組（AppModule）

最後，我們將快取模組加入到主應(yīng)用程式模組中。

// src/utils/avltree.ts

export class AVLNode {
  key: string;
  value: any;
  ttl: number; // Expiration time in milliseconds
  height: number;
  left: AVLNode | null;
  right: AVLNode | null;

  constructor(key: string, value: any, ttl: number) {
    this.key = key;
    this.value = value;
    this.ttl = Date.now() + ttl;
    this.height = 1;
    this.left = null;
    this.right = null;
  }

  isExpired(): boolean {
    return Date.now() > this.ttl;
  }
}

export class AVLTree {
  private root: AVLNode | null;

  constructor() {
    this.root = null;
  }

  private getHeight(node: AVLNode | null): number {
    return node ? node.height : 0;
  }

  private updateHeight(node: AVLNode): void {
    node.height = 1 + Math.max(this.getHeight(node.left), this.getHeight(node.right));
  }

  private rotateRight(y: AVLNode): AVLNode {
    const x = y.left!;
    y.left = x.right;
    x.right = y;
    this.updateHeight(y);
    this.updateHeight(x);
    return x;
  }

  private rotateLeft(x: AVLNode): AVLNode {
    const y = x.right!;
    x.right = y.left;
    y.left = x;
    this.updateHeight(x);
    this.updateHeight(y);
    return y;
  }

  private getBalance(node: AVLNode): number {
    return node ? this.getHeight(node.left) - this.getHeight(node.right) : 0;
  }

  insert(key: string, value: any, ttl: number): void {
    this.root = this.insertNode(this.root, key, value, ttl);
  }

  private insertNode(node: AVLNode | null, key: string, value: any, ttl: number): AVLNode {
    if (!node) return new AVLNode(key, value, ttl);

    if (key < node.key) {
      node.left = this.insertNode(node.left, key, value, ttl);
    } else if (key > node.key) {
      node.right = this.insertNode(node.right, key, value, ttl);
    } else {
      node.value = value;
      node.ttl = Date.now() + ttl;
      return node;
    }

    this.updateHeight(node);
    const balance = this.getBalance(node);

    // Balancing the tree
    if (balance > 1 && key < node.left!.key) return this.rotateRight(node);
    if (balance < -1 && key > node.right!.key) return this.rotateLeft(node);
    if (balance > 1 && key > node.left!.key) {
      node.left = this.rotateLeft(node.left!);
      return this.rotateRight(node);
    }
    if (balance < -1 && key < node.right!.key) {
      node.right = this.rotateRight(node.right!);
      return this.rotateLeft(node);
    }

    return node;
  }

  search(key: string): any {
    let node = this.root;
    while (node) {
      if (node.isExpired()) {
        this.delete(key);
        return null;
      }
      if (key === node.key) return node.value;
      node = key < node.key ? node.left : node.right;
    }
    return null;
  }

  delete(key: string): void {
    this.root = this.deleteNode(this.root, key);
  }

  private deleteNode(node: AVLNode | null, key: string): AVLNode | null {
    if (!node) return null;

    if (key < node.key) {
      node.left = this.deleteNode(node.left, key);
    } else if (key > node.key) {
      node.right = this.deleteNode(node.right, key);
    } else {
      if (!node.left || !node.right) return node.left || node.right;
      let minLargerNode = node.right;
      while (minLargerNode.left) minLargerNode = minLargerNode.left;
      node.key = minLargerNode.key;
      node.value = minLargerNode.value;
      node.ttl = minLargerNode.ttl;
      node.right = this.deleteNode(node.right, minLargerNode.key);
    }

    this.updateHeight(node);
    const balance = this.getBalance(node);

    if (balance > 1 && this.getBalance(node.left!) >= 0) return this.rotateRight(node);
    if (balance < -1 && this.getBalance(node.right!) <= 0) return this.rotateLeft(node);
    if (balance > 1 && this.getBalance(node.left!) < 0) {
      node.left = this.rotateLeft(node.left!);
      return this.rotateRight(node);
    }
    if (balance < -1 && this.getBalance(node.right!) > 0) {
      node.right = this.rotateRight(node.right!);
      return this.rotateLeft(node);
    }

    return node;
  }
}

9. 主應(yīng)用程式檔案（main.ts）

引導(dǎo) NestJS 的主應(yīng)用程式檔案。

// src/cache/cache.service.ts

import { Injectable, UnauthorizedException, InternalServerErrorException } from '@nestjs/common';
import { AVLTree } from '../utils/avltree';
import { InjectRedis, Redis } from '@nestjs-modules/ioredis';

@Injectable()
export class CacheService {
  private avlTree: AVLTree;
  private authorizedTokens: Set<string> = new Set(['your_authorized_token']); // Authorized tokens

  constructor(@InjectRedis() private readonly redis: Redis) {
    this.avlTree = new AVLTree();
  }

  validateToken(token: string): void {
    if (!this.authorizedTokens.has(token)) {
      throw new UnauthorizedException('Invalid access token');
    }
  }

  async set(key: string, value: any, ttl: number, token: string): Promise<void> {
    this.validateToken(token);
    try {
      // Store in Redis
      await this.redis.set(key, JSON.stringify(value), 'PX', ttl);
      // Store in AVL Tree
      this.avlTree.insert(key, value, ttl);
    } catch (error) {
      throw new InternalServerErrorException('Failed to set cache');
    }
  }

  async get(key: string, token: string): Promise<any> {
    this.validateToken(token);
    try {
      // First, attempt to retrieve from Redis
      const redisValue = await this.redis.get(key);
      if (redisValue) {
        return JSON.parse(redisValue);
      }

