LinkedList源碼分析

LinkedList

LinkedList是一種可以在任何位置進行高效地插入和移除操作的有序序列,它是基于雙向鏈表實現(xiàn)的。注意:是雙向鏈表,但不是循環(huán)雙向鏈表,不同版本的jdk實現(xiàn)可能不一樣。

LinkedList也和ArrayList一樣實現(xiàn)了List接口,但是它執(zhí)行插入和刪除操作時比ArrayList更加高效,因為它是基于鏈表的?;阪湵硪矝Q定了它在隨機訪問方面要比ArrayList遜色一點。

除此之外,LinkedList還提供了一些可以使其作為棧、隊列、雙端隊列的方法。這些方法中有些彼此之間只是名稱的區(qū)別,以使得這些名字在特定的上下文中顯得更加的合適。

LinkedList的定義

public class LinkedList<E> extends AbstractSequentialList<E> implements List<E>, Deque<E>, Cloneable, java.io.Serializable
  • LinkedList是一個繼承于AbstractSequentialList的雙向鏈表。它也可以被當作棧、隊列或雙端隊列進行操作。

  • LinkedList實現(xiàn) List 接口,能對它進行隊列操作。

  • LinkedList實現(xiàn) Deque 接口,即能將LinkedList當作雙端隊列使用。

  • LinkedList實現(xiàn)了Cloneable接口,即覆蓋了函數(shù)clone(),能克隆。

  • LinkedList實現(xiàn)java.io.Serializable接口,這意味著LinkedList支持序列化,能通過序列化去傳輸。

  • LinkedList是非同步的。

LinkedList的屬性

transient int size = 0;

/**
 * Pointer to first node.
 * Invariant: (first == null && last == null) ||
 *            (first.prev == null && first.item != null)
 */
transient Node<E> first;

/**
 * Pointer to last node.
 * Invariant: (first == null && last == null) ||
 *            (last.next == null && last.item != null)
 */
transient Node<E> last;

size肯定就是LinkedList對象里面存儲的元素個數(shù)了。LinkedList既然是基于鏈表實現(xiàn)的,那么這個first肯定就是鏈表的頭節(jié)點了,last是鏈表的尾節(jié)點,Node就是節(jié)點對象了。

private static class Node<E> {
    E item;
    Node<E> next;
    Node<E> prev;

    Node(Node<E> prev, E element, Node<E> next) {
        this.item = element;
        this.next = next;
        this.prev = prev;
    }
}

Node類只定義了存儲的元素、前一個元素、后一個元素,這就是雙向鏈表的節(jié)點的定義,每個節(jié)點只知道自己的前一個節(jié)點和后一個節(jié)點。

LinkedList的構(gòu)造方法

/**
 * Constructs an empty list.
 */
public LinkedList() {
}

/**
 * Constructs a list containing the elements of the specified
 * collection, in the order they are returned by the collection's
 * iterator.
 *
 * @param  c the collection whose elements are to be placed into this list
 * @throws NullPointerException if the specified collection is null
 */
public LinkedList(Collection<? extends E> c) {
    this();
    addAll(c);
}

LinkedList提供了兩個構(gòu)造方法。第一個構(gòu)造方法不接受參數(shù),first節(jié)點和last節(jié)點均為null,用于表示一個空的鏈表。第二個構(gòu)造方法接收一個Collection參數(shù)c,調(diào)用第一個構(gòu)造方法構(gòu)造一個空的鏈表,之后通過addAll將c中的元素全部添加到鏈表中。

LinkedList的方法

  • boolean addAll(Collection<? extends E> c)

將集合c中所有元素添加到鏈表的尾部

public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    // size為鏈表包含的元素個數(shù)
    return addAll(size, c);
}
  • boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c)

