Linux 缓存加速 Varnish

今天药忘吃喽~ 2023-05-28 11:24 51阅读 0赞

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Varnish是一款高性能的开源HTTP[加速器][Link 1]，[挪威][Link 2]最大的在线报纸 Verdens Gang 使用3台Varnish代替了原来的12台Squid，性能比以前更好。作者Poul-Henning Kamp是FreeBSD的内核开发者之一，他认为现在的计算机比起1975年已经复杂许多。在1975年时，储存媒介只有两种：内存与硬盘。但现在计算机系统的内存除了主存外，还包括了CPU内的L1、L2，甚至有L3快取。硬盘上也有自己的快取装置，因此Squid Cache自行处理物件替换的架构不可能得知这些情况而做到最佳化，但操作系统可以得知这些情况，所以这部份的工作应该交给操作系统处理，这就是 Varnish cache设计架构。

Varnish项目是2006年发布的第一个版本0.9.距今已经有十多年了，此文档之前也提过varnish还不稳定，那是2007年时候编写的，经过varnish开发团队和网友们的辛苦耕耘，现在的varnish已经很健壮。很多门户网站已经部署了varnish，并且反应都很好，甚至反应比squid还稳定，且效率更高，资源占用更少。相信在[反向代理][Link 3]，web加速方面，varnish已经有足够能力代替squid。

![format_png][]

Varnish与一般[服务器软件][Link 4]类似，分为**master（management）**进程和**child（worker，主要做cache的工作）**进程。master进程读入命令，进行一些初始化，然后fork并监控child进程。child进程分配若干[线程][Link 5]进行工作，主要包括一些管理线程和很多woker线程。

针对文件缓存部分，master读入存储配置（-s file\[,path\[,size\[,granularity\]\]\] ），调用合适的存储类型，然后创建/读入相应大小的缓存大文件。接着，master初始化管理该存储空间的[结构体][Link 6]。这些变量都是[全局变量][Link 7]，在fork以后会被child进程所继承（包括[文件描述符][Link 8]）。

在child进程[主线程][Link 9]初始化过程中，将前面打开的存储大文件整个mmap到内存中（如果超出系统的[虚拟内存][Link 10]，mmap失败，进程会减少原来的配置mmap大小，然后继续mmap），此时创建并初始化空闲存储结构体，挂到[存储管理][Link 11]结构体，以待分配。

接着，真正的工作开始，Varnish的某个负责接受新HTTP连接的线程开始等待用户，如果有新的HTTP连接过来，它总负责接收，然后叫醒某个等待中的线程，并把具体的处理过程交给它。Worker线程读入HTTP请求的URI，查找已有的object，如果命中则直接返回并回复用户。如果没有命中，则需要将所请求的内容，从后端服务器中取过来，存到缓存中，然后再回复。

分配缓存的过程是这样的：它根据所读到object的大小，创建相应大小的缓存文件。为了读写方便，程序会把每个object的大小变为最接近其大小的内存页面倍数。然后从现有的空闲存储[结构体][Link 6]中查找，找到最合适的大小的空闲存储块，分配给它。如果空闲块没有用完，就把多余的内存另外组成一个空闲存储块，挂到管理结构体上。如果缓存已满，就根据LRU机制，把最旧的object释放掉。

释放缓存的过程是这样的：有一个超时线程，检测缓存中所有object的生存期，如果超初设定的TTL（Time To Live）没有被访问，就删除之，并且释放相应的[结构体][Link 6]及存储内存。注意释放时会检查该存储内存块前面或后面的空闲内存块，如果前面或后面的空闲内存和该释放内存是连续的，就将它们合并成更大一块内存。

整个文件缓存的管理，没有考虑文件与内存的关系，实际上是将所有的object都考虑是在内存中，如果[系统内存][Link 12]不足，系统会自动将其换到swap空间，而不需要varnish程序去控制。

![format_png 1][]

Varnish特点与Squid的对比

Varnish特点：

基于内存缓存，重启后数据将消失。   
　　利用虚拟内存方式，I/O性能好。   
　　支持设置0~60秒内的精确缓存时间。   
　　VCL（全称varnish config language，这是Varnish自己领域的特定语言）配置管理比较灵活。   
　　32位机器上缓存文件大小为最大2G。   
　　具有强大的管理功能，例如top，stat，admin，list等。   
　　状态机设计巧妙，结构清晰。   
　　利用二叉堆管理缓存文件，达到积极删除目的。