      // If not found in Redis, retrieve from AVL Tree
      const avlValue = this.avlTree.search(key);
      if (avlValue) {
        // Re-store in Redis for faster access next time
        // Assuming the remaining TTL is maintained in AVL Tree
        // For simplicity, we set a new TTL
        const newTtl = 60000; // 60 seconds as an example
        await this.redis.set(key, JSON.stringify(avlValue), 'PX', newTtl);
        return avlValue;
      }

      return null;
    } catch (error) {
      throw new InternalServerErrorException('Failed to get cache');
    }
  }

  async delete(key: string, token: string): Promise<void> {
    this.validateToken(token);
    try {
      // Remove from Redis
      await this.redis.del(key);
      // Remove from AVL Tree
      this.avlTree.delete(key);
    } catch (error) {
      throw new InternalServerErrorException('Failed to delete cache');
    }
  }
}

10. 測(cè)試和運(yùn)行應(yīng)用程式

實(shí)現(xiàn)所有元件後，您可以執(zhí)行應(yīng)用程式以確保其功能。

// src/cache/cache.controller.ts

import { Controller, Get, Post, Delete, Body, Param, Query, HttpCode, HttpStatus } from '@nestjs/common';
import { CacheService } from './cache.service';

class SetCacheDto {
  key: string;
  value: any;
  ttl: number; // milliseconds
  token: string;
}

@Controller('cache')
export class CacheController {
  constructor(private readonly cacheService: CacheService) {}

  @Post('set')
  @HttpCode(HttpStatus.CREATED)
  async setCache(@Body() body: SetCacheDto) {
    await this.cacheService.set(body.key, body.value, body.ttl, body.token);
    return { message: 'Data cached successfully' };
  }

  @Get('get/:key')
  async getCache(@Param('key') key: string, @Query('token') token: string) {
    const value = await this.cacheService.get(key, token);
    return value ? { value } : { message: 'Key not found or expired' };
  }

  @Delete('delete/:key')
  @HttpCode(HttpStatus.NO_CONTENT)
  async deleteCache(@Param('key') key: string, @Query('token') token: string) {
    await this.cacheService.delete(key, token);
    return { message: 'Key deleted successfully' };
  }
}

11. 樣品請(qǐng)求

設(shè)定快?。?/strong>

// src/cache/cache.module.ts import { Module } from '@nestjs/common'; import { CacheService } from './cache.service'; import { CacheController } from './cache.controller'; import { RedisModule } from '@nestjs-modules/ioredis'; @Module({ imports: [ RedisModule.forRoot({ config: { host: 'localhost', port: 6379, // Other Redis configurations }, }), ], providers: [CacheService], controllers: [CacheController], }) export class CacheModule {}

取得快取：

npm install @nestjs-modules/ioredis ioredis

刪除快取：

// src/app.module.ts import { Module } from '@nestjs/common'; import { CacheModule } from './cache/cache.module'; @Module({ imports: [CacheModule], controllers: [], providers: [], }) export class AppModule {}

結(jié)合 Redis 和 AVL 基於樹(shù)的快取系統(tǒng)的合適用例

銀行與金融體系：

管理敏感會(huì)話和交易：高安全性和精確的 TTL 管理對(duì)於敏感的財(cái)務(wù)資料至關(guān)重要。將令牌安全性和智慧 TTL 管理相結(jié)合在此領(lǐng)域非常有益。

高流量電商平臺(tái)：

儲(chǔ)存產(chǎn)品資料和管理購(gòu)物車：優(yōu)化記憶體和提高資料存取速度對(duì)於增強(qiáng)亞馬遜等大型線上商店的使用者體驗(yàn)至關(guān)重要。

訊息和社交網(wǎng)路應(yīng)用程式：

儲(chǔ)存即時(shí)使用者狀態(tài)：需要快速存取和精確的資料管理來(lái)顯示使用者的線上/離線狀態(tài)和訊息。

天氣和貨幣兌換應(yīng)用程式：

API 快取以減少請(qǐng)求負(fù)載：透過(guò)精確的過(guò)期管理儲(chǔ)存複雜運(yùn)算的結(jié)果和即時(shí)數(shù)據(jù)，為使用者提供最新且快速的資訊。

內(nèi)容管理系統(tǒng)與媒體平臺(tái)：

快取高流量頁(yè)面和內(nèi)容：優(yōu)化對(duì)高瀏覽量?jī)?nèi)容的存取並減少伺服器負(fù)載，以提供更流暢的使用者體驗(yàn)。

分析應(yīng)用程式和即時(shí)儀表板：

儲(chǔ)存即時(shí)分析結(jié)果：使用多個(gè)快取提供快速且最新的分析數(shù)據(jù)，以提高效能和結(jié)果準(zhǔn)確性。

結(jié)論

在本文中，我們?cè)?NestJS 框架內(nèi)使用 AVL 樹(shù)和 Redis 實(shí)現(xiàn)了高階快取系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供先進(jìn)的 TTL 管理、基於令牌的安全性和 Redis 集成，為高需求應(yīng)用程式提供了強(qiáng)大且靈活的解決方案。這兩種技術(shù)的結(jié)合利用了兩者的優(yōu)勢(shì)，解決了 Redis 的弱點(diǎn)並增強(qiáng)了整體快取效能。

以上是透過(guò) NestJS 中的高級(jí)快取提高速度和效能：如何使用 AVL 樹(shù)和 Redis的詳細(xì)內(nèi)容。更多資訊請(qǐng)關(guān)注PHP中文網(wǎng)其他相關(guān)文章！

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