Tomcat7.0源码分析——请求原理分析（上）

前言

　　谈起Tomcat的诞生，最早可以追溯到1995年。近20年来，Tomcat始终是使用最广泛的Web服务器，由于其使用Java语言开发，所以广为Java程序员所熟悉。很多早期的J2EE项目，由程序员自己实现Jsp页面或者Servlet接受请求，后来借助Struts1、Struts2、Spring等中间件后，实际也是利用Filter或者Servlet处理请求，大家肯定要问了，这些Servlet处理的请求来自哪里？Tomcat作为Web服务器是怎样将HTTP请求交给Servlet的呢？

　　本文就Tomcat对HTTP的请求处理细节进行分析。

　　提示：阅读本文前，请确保首先理解了《Tomcat7.0源码分析——生命周期管理》中的内容。

Connector的初始化

　　根据《Tomcat7.0源码分析——生命周期管理》一文的内容，我们知道Tomcat中有很多容器，包括Server、Service、Connector等。其中Connector正是与HTTP请求处理相关的容器。Service是Server的子容器，而Connector又是Service的子容器。那么这三个容器的初始化顺序为：Server->Service->Connector。Connector的实现分为以下几种：

Http Connector：基于HTTP协议，负责建立HTTP连接。它又分为BIO Http Connector（是Tomcat的默认Connector）与NIO Http Connector两种，后者提供对非阻塞IO与长连接Comet的支持。
AJP Connector：基于AJP协议，AJP是专门设计用于Tomcat与HTTP服务器通信定制的协议，能提供较高的通信速度和效率。如与Apache服务器集成时，采用这个协议。
APR HTTP Connector：用C实现，通过JNI调用的。主要提升对静态资源（如HTML、图片、CSS、JS等）的访问性能。现在这个库已独立出来可用在任何项目中。APR性能较前两类有很大提升。

现在我们直接来看Connector的initInternal方法吧，见代码清单1。

代码清单1

    @Overrideprotected void initInternal() throws LifecycleException {super.initInternal();// Initialize adapteradapter = new CoyoteAdapter(this);protocolHandler.setAdapter(adapter);IntrospectionUtils.setProperty(protocolHandler, "jkHome",System.getProperty("catalina.base"));onameProtocolHandler = register(protocolHandler,createObjectNameKeyProperties("ProtocolHandler"));mapperListener.setDomain(getDomain());onameMapper = register(mapperListener,createObjectNameKeyProperties("Mapper"));}

代码清单1说明了Connector的初始化步骤如下：

步骤一构造网络协议处理的CoyoteAdapter

　　代码清单1构造了CoyoteAdapter对象，并且将其设置为ProtocolHandler的Adapter。ProtocolHandler是做什么的呢？Tomcat处理HTTP请求，需要有一个ServerSocket监听网络端口来完成任务。接口ProtocolHandler被设计成控制网络端口监听组件运行，负责组件的生命周期控制，这个接口实际并没有定义网络端口监听功能的规范，而是用于负责维护组件的生命周期。从ProtocolHandler的名字来看，它应该是网络协议的处理者，但它实际不负责这个功能，而是将其交给org.apache.coyote.Adapter来完成，这么设计估计是为了方便维护和拓展新功能。Http11Protocol是ProtocolHandler接口的一个实现(是Connector的默认处理协议),被设计用来处理HTTP1.1网络协议的请求,通过该类可以完成在某个网络端口上面的监听,同时以HTTP1.1的协议来解析请求内容，然后将请求传递到Connector所寄居的Container容器pipeline流水工作线上处理。此处的ProtocolHandler是何时生成的呢？还记得《Tomcat7.0源码分析——SERVER.XML文件的加载与解析》一文中的Digester和Rule吗？Digester在解析到标签的时候，会执行startElement方法，startElement中会调用Rule的begin(String namespace, String name, Attributes attributes)方法，Connector对应的Rule就包括了ConnectorCreateRule。ConnectorCreateRule的begin方法的实现见代码清单2。

代码清单2

    @Overridepublic void begin(String namespace, String name, Attributes attributes)throws Exception {Service svc = (Service)digester.peek();Executor ex = null;if ( attributes.getValue("executor")!=null ) {ex = svc.getExecutor(attributes.getValue("executor"));}Connector con = new Connector(attributes.getValue("protocol"));if ( ex != null )  _setExecutor(con,ex);digester.push(con);}