Varnish与Squid的对比：

相同点：

都是一个反向代理服务器；  
　　都是开源软件；

Varnish相较于Squid的优点：

Varnish的稳定性很高，两者在完成相同负荷的工作时，Squid服务器发生故障的几率要高于Varnish，因为使用Squid要经常重启；  
　　Varnish访问速度更快，Varnish采用了“Visual Page Cache”技术，所有缓存数据都直接从内存读取，而Squid是从硬盘读取，因此Varnish在访问速度方面会更快；  
　　Varnish可以支持更多的并发连接，因为Varnish的TCP连接释放要比Squid快，所以在高并发连接情况下可以支持更多TCP连接；  
　　Varnish可以通过管理端口，使用正则表达式批量的清除部分缓存，而Squid是做不到的；  
　　Squid属于是单进程使用单核CPU，但Varnish是通过fork形式打开多进程来做处理，所以是合理的使用所有核来处理相应的请求；

Varnish相较于Squid的缺点：

Varnish在高并发状态下CPU、I/O和内存等资源开销都高于Squid；  
　　Varnish进程一旦Hang（挂起）、Crash（崩溃）或者重启，缓存数据都会从内存中完全释放，此时所有请求都会发送到后端服务器，在高并发情况下，会给后端服务器造成很大压力；  
　　在Varnish使用中如果单个url的请求通过HA/F5（负载均衡）每次请求不同的varnish服务器中，被请求varnish服务器都会被穿透到后端，而且同样的请求会在多台服务器上缓存，也会造成Varnish的缓存的资源浪费，也会造成性能下降。

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实验环境

*  192.168.1.2 CentOS 7 Varnish
 *  Web1 192.168.1.3 CentOS 7 Nginx+PHP
 *  Web2 192.168.1.4 CentOS 7 Nginx+PHP
 *  Web3 192.168.1.5 CentOS 7 Nginx+PHP
 *  Varnish官网地址：[http://varnish-cache.org/][http_varnish-cache.org]
 *  Yum 安装方式，[https://packagecloud.io/varnishcache][https_packagecloud.io_varnishcache]
 *  curl -s https://packagecloud.io/install/repositories/varnishcache/varnish64/script.rpm.sh | sudo bash
 *  yum -y install varnish
 *  varnishd -V 查看版本信息
 *  /etc/varnish              \#varnish工作目录  
    /etc/varnish/default.vcl    \#默认配置各Child/Cache线程的缓存策略  
    /usr/bin/varnishadm     \#varnish内置的管理工具，端口默认为 6082  
    /usr/bin/varnishhist      \#Shared Memory Log交互工具  
    /usr/bin/varnishlog  
    /usr/bin/varnishncsa  
    /usr/bin/varnishstat  
    /usr/bin/varnishtop  
    /usr/bin/varnishtest    \#内置测试工具程序  
    /usr/lib/systemd/system/varnish.service  \#varnish服务启动脚本  
    /usr/lib/systemd/system/varnishncsa.service  \#日志持久服务启动脚本
 *  /usr/sbin/varnishreload    \#VCL配置文件重载程序

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![20200326102359451.png][]

*  varnish 主配置文件 **/etc/varnish/default.vcl ** varnish使用了一种叫VCL的语言去对其进行配置
 *  vcl\_recv 函数： 接收和处理请求，当请求到达并成功接收后被调用，判断请求的数据并决定如何处理请求；

pass 表示进入pass模式，将请求交给vcl\_pass 函数

pipe 表示进入pipe模式，将请求交个vcl\_pipe函数

error code\[reason\]  表示返回'code'给客户端并放弃请求, 'code'是错误标示例如200 405等，'reason'是错误原因

*  vcl\_pipe函数：该函数在进入pipe模式时被调用，用于将请求直接传递给后端主机，在请求和返回内容没有改变的情况下，将不变的内容返回给客户端，直到这个链接关闭；该函数有这么些返回值=>

error code\[reason\]  同vcl\_recv

pipe

*  vcl\_pass函数: 该函数进入pass模式被调用，用于直接将请求发送给后端主机，后端主机响应后发送给客户端，不进行任何缓存，每次都返回最新内容，该函数有几个返回值=>