將集合c中的元素在指定位置插入到鏈表中

//從指定的位置index開始,將集合c中的元素插入到鏈表中
public boolean addAll(int index, Collection<? extends E> c) {
    //首先判斷插入位置的合法性
    checkPositionIndex(index);
    Object[] a = c.toArray();
    int numNew = a.length;
    if (numNew == 0)
        return false;
    Node<E> pred, succ;
    if (index == size) {//說明在鏈表尾部插入集合元素
        succ = null;
        pred = last;
    } 
    else {  //否則,找到index所在的節(jié)點
        succ = node(index);
        pred = succ.prev;
    }
    for (Object o : a) {
        @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) o;
        Node<E> newNode = new Node<>(pred, e, null);
        if (pred == null)
            first = newNode;
        else
            pred.next = newNode;
        pred = newNode;
    }
    if (succ == null) {
        last = pred;
    } else {
        pred.next = succ;
        succ.prev = pred;
    }
    size += numNew;
    modCount++;
    return true;
}
  • boolean add(E e)

將元素添加到鏈表的尾部

public boolean add(E e) {
    linkLast(e);
    return true;
}

從上面的代碼可以看出,add(E e)方法只是調(diào)用了linkLast(e)方法,并且返回true。

  • void linkLast(E e)

將元素鏈接到鏈表的最后

void linkLast(E e) {
    final Node<E> l = last;
    final Node<E> newNode = new Node<>(l, e, null);
    last = newNode;
    if (l == null)
        first = newNode;
    else
        l.next = newNode;
    size++;
    modCount++;
}
  • void addLast(E e)

將元素添加到鏈表的尾部,該方法等價于add(E e)

public void addLast(E e) {
    linkLast(e);
}
  • void addFirst(E e)

將元素添加到鏈表的頭部

public void addFirst(E e) {
    linkFirst(e);
}

private void linkFirst(E e) {
    final Node<E> f = first;
    final Node<E> newNode = new Node<>(null, e, f);
    first = newNode;
    if (f == null)
        last = newNode;
    else
        f.prev = newNode;
    size++;
    modCount++;
}
  • void clear()

移除鏈表的所有元素

public void clear() {
    // Clearing all of the links between nodes is "unnecessary", but:
    // - helps a generational GC if the discarded nodes inhabit
    //   more than one generation
    // - is sure to free memory even if there is a reachable Iterator
    for (Node<E> x = first; x != null; ) {
        Node<E> next = x.next;
        x.item = null;
        x.next = null;
        x.prev = null;
        x = next;
    }
    first = last = null;
    size = 0;
    modCount++;
}
  • boolean contains(Object o)

判斷鏈表是否包含指定的元素

public boolean contains(Object o) {
    return indexOf(o) != -1;
}

僅僅只是判斷o在鏈表中的索引。先看indexOf(Object o)方法。

  • int indexOf(Object o)

返回指定元素在鏈表第一次出現(xiàn)的位置,如果鏈表不包含指定的元素,則返回-1

public int indexOf(Object o) {
    int index = 0;
    if (o == null) {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (x.item == null)
                return index;
            index++;
        }
    } else {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (o.equals(x.item))
                return index;
            index++;
        }
    }
    return -1;
}

注意:該方法傳入的元素可以為null,也就是說contains方法可以接收null作為方法參數(shù)。如果指定的元素不為null,則調(diào)用元素的equals方法進行判斷.

  • node(int index)

返回鏈表指定位置處的節(jié)點

Node<E> node(int index) {
    // assert isElementIndex(index);
    if (index < (size >> 1)) {
        Node<E> x = first;
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    } else {
        Node<E> x = last;
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }
}

該方法返回雙向鏈表中指定位置處的節(jié)點,而鏈表中是沒有下標索引的,要指定位置處的元素,就要遍歷該鏈表,從源碼的實現(xiàn)中,我們看到這里有一個加速動作。源碼中先將index與長度size的一半比較,如果index<size/2,就只從位置0往后遍歷到位置index處,而如果index>size/2,就只從位置size往前遍歷到位置index處。這樣可以減少一部分不必要的遍歷。

  • E element()

取出但不移除鏈表的第一個元素

public E element() {
    return getFirst();
}
  • E getFirst()