代码清单2中调用了Connector的构造器，传递的参数为属性protocol。我们知道server.xml中默认的Connector有两个：

    <Connector port="8080" protocol="HTTP/1.1" connectionTimeout="20000" redirectPort="8443" /><!-- Define an AJP 1.3 Connector on port 8009 --><Connector port="8009" protocol="AJP/1.3" redirectPort="8443" />

从server.xml可以看到两个Connector都有属性protocol。

Connector的构造器实现，见代码清单3。

代码清单3

    public Connector(String protocol) {setProtocol(protocol);// Instantiate protocol handlertry {Class<?> clazz = Class.forName(protocolHandlerClassName);this.protocolHandler = (ProtocolHandler) clazz.newInstance();} catch (Exception e) {log.error(sm.getString("coyoteConnector.protocolHandlerInstantiationFailed", e));}}

setProtocol方法（见代码清单4）根据protocol参数的不同，调用setProtocolHandlerClassName方法（见代码清单5）设置protocolHandlerClassName属性。以HTTP/1.1为例，由于默认情况下Apr不可用，所以protocolHandlerClassName会被设置为org.apache.coyote.http11.Http11Protocol，那么反射生成的protocolHandler就是Http11Protocol实例。Tomcat默认还会配置协议是AJP/1.3的Connector，那么此Connector的protocolHandler就是org.apache.coyote.ajp.AjpProtocol。

代码清单4

    /*** Set the Coyote protocol which will be used by the connector.** @param protocol The Coyote protocol name*/public void setProtocol(String protocol) {if (AprLifecycleListener.isAprAvailable()) {if ("HTTP/1.1".equals(protocol)) {setProtocolHandlerClassName("org.apache.coyote.http11.Http11AprProtocol");} else if ("AJP/1.3".equals(protocol)) {setProtocolHandlerClassName("org.apache.coyote.ajp.AjpAprProtocol");} else if (protocol != null) {setProtocolHandlerClassName(protocol);} else {setProtocolHandlerClassName("org.apache.coyote.http11.Http11AprProtocol");}} else {if ("HTTP/1.1".equals(protocol)) {setProtocolHandlerClassName("org.apache.coyote.http11.Http11Protocol");} else if ("AJP/1.3".equals(protocol)) {setProtocolHandlerClassName("org.apache.coyote.ajp.AjpProtocol");} else if (protocol != null) {setProtocolHandlerClassName(protocol);}}}

代码清单5

    public void setProtocolHandlerClassName(String protocolHandlerClassName) {this.protocolHandlerClassName = protocolHandlerClassName;}

除此之外，ProtocolHandler还有其它实现，如图1所示。

图1　　ProtocolHandler类继承体系

图1中有关ProtocolHandler的实现类都在org.apache.coyote包中。前面所说的BIO Http Connector实际就是Http11Protocol，NIO Http Connector实际就是Http11NioProtocol，AJP Connector包括AjpProtocol和AjpAprProtocol，APR HTTP Connector包括AjpAprProtocol、Http11AprProtocol，此外还有一个MemoryProtocolHandler（这个是做什么的，目前没搞清楚，有知道的同学告诉我下啊！）。

步骤二将ProtocolHandler、MapperListener注册到JMX

　　BIO Http Connector的ProtocolHandler（即Http11Protocol）的JMX注册名为Catalina:type=ProtocolHandler,port=8080。BIO Http Connector的MapperListener的注册名为Catalina:type=Mapper,port=8080。AJP Connector的ProtocolHandler（即AjpProtocol）的JMX注册名为Catalina:type=ProtocolHandler,port=8009。AJP Connector的MapperListener的注册名为Catalina:type=Mapper,port=8009。有关Tomcat中JMX注册的内容，请阅读《Tomcat7.0源码分析——生命周期管理》一文。

Connector的启动

　　根据《Tomcat7.0源码分析——生命周期管理》一文的内容，我们知道Tomcat中有很多容器。ProtocolHandler的初始化稍微有些特殊，Server、Service、Connector这三个容器的初始化顺序为：Server->Service->Connector。值得注意的是，ProtocolHandler作为Connector的子容器，其初始化过程并不是由Connector的initInternal方法调用的，而是与启动过程一道被Connector的startInternal方法所调用。由于本文的目的是分析请求，所以直接从Connector的startInternal方法（见代码清单6）开始。