error code\[reason\] 同vcl\_recv

pass

*  lookup函数： 表示在缓存中查找到被请求的对象，并且根据查找的结果交给vcl\_hit函数(命中)或vcl\_miss(未命中)函数处理
 *  vcl\_hit函数：在执行lookup后，如果在缓存中找到对象，该函数将会被自动调用，该函数有以下几个返回值 =>

deliver 表示找到内容发送给客户端，把控制权交给vcl\_deliver函数

error code\[reason\] 同vcl\_recv

pass

*  vcl\_miss函数: 在执行lookup后，在缓存中没有找到对象，该函数被调用，该函数可用于判断是否从后端请求内容，该函数有以下几个返回值 =>

fetch 表示从后端获取内容，并把控制权交给vcl\_fetch函数

error code\[reason\]  同vcl\_recv

pass

*  vcl\_fetch函数：从后端主机更新缓存获取内容后调用该函数，接着判断获取的内容是放入缓存还是直接给客户端，该函数有以下几个返回值=》

error code\[reason\]  同vcl\_recv

pass

deliver

*  vcl\_deliver函数：将在缓存中找到的内容发送给客户端调用的方法，该函数有以下几个返回值=》

error code\[reason\]  同vcl\_recv

deliver

*  vcl\_timeout函数：在缓存内容到期前调用该函数，该函数有以下几个返回值=》

discard 表示中缓存中清除该内容

fetch

*  vcl\_discard函数：缓存内容到期后或者缓存空间不够时自动被调用，该函数有以下几个返回值=》

keep 表示在内容中保留该缓存

discard

*  VCL处理流程可以用下面这张图表示

![format_png 2][]

Receive状态：请求处理的入口状态，根据VCL规则判断该请求应该在Pass或Pipe,还是进入Lookup(到本地缓存中查询)

Lookup状态：进入此状态后，会在hash表中查询数据，如果找到则进入Hit状态，否则进入Miss状态

Pass状态：在此状态下会进入后端获取内容，既进入Fetch状态

Fetch状态：从后端获取请求，发送请求，获得数据，并存储到本地

Deliver状态：将获取的数据发送给客户端，然后完成本次请求

*  VCL里面还有些变量，可以用在VCL函数中，用于逻辑处理

请求到达后可以使用的内置公用变量：

req.backend　　　　=>　　　　指定对应的后端主机

server.ip　　　　　　=>　　　　表示服务器端IP

client.ip　　　　　　=>　　　　表示客户端IP

req.request　　　　=>　　　　指定请求的类型，如GET POST PUT DELETE

req.url　　　　　　=>　　　　知道请求的URL

req.proto　　　　　　=>　　　　表示客户端发起请求的HTTP协议版本

req.http.header　　=>　　　　表示请求中的头部信息

req.restarts　　　　=>　　　　表示请求重启的次数，默认最大值为4

*  VCL向后端主机请求时使用的内置变量

beresp.request　　　=>　　　　指定请求的类型，如GET POST

beresp.url 　　　　　=>　　　　指定请求的地址

beresp.proto　　　　=>　　　　指定请求的协议版本号

beresp.http.header　=> 　　　对应请求的HTTP头信息

beresp.ttl　　　　　　=> 　　　表示缓存的周期，单位秒

*  从cache或后端主机获取内容后可以使用的内置变量

obj.status 　　　　=>　　　　表示返回的状态码，如200 404 500 等

obj.cacheable 　　=>　　　　表示返回的内容是否可以缓存

obj.valid　　　　 =>　　　　表示是否是有效的HTTP应答

obj.response 　　=>　　　　表示应答的状态信息

obj.ttl　　　　　　=>　　　　表示返回内容的生存周期，单位秒

obj.lastuse　　　　=> 　　　表示上次请求到现在的间隔，单位秒

*  客户端应答时可以使用的变量

resp.status　　　　=>　　　　表示返回给客户端的状态码

resp.proto　　　　=>　　　　表示返回给客户端的HTTP协议版本

resp.http.header  =>     　　 表示返回给客户端的头信息

resp.response 　　=>　　　　表示返回给客户端的状态信息

*  Varnish可以检测后端主机的健康状态，在判定后端主机失效时能自动将其从可用后端主机列表中移除，而一旦其重新变得可用还可以自动将其设定为可 用。为了避免误判，Varnish在探测后端主机的健康状态发生转变时(比如某次探测时某后端主机突然成为不可用状态)，通常需要连续执行几次探测均为新 状态才将其标记为转换后的状态。