返回鏈表的第一個元素,如果鏈表為空,則拋出NoSuchElementException

public E getFirst() {
    final Node<E> f = first;
    if (f == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return f.item;
}

element()方法調(diào)用了getFirst()返回鏈表的第一個節(jié)點的元素。為什么要提供功能一樣的兩個方法,像是包裝了一下名字?其實這只是為了在不同的上下文“語境”中能通過更貼切的方法名調(diào)用罷了。

  • E get(int index)

返回鏈表指定位置處的元素

public E get(int index) {
    checkElementIndex(index);
    return node(index).item;
}

get(int index)方法用于獲得指定索引位置的節(jié)點的元素。它通過node(int index)方法獲取節(jié)點。node(int index)方法遍歷鏈表并獲取節(jié)點,在上面有說明過,不再陳述。

  • E set(int index, E element)

使用指定的元素替換鏈表指定位置處的元素

public E set(int index, E element) {
    checkElementIndex(index);
    Node<E> x = node(index);
    E oldVal = x.item;
    x.item = element;
    return oldVal;
}

先獲取指定索引的節(jié)點,保留原來的元素,然后用element進行替換,之后返回原來的元素。

  • E getLast()

返回鏈表的最后一個元素,如果鏈表為空,則拋出NoSuchElementException

public E getLast() {
    final Node<E> l = last;
    if (l == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return l.item;
}
  • lastIndexOf(Object o)

返回指定元素在鏈表最后一次出現(xiàn)的位置

public int lastIndexOf(Object o) {
    int index = size;
    if (o == null) {
        for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
            index--;
            if (x.item == null)
                return index;
        }
    } else {
        for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
            index--;
            if (o.equals(x.item))
                return index;
        }
    }
    return -1;
}

因為查找的是last index,即最后一次出現(xiàn)的位置,所以采用由后向前的遍歷方式。因為采用了由后向前的遍歷,所以index被賦值為size,并且循環(huán)體內(nèi)執(zhí)行時都進行遞減操作。分兩種情況判斷是否存在,分別是null和不為null。

  • boolean offer(E e)

將指定的元素添加到鏈表尾部

public boolean offer(E e) {
    return add(e);
}
  • boolean offerFirst(E e)

在鏈表的頭部插入指定元素

public boolean offerFirst(E e) {
    addFirst(e);
    return true;
}
  • boolean offerLast(E e)

在鏈表的尾部插入指定元素

public boolean offerLast(E e) {
    addLast(e);
    return true;
}

上面這三個方法都只是調(diào)用了相應的add方法,同樣只是提供了不同的方法名在不同的語境下使用。

  • E peek()

取出但不移除鏈表的一個元素,如果鏈表為null,則返回null

public E peek() {
    final Node<E> f = first;
    return (f == null) ? null : f.item;
}
  • E peekFirst()

取出但不移除鏈表的第一個元素,如果鏈表為null,則返回null

public E peekFirst() {
    final Node<E> f = first;
    return (f == null) ? null : f.item;
 }
  • E peekLast()

取出但不移除鏈表的最后一個元素,如果鏈表為null,則返回null

public E peekLast() {
    final Node<E> l = last;
    return (l == null) ? null : l.item;
}

上面的三個方法也很簡單,同樣只是提供了不同的方法名在不同的語境下使用。

  • E poll()

取出并移除鏈表的第一個元素,如果鏈表為null,則返回null

public E poll() {
    final Node<E> f = first;
    return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}
  • E pollFirst()

取出并移除鏈表的第一個元素,如果鏈表為null,則返回null

public E pollFirst() {
    final Node<E> f = first;
    return (f == null) ? null : unlinkFirst(f);
}
  • E pollLast()

取出并移除鏈表的最后一個元素,如果鏈表為null,則返回null

public E pollLast() {
    final Node<E> l = last;
    return (l == null) ? null : unlinkLast(l);
}

poll相關的方法都是獲取并移除某個元素。

  • E pop()

移除并返回鏈表的第一個元素,如果鏈表為null,則拋出NoSuchElementException

public E pop() {
    return removeFirst();
}
  • void push(E e)