代码清单6

    /*** Begin processing requests via this Connector.** @exception LifecycleException if a fatal startup error occurs*/@Overrideprotected void startInternal() throws LifecycleException {setState(LifecycleState.STARTING);// Protocol handlers do not follow Lifecycle conventions.// protocolHandler.init() needs to wait until the connector.start()try {protocolHandler.init();} catch (Exception e) {throw new LifecycleException(sm.getString("coyoteConnector.protocolHandlerInitializationFailed", e));}try {protocolHandler.start();} catch (Exception e) {String errPrefix = "";if(this.service != null) {errPrefix += "service.getName(): \"" + this.service.getName() + "\"; ";}throw new LifecycleException(errPrefix + " " + sm.getString("coyoteConnector.protocolHandlerStartFailed", e));}// MapperListener doesn't follow Lifecycle conventions either gjamapperListener.init();}

代码清单6说明了Connector的startInternal方法的执行顺序如下：

将Connector容器的状态更改为启动中（LifecycleState.STARTING）；
初始化ProtocolHandler；
启动ProtocolHandler；
初始化MapperListener。

初始化ProtocolHandler

　　简单起见，我们以Http11Protocol为例剖析ProtocolHandler的init方法，其实现见代码清单7。

代码清单7

    @Overridepublic void init() throws Exception {((JIoEndpoint)endpoint).setName(getName());((JIoEndpoint)endpoint).setHandler(cHandler);// Verify the validity of the configured socket factorytry {if (isSSLEnabled()) {sslImplementation =SSLImplementation.getInstance(sslImplementationName);socketFactory = sslImplementation.getServerSocketFactory();((JIoEndpoint)endpoint).setServerSocketFactory(socketFactory);} else if (socketFactoryName != null) {socketFactory = (ServerSocketFactory) Class.forName(socketFactoryName).newInstance();((JIoEndpoint)endpoint).setServerSocketFactory(socketFactory);}} catch (Exception ex) {log.error(sm.getString("http11protocol.socketfactory.initerror"),ex);throw ex;}if (socketFactory!=null) {Iterator<String> attE = attributes.keySet().iterator();while( attE.hasNext() ) {String key = attE.next();Object v=attributes.get(key);socketFactory.setAttribute(key, v);}}try {endpoint.init();} catch (Exception ex) {log.error(sm.getString("http11protocol.endpoint.initerror"), ex);throw ex;}if (log.isInfoEnabled())log.info(sm.getString("http11protocol.init", getName()));}

从代码清单7看到，Http11Protocol的初始化步骤如下：

步骤一设置JIoEndpoint的名称

　　JIoEndpoint的名称默认为http-8080，这里的JIoEndpoint是在调用Http11Protocol的构造器时创建的，Http11Protocol的构造器中还设置了socket的延迟关闭选项soLingerOn、socket的延时关闭秒数soLingerTime、socket连接超时时间soTimeout、提高socket性能的tcpNoDelay等选项，见代码清单8。

代码清单8

    public Http11Protocol() {endpoint = new JIoEndpoint();setSoLinger(Constants.DEFAULT_CONNECTION_LINGER);setSoTimeout(Constants.DEFAULT_CONNECTION_TIMEOUT);//setServerSoTimeout(Constants.DEFAULT_SERVER_SOCKET_TIMEOUT);setTcpNoDelay(Constants.DEFAULT_TCP_NO_DELAY);}

步骤二设置JIoEndpoint的Handler

　　JIoEndpoint的handler被设置为cHandler，此cHandler的定义如下：

 protected Http11ConnectionHandler cHandler = new Http11ConnectionHandler(this);

步骤三配置ServerSocketFactory

从代码清单7看到，生成ServerSocketFactory有三种方式：

如果在server.xml中配置Connector时指定了SSLEnabled="true"的属性，那么创建带有SSL(Secure Sockets Layer 安全套接层)的ServerSocketFactory；
如果Http11Protocol指定了socketFactoryName,则使用socketFactoryName反射生成ServerSocketFactory实例；
如果不满足以上2个条件，那么JIoEndpoint的init方法（见代码清单9）将创建ServerSocketFactory。当SSLEnabled="true"时，JIoEndpoint的init方法还会给ServerSocketFactory设置一些SSL相关的属性。最后使用此ServerSocketFactory创建serverSocket。此外，acceptorThreadCount属性用于指定接受连接的线程数，可以通过给Connector设置acceptorThreadCount属性进行调整，默认值为1。