每个后端服务器当前探测的健康状态探测方法通过.probe进行设定，其结果可由req.backend.healthy变量获取，也可通过varnishlog中的Backend\_health查看或varnishadm的debug.health查看。

**.probe中的探测指令常用的有：**  
   (1) .url：探测后端主机健康状态时请求的URL，默认为“/”；  
   (2) .request: 探测后端主机健康状态时所请求内容的详细格式，定义后，它会替换.url指定的探测方式；比如：  
   .request =  
       "GET /.healthtest.html HTTP/1.1"  
       "Host: www.myweb.com"  
       "Connection: close";  
   (3) .window：设定在判定后端主机健康状态时基于最近多少次的探测进行，默认是8；  
   (4) .threshold：在.window中指定的次数中，至少有多少次是成功的才判定后端主机正健康运行；默认是3；  
   (5) .initial：Varnish启动时对后端主机至少需要多少次的成功探测，默认同.threshold；  
   (6) .expected\_response：期望后端主机响应的状态码，默认为200；  
   (7) .interval：探测请求的发送周期，默认为5秒；  
   (8) .timeout：每次探测请求的过期时长，默认为2秒；

--------------------

*  **设置后台健康状态检查**
 *  **vim /etc/varnish/health\_check.vcl**
 *  probe chk \{  
        .interval = 5s;     \# 每隔1秒钟尝试一次  
        .timeout = 3s;    \#每次探测请求的过期时长  
        .window = 10;   \# 最多尝试10次，判断采样的样本  
        .threshold = 8;  \# 如果采样10次，如果有8次是错误的，就认为是失败的，上线也是一样  
       
        .request =   
        "GET /.test.html HTTP/1.1"   \#测试根目录下的 **.test.html ，这个文件必须存在且能够访问**  
        "Host: www.myweb.com"  
        "Connection: close"  
        "Accept-Encoding: foo/bar";  
    \}
 *  **后端服务器地址池配置**  
    **vim /etc/varnish/backends.vcl**
 *  import directors;  
    include "health\_check.vcl";
    
    backend web1 \{  
        .host = "192.168.1.3";  
        .port = "80";  
        .probe = chk;  
    \}
    
    backend web2 \{  
        .host = "192.168.1.4";  
        .port = "80";  
        .probe = chk;  
    \}
    
    backend web3 \{  
        .host = "192.168.1.5";  
        .port = "80";  
        .probe = chk;  
    \}  
    \#\# 负载均衡池  
    sub vcl\_init \{  
        new web = directors.round\_robin();  \#以轮询方式调度  
        web.add\_backend(web1);  
        web.add\_backend(web2);  
        web.add\_backend(web3);  
    \}
 *  **缓存规则主配置  
    \# vim /etc/varnish/default.vcl**
 *  vcl 4.1;  
    import std;  
    include "backends.vcl";  
    acl purge\_ip \{   \# 定义acl访问控制，只允许以下网段或主机执行purgers操作  
        "127.0.0.1";  
        "192.168.0.0"/16;  
    \}  
    sub vcl\_recv \{  
        if (req.method == "PURGE")\{  \# 如果请求方法是PURGE，并且客户端IP在上面定义的网段内的就允许执行PURGE操作，否则生成一个错误页面返回给用户  
                if (!client.ip ~ purge\_ip) \{  
                return(synth(405,"Purging not allowed for "+client.ip));  
                \}  
        return(purge);      
        \}  
        if (req.http.host ~ "^(www.)?myweb.com") \{  
        set req.http.host = "www.myweb.com";  
        set req.backend\_hint = web.backend();  
        \}  
    \}
    
    sub vcl\_purge\{  
        return (synth(200,"success"));  
    \}  
    sub vcl\_deliver \{  
        if (obj.hits > 0) \{  
            set resp.http.X-Cache = "HIT cache" + " " + server.ip;  
        \}  
        else \{  
            set resp.http.X-Cache = "Miss cache";  
        \}  
    \}
    