在鏈表的頭部添加一個元素

public void push(E e) {
    addFirst(e);
}

這兩個方法對應棧的操作,即彈出一個元素和壓入一個元素,僅僅是調(diào)用了removeFirst()和addFirst()方法。

  • E remove()

取出并移除鏈表的第一個元素,如果鏈表為null,則拋出NoSuchElementException

public E remove() {
    return removeFirst();
}
  • E removeFirst()

移除并返回鏈表的第一個元素,如果鏈表為null,則拋出NoSuchElementException

public E removeFirst() {
    final Node<E> f = first;
    if (f == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return unlinkFirst(f);
}

private E unlinkFirst(Node<E> f) {
    // assert f == first && f != null;
    final E element = f.item;
    final Node<E> next = f.next;
    f.item = null;
    f.next = null; // help GC
    first = next;
    if (next == null)
        last = null;
    else
        next.prev = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}
  • E removeLast()

移除并返回鏈表的最后一個元素,如果鏈表為null,則拋出NoSuchElementException

public E removeLast() {
    final Node<E> l = last;
    if (l == null)
        throw new NoSuchElementException();
    return unlinkLast(l);
}

private E unlinkLast(Node<E> l) {
    // assert l == last && l != null;
    final E element = l.item;
    final Node<E> prev = l.prev;
    l.item = null;
    l.prev = null; // help GC
    last = prev;
    if (prev == null)
        first = null;
    else
        prev.next = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}
  • boolean remove(Object o)

移除指定元素在鏈表第一次的出現(xiàn)

public boolean remove(Object o) {
    if (o == null) {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (x.item == null) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {
        for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next) {
            if (o.equals(x.item)) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}
  • E unlink(Node<E> x)

移除指定的節(jié)點,并返回節(jié)點包含的元素

    E unlink(Node<E> x) {
    // assert x != null;
    final E element = x.item;
    final Node<E> next = x.next;
    final Node<E> prev = x.prev;

    if (prev == null) {
        first = next;
    } else {
        prev.next = next;
        x.prev = null;
    }

    if (next == null) {
        last = prev;
    } else {
        next.prev = prev;
        x.next = null;
    }

    x.item = null;
    size--;
    modCount++;
    return element;
}
  • boolean removeLastOccurrence(Object o)

移除指定元素在鏈表的最后一次出現(xiàn)

public boolean removeLastOccurrence(Object o) {
    if (o == null) {
        for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
            if (x.item == null) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    } else {
        for (Node<E> x = last; x != null; x = x.prev) {
            if (o.equals(x.item)) {
                unlink(x);
                return true;
            }
        }
    }
    return false;
}
  • Object clone()

返回鏈表的淺層拷貝,鏈表包含的元素不會被拷貝

public Object clone() {
    LinkedList<E> clone = superClone();

    // Put clone into "virgin" state
    clone.first = clone.last = null;
    clone.size = 0;
    clone.modCount = 0;

    // Initialize clone with our elements
    for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
        clone.add(x.item);

    return clone;
}

private LinkedList<E> superClone() {
    try {
        return (LinkedList<E>) super.clone();
    } catch (CloneNotSupportedException e) {
        throw new InternalError(e);
    }
}
  • Object[] toArray()

返回一個包含鏈表所有元素的數(shù)組

public Object[] toArray() {
    Object[] result = new Object[size];
    int i = 0;
    for (Node<E> x = first; x != null; x = x.next)
        result[i++] = x.item;
    return result;
}

LinkedList的Iterator

除了Node,LinkedList還有一個內(nèi)部類:ListItr。

ListItr實現(xiàn)了ListIterator接口,可知它是一個迭代器,通過它可以遍歷修改LinkedList。

在LinkedList中提供了獲取ListItr對象的方法:listIterator(int index)。

public ListIterator<E> listIterator(int index) {
    checkPositionIndex(index);
    return new ListItr(index);
}