代码清单9

    @Overridepublic void init()throws Exception {if (initialized)return;// Initialize thread count defaults for acceptorif (acceptorThreadCount == 0) {acceptorThreadCount = 1;}if (serverSocketFactory == null) {serverSocketFactory = ServerSocketFactory.getDefault();}if (isSSLEnabled()) {serverSocketFactory.setAttribute(SSL_ATTR_ALGORITHM,getAlgorithm());serverSocketFactory.setAttribute(SSL_ATTR_CLIENT_AUTH,getClientAuth());serverSocketFactory.setAttribute(SSL_ATTR_KEYSTORE_FILE,getKeystoreFile());serverSocketFactory.setAttribute(SSL_ATTR_KEYSTORE_PASS,getKeystorePass());serverSocketFactory.setAttribute(SSL_ATTR_KEYSTORE_TYPE,getKeystoreType());serverSocketFactory.setAttribute(SSL_ATTR_KEYSTORE_PROVIDER,getKeystoreProvider());serverSocketFactory.setAttribute(SSL_ATTR_SSL_PROTOCOL,getSslProtocol());serverSocketFactory.setAttribute(SSL_ATTR_CIPHERS,getCiphers());serverSocketFactory.setAttribute(SSL_ATTR_KEY_ALIAS,getKeyAlias());serverSocketFactory.setAttribute(SSL_ATTR_KEY_PASS,getKeyPass());serverSocketFactory.setAttribute(SSL_ATTR_TRUSTSTORE_FILE,getTruststoreFile());serverSocketFactory.setAttribute(SSL_ATTR_TRUSTSTORE_PASS,getTruststorePass());serverSocketFactory.setAttribute(SSL_ATTR_TRUSTSTORE_TYPE,getTruststoreType());serverSocketFactory.setAttribute(SSL_ATTR_TRUSTSTORE_PROVIDER,getTruststoreProvider());serverSocketFactory.setAttribute(SSL_ATTR_TRUSTSTORE_ALGORITHM,getTruststoreAlgorithm());serverSocketFactory.setAttribute(SSL_ATTR_CRL_FILE,getCrlFile());serverSocketFactory.setAttribute(SSL_ATTR_TRUST_MAX_CERT_LENGTH,getTrustMaxCertLength());serverSocketFactory.setAttribute(SSL_ATTR_SESSION_CACHE_SIZE,getSessionCacheSize());serverSocketFactory.setAttribute(SSL_ATTR_SESSION_TIMEOUT,getSessionTimeout());serverSocketFactory.setAttribute(SSL_ATTR_ALLOW_UNSAFE_RENEG,getAllowUnsafeLegacyRenegotiation());}if (serverSocket == null) {try {if (getAddress() == null) {serverSocket = serverSocketFactory.createSocket(getPort(), getBacklog());} else {serverSocket = serverSocketFactory.createSocket(getPort(), getBacklog(), getAddress());}} catch (BindException orig) {String msg;if (getAddress() == null)msg = orig.getMessage() + " <null>:" + getPort();elsemsg = orig.getMessage() + " " +getAddress().toString() + ":" + getPort();BindException be = new BindException(msg);be.initCause(orig);throw be;}}//if( serverTimeout >= 0 )//    serverSocket.setSoTimeout( serverTimeout );initialized = true;}

启动ProtocolHandler

　　我们继续以Http11Protocol为例，剖析ProtocolHandler的start方法，其实现见代码清单10。

代码清单10

    @Overridepublic void start() throws Exception {if (this.domain != null) {try {tpOname = new ObjectName(domain + ":" + "type=ThreadPool,name=" + getName());Registry.getRegistry(null, null).registerComponent(endpoint, tpOname, null );} catch (Exception e) {log.error("Can't register endpoint");}rgOname=new ObjectName(domain + ":type=GlobalRequestProcessor,name=" + getName());Registry.getRegistry(null, null).registerComponent( cHandler.global, rgOname, null );}try {endpoint.start();} catch (Exception ex) {log.error(sm.getString("http11protocol.endpoint.starterror"), ex);throw ex;}if (log.isInfoEnabled())log.info(sm.getString("http11protocol.start", getName()));}