    sub vcl\_pass \{  
        if (req.method == "PURGE") \{  
            return (synth(502, "PURGE on a passed object."));  
        \}  
    \}
 *  为了方便测试，将 varnish 默认启动端口 6081 更改为 80
 *  编辑 **vim /usr/lib/systemd/system/varnish.service**
 *  \[Unit\]  
    Description=Varnish Cache, a high-performance HTTP accelerator  
    After=network-online.target
    
    \[Service\]  
    Type=forking  
    KillMode=process
    
    \# Maximum number of open files (for ulimit -n)  
    LimitNOFILE=131072
    
    \# Locked shared memory - should suffice to lock the shared memory log  
    \# (varnishd -l argument)  
    \# Default log size is 80MB vsl + 1M vsm + header -> 82MB  
    \# unit is bytes  
    LimitMEMLOCK=85983232
    
    \# Enable this to avoid "fork failed" on reload.  
    TasksMax=infinity
    
    \# Maximum size of the corefile.  
    LimitCORE=infinity
    
    \#ExecStart=/usr/sbin/varnishd -a :6081 -f /etc/varnish/default.vcl -s malloc,256m  
    **ExecStart=/usr/sbin/varnishd -a :80 -f /etc/varnish/default.vcl -s malloc,256m  \#修改默认监听端口为 ：80**  
    ExecReload=/usr/sbin/varnishreload
    
    \[Install\]  
    WantedBy=multi-user.target
 *  systemctl daemon-reload
 *  systemctl restart varnish

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![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

*  使用 varnishadm 进行后端健康检查
 *  backend.list   
    200          
    Backend name   Admin    Probe    Health     Last change  
    boot.web1      probe    10/10    healthy    Sat, 28 Mar 2020 08:03:18 GMT  
    boot.web2      probe    10/10    healthy    Sat, 28 Mar 2020 08:01:58 GMT  
    boot.web3      probe    10/10    healthy    Sat, 28 Mar 2020 08:01:58 GMT  
    boot.web       probe    3/3      healthy    Sat, 28 Mar 2020 08:03:18 GMT

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]

*  编辑 /etc/hosts 添加 192.168.1.2 www.myweb.com
 *  curl www.myweb.com
 *  **X-Cache: HIT cache192.168.1.2**

![2020032816264489.png][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 7][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 8][]

*  清除缓存  curl -X PURGE www.myweb.com
 *  curl www.myweb.com

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 9][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 10][]

*  将其中一台的 web 服务停掉
 *  systemctl stop nginx

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 11][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 12][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 13][]

*  web2 的状态为 sick 不可用
 *  重新启动 web2 的nginx

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 14][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 15][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 16][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 17][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2dhb2ZlaTA0Mjg_size_16_color_FFFFFF_t_70 18][]

[aHR0cDovL3d3dy5saW51eGlkYy5jb20vdXBsb2FkLzIwMTVfMDQvMTUwNDA0MTMzNjY4MDMxLmdpZg]: /images/20230528/caa10d1f0c9845bab55d3ae9f6ee99bb.png
[Link 1]: https://baike.baidu.com/item/%E5%8A%A0%E9%80%9F%E5%99%A8/4820760
[Link 2]: https://baike.baidu.com/item/%E6%8C%AA%E5%A8%81/167133
[Link 3]: https://baike.baidu.com/item/%E5%8F%8D%E5%90%91%E4%BB%A3%E7%90%86
[format_png]: /images/20230528/d591ad20145c4036a21ac47ed8c4276d.png
[Link 4]: https://baike.baidu.com/item/%E6%9C%8D%E5%8A%A1%E5%99%A8%E8%BD%AF%E4%BB%B6
[Link 5]: https://baike.baidu.com/item/%E7%BA%BF%E7%A8%8B
[Link 6]: https://baike.baidu.com/item/%E7%BB%93%E6%9E%84%E4%BD%93
[Link 7]: https://baike.baidu.com/item/%E5%85%A8%E5%B1%80%E5%8F%98%E9%87%8F
[Link 8]: https://baike.baidu.com/item/%E6%96%87%E4%BB%B6%E6%8F%8F%E8%BF%B0%E7%AC%A6
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