該方法只是簡單的返回了一個ListItr對象。

LinkedList中還有通過繼承獲得的listIterator()方法,該方法只是調(diào)用了listIterator(int index)并且傳入0。

private class ListItr implements ListIterator<E> {
    private Node<E> lastReturned;
    private Node<E> next;
    private int nextIndex;
    private int expectedModCount = modCount;

    ListItr(int index) {
        // assert isPositionIndex(index);
        next = (index == size) ? null : node(index);
        nextIndex = index;
    }

    public boolean hasNext() {
        return nextIndex < size;
    }

    public E next() {
        checkForComodification();
        if (!hasNext())
            throw new NoSuchElementException();

        lastReturned = next;
        next = next.next;
        nextIndex++;
        return lastReturned.item;
    }

    public boolean hasPrevious() {
        return nextIndex > 0;
    }

    public E previous() {
        checkForComodification();
        if (!hasPrevious())
            throw new NoSuchElementException();

        lastReturned = next = (next == null) ? last : next.prev;
        nextIndex--;
        return lastReturned.item;
    }

    public int nextIndex() {
        return nextIndex;
    }

    public int previousIndex() {
        return nextIndex - 1;
    }

    public void remove() {
        checkForComodification();
        if (lastReturned == null)
            throw new IllegalStateException();

        Node<E> lastNext = lastReturned.next;
        unlink(lastReturned);
        if (next == lastReturned)
            next = lastNext;
        else
            nextIndex--;
        lastReturned = null;
        expectedModCount++;
    }

    public void set(E e) {
        if (lastReturned == null)
            throw new IllegalStateException();
        checkForComodification();
        lastReturned.item = e;
    }

    public void add(E e) {
        checkForComodification();
        lastReturned = null;
        if (next == null)
            linkLast(e);
        else
            linkBefore(e, next);
        nextIndex++;
        expectedModCount++;
    }

    public void forEachRemaining(Consumer<? super E> action) {
        Objects.requireNonNull(action);
        while (modCount == expectedModCount && nextIndex < size) {
            action.accept(next.item);
            lastReturned = next;
            next = next.next;
            nextIndex++;
        }
        checkForComodification();
    }

    final void checkForComodification() {
        if (modCount != expectedModCount)
            throw new ConcurrentModificationException();
    }
}

LinkedList還有一個提供Iterator的方法:descendingIterator()。該方法返回一個DescendingIterator對象。DescendingIterator是LinkedList的一個內(nèi)部類。

public Iterator<E> descendingIterator() {
    return new DescendingIterator();
}

DescendingIterator

private class DescendingIterator implements Iterator<E> {
    private final ListItr itr = new ListItr(size());
    public boolean hasNext() {
        return itr.hasPrevious();
    }
    public E next() {
        return itr.previous();
    }
    public void remove() {
        itr.remove();
    }
}

從類名和上面的代碼可以看出這是一個反向的Iterator,代碼很簡單,都是調(diào)用的ListItr類中的方法。

關于LinkedList的幾點說明

  • 注意源碼中的 Node<E> node(int index)方法
Node<E> node(int index) 
{
    if (index < (size >> 1)) 
    {
        Node<E> x = first;
        for (int i = 0; i < index; i++)
            x = x.next;
        return x;
    } 
   else
    {
        Node<E> x = last;
        for (int i = size - 1; i > index; i--)
            x = x.prev;
        return x;
    }
}

該方法返回雙向鏈表中指定位置處的節(jié)點,而鏈表中是沒有下標索引的,要指定位置出的元素,就要遍歷該鏈表,從源碼的實現(xiàn)中,我們看到這里有一個加速動作。源碼中先將index與長度size的一半比較,如果index<size/2,就只從位置0往后遍歷到位置index處,而如果index>size/2,就只從位置size往前遍歷到位置index處。這樣可以減少一部分不必要的遍歷。

  • LinkedList與ArrayList的區(qū)別

LinkedList與ArrayList在性能上各有優(yōu)缺點,都有各自適用的地方,總結(jié)如下:

  1. ArrayList是實現(xiàn)了基于動態(tài)數(shù)組的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),LinkedList基于鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
  2. LinkedList不支持高效的隨機元素訪問。
  3. ArrayList的空間浪費主要體現(xiàn)在在list列表的結(jié)尾預留一定的容量空間,而LinkedList的空間花費則體現(xiàn)在它的每一個元素都需要消耗相當?shù)目臻g,就存儲密度來說,ArrayList是優(yōu)于LinkedList的。

總之,當操作是在一列數(shù)據(jù)的后面添加數(shù)據(jù)而不是在前面或中間,并且需要隨機地訪問其中的元素時,使用ArrayList會提供比較好的性能,當你的操作是在一列數(shù)據(jù)的前面或中間添加或刪除數(shù)據(jù),并且按照順序訪問其中的元素時,就應該使用LinkedList了。

  • LinkedList中允許元素為null

優(yōu)先級鏈表(來自JBOSS)###

import java.util.ArrayList;
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;
import java.util.ListIterator;
import java.util.NoSuchElementException;

public class BasicPriorityLinkedList {

    protected LinkedList[] linkedLists;
    protected int priorities;
    protected int size;

    public BasicPriorityLinkedList(int priorities) {
        this.priorities = priorities;
        initDeques();
    }

    public void addFirst(Object obj, int priority) {
        linkedLists[priority].addFirst(obj);
        size++;
    }

    public void addLast(Object obj, int priority) {
        linkedLists[priority].addLast(obj);
        size++;
    }

    public Object removeFirst() {
        Object obj = null;
        for (int i = priorities - 1; i >= 0; i--) {
            LinkedList ll = linkedLists[i];
            if (!ll.isEmpty()) {
                obj = ll.removeFirst();
                break;
            }
        }
        if (obj != null) {
            size--;
        }
        return obj;
    }

    public Object removeLast() {
        Object obj = null;
        for (int i = 0; i < priorities; i++) {
            LinkedList ll = linkedLists[i];
            if (!ll.isEmpty()) {
                obj = ll.removeLast();
            }
            if (obj != null) {
                break;
            }
        }
        if (obj != null) {
            size--;
        }
        return obj;
    }

    public Object peekFirst() {
        Object obj = null;
        for (int i = priorities - 1; i >= 0; i--) {
            LinkedList ll = linkedLists[i];
            if (!ll.isEmpty()) {
                obj = ll.getFirst();
            }
            if (obj != null) {
                break;
            }
        }
        return obj;
    }

    public List getAll() {
        List all = new ArrayList();
        for (int i = priorities - 1; i >= 0; i--) {
            LinkedList deque = linkedLists[i];
            all.addAll(deque);
        }
        return all;
    }

    public void clear() {
        initDeques();
    }

    public int size() {
        return size;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return size == 0;
    }

    public ListIterator iterator() {
        return new PriorityLinkedListIterator(linkedLists);
    }

    protected void initDeques() {
        linkedLists = new LinkedList[priorities];
        for (int i = 0; i < priorities; i++) {
            linkedLists[i] = new LinkedList();
        }
        size = 0;
    }

    class PriorityLinkedListIterator implements ListIterator {
        private LinkedList[] lists;
        private int index;
        private ListIterator currentIter;

        PriorityLinkedListIterator(LinkedList[] lists) {
            this.lists = lists;
            index = lists.length - 1;
            currentIter = lists[index].listIterator();
        }

        public void add(Object arg0) {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }

        public boolean hasNext() {
            if (currentIter.hasNext()) {
                return true;
            }
            while (index >= 0) {
                if (index == 0 || currentIter.hasNext()) {
                    break;
                }
                index--;
                currentIter = lists[index].listIterator();
            }
            return currentIter.hasNext();
        }

        public boolean hasPrevious() {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }

        public Object next() {
            if (!hasNext()) {
                throw new NoSuchElementException();
            }
            return currentIter.next();
        }

        public int nextIndex() {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }

        public Object previous() {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }

        public int previousIndex() {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }

        public void remove() {
            currentIter.remove();
            size--;
        }

        public void set(Object obj) {
            throw new UnsupportedOperationException();
        }
    }
}
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