从代码清单10可以知道JIoEndpoint以Catalina:type=ThreadPool,name=http-8080注册到JMX，cHandler.global（Http11ConnectionHandler的对象属性，类型为RequestGroupInfo）以Catalina:type=GlobalRequestProcessor,name=http-8080注册到JMX。最后调用JIoEndpoint的start方法（见代码清单11）创建接受请求的线程池并创建一定数量的接收请求线程。

代码清单11

    @Overridepublic void start() throws Exception {// Initialize socket if not done beforeif (!initialized) {init();}if (!running) {running = true;paused = false;// Create worker collectionif (getExecutor() == null) {createExecutor();}// Start acceptor threadsfor (int i = 0; i < acceptorThreadCount; i++) {Thread acceptorThread = new Thread(new Acceptor(), getName() + "-Acceptor-" + i);acceptorThread.setPriority(threadPriority);acceptorThread.setDaemon(getDaemon());acceptorThread.start();}}}

从代码清单11看出JIoEndpoint的start方法的执行步骤如下：

步骤一对JIoEndpoint做初始化检查

　　这一步实际就是判断是否已经初始化（即initialized是否为true），如果没有初始化则需要调用JIoEndpoint的init方法进行初始化。

步骤二创建线程池与任务队列

　　如果JIoEndpoint尚未处于运行中（即running等于false），才会创建线程池和任务队列。如果尚未创建线程池（即调用getExecutor方法等于null），则需要调用createExecutor方法（见代码清单12）创建线程池和任务队列TaskQueue。

代码清单12

    public void createExecutor() {internalExecutor = true;TaskQueue taskqueue = new TaskQueue();TaskThreadFactory tf = new TaskThreadFactory(getName() + "-exec-", daemon, getThreadPriority());executor = new ThreadPoolExecutor(getMinSpareThreads(), getMaxThreads(), 60, TimeUnit.SECONDS,taskqueue, tf);taskqueue.setParent( (ThreadPoolExecutor) executor);}

步骤三创建接收请线程

　　如果JIoEndpoint尚未处于运行中（即running等于false），才会创建接收请求线程。从代码清单11可以看出接收请求线程的数量主要由acceptorThreadCount控制，代码清单9已经告诉我们acceptorThreadCount的默认值为1，但是我们可以通过给Connector增加acceptorThreadCount属性来修改接收请求线程的数量。这些接收请求线程的主要工作由Acceptor完成，Acceptor的实质是一个Runnable，见代码清单13。

代码清单13

    /*** Server socket acceptor thread.*/protected class Acceptor implements Runnable {/*** The background thread that listens for incoming TCP/IP connections and* hands them off to an appropriate processor. gja*/public void run() {// Loop until we receive a shutdown commandwhile (running) {// Loop if endpoint is pausedwhile (paused) {try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {// Ignore}}// Accept the next incoming connection from the server sockettry {Socket socket = serverSocketFactory.acceptSocket(serverSocket);serverSocketFactory.initSocket(socket);// Hand this socket off to an appropriate processorif (!processSocket(socket)) {// Close socket right awaytry {socket.close();} catch (IOException e) {// Ignore}}}catch ( IOException x ) {if ( running ) log.error(sm.getString("endpoint.accept.fail"), x);} catch (Throwable t) {log.error(sm.getString("endpoint.accept.fail"), t);}// The processor will recycle itself when it finishes}}}

初始化MapperListener

　　MapperListener的init方法用于初始化，见代码清单14。

代码清单14

    /*** Initialize associated mapper.*/public void init() {// Find any components that have already been initialized since the// MBean listener won't be notified as those components will have// already registered their MBeans jiaanfindDefaultHost();Engine engine = (Engine) connector.getService().getContainer();engine.addContainerListener(this);Container[] conHosts = engine.findChildren();for (Container conHost : conHosts) {Host host = (Host) conHost;if (!LifecycleState.NEW.equals(host.getState())) {host.addLifecycleListener(this);// Registering the host will register the context and wrappersregisterHost(host);}}}

从代码清单14看到MapperListener的初始化步骤如下：

步骤一查找默认Host

　　StandardService的子容器包括：StandardEngine、Connector和Executor。MapperListener本身会持有Connector，所以可以通过各个容器的父子关系，找到Connector的同级容器StandardEngine。StandardHost是StandardEngine的子容器，Engine和Host的默认配置如下：

    <Engine name="Catalina" defaultHost="localhost"><Realm className="org.apache.catalina.realm.UserDatabaseRealm"resourceName="UserDatabase"/><Host name="localhost"  appBase="webapps"unpackWARs="true" autoDeploy="true"><Valve className="org.apache.catalina.valves.AccessLogValve" directory="logs"  prefix="localhost_access_log." suffix=".txt"pattern="%h %l %u %t "%r" %s %b" resolveHosts="false"/></Host></Engine>

findDefaultHost方法（见代码清单15）可以获取上面配置中的默认Host，Engine元素的defaultHost属性值必须要与配置的某个Host元素的name属性值相同。如果defaultHost的属性值配置无误，则会添加为MapperListener的Mapper对象属性的defaultHostName。

代码清单15

    private void findDefaultHost() {Engine engine = (Engine) connector.getService().getContainer();String defaultHost = engine.getDefaultHost();boolean found = false;if (defaultHost != null && defaultHost.length() >0) {Container[] containers = engine.findChildren();for (Container container : containers) {Host host = (Host) container;if (defaultHost.equalsIgnoreCase(host.getName())) {found = true;break;}String[] aliases = host.findAliases();for (String alias : aliases) {if (defaultHost.equalsIgnoreCase(alias)) {found = true;break;}}}}if(found) {mapper.setDefaultHostName(defaultHost);} else {log.warn(sm.getString("mapperListener.unknownDefaultHost",defaultHost));}}

步骤二将Host及其子容器Context，Context的子容器Wrapper注册到MapperListener的Mapper对象

　　Mapper的数据结构，见代码清单16。

代码清单16

    /*** Array containing the virtual hosts definitions.*/protected Host[] hosts = new Host[0];/*** Default host name.*/protected String defaultHostName = null;/*** Context associated with this wrapper, used for wrapper mapping.*/protected Context context = new Context();protected static abstract class MapElement {public String name = null;public Object object = null;}protected static final class Hostextends MapElement {public ContextList contextList = null;}protected static final class ContextList {public Context[] contexts = new Context[0];public int nesting = 0;}protected static final class Contextextends MapElement {public String path = null;public String[] welcomeResources = new String[0];public javax.naming.Context resources = null;public Wrapper defaultWrapper = null;public Wrapper[] exactWrappers = new Wrapper[0];public Wrapper[] wildcardWrappers = new Wrapper[0];public Wrapper[] extensionWrappers = new Wrapper[0];public int nesting = 0;}protected static class Wrapperextends MapElement {public String path = null;public boolean jspWildCard = false;}

根据代码清单16，我们知道Mapper中维护着一个Host数组，每个Host中有一个ContextList，这个ContextList中维护着一个Context数组。每个Context维护着一个defaultWrapper，三个Wrapper数组（exactWrappers、wildcardWrappers、extensionWrappers）。下面对Host、Context及Wrapper进行功能上的介绍：

Host：代表一个虚拟主机，各Host的name不能相同，appBase代表各虚拟主机的应用发布位置；
Context：代表一个应用，Context可以根据应用的/WEB-INF/web.xml文件中定义的servlet来处理请求。一个Host下可以有多个Context；
Wrapper：代表一个Servlet或者jsp，它负责管理一个 Servlet，包括的 Servlet 的装载、初始化、执行以及资源回收。

以我本地为例，注册到Mapper中的Host及其子容器如图2所示。

图2　　注册到Mapper中的Host及其Context子容器

图2说明Host内一共5个Context，由于我的Tomcat是从svn拉下来的，所以webapps目录下的.svn文件夹也是一个Context，除了这个天外来客，我将其它与请求有关的容器整理后用图3来展示。

图3　　我本地的Host、Context及Wrapper

　　至此，Tomcat中为请求处理的准备工作已经完成。有关请求的处理过程请继续阅读《Tomcat7.0源码分析——请求原理分析（中）》一文。

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