DRDS分布式SQL引擎—执行计划介绍

2022-04-13 04:00:10

DRDS分布式SQL引擎 — 执行计划介绍

前言

数据库系统中，执行计划是对 SQL 如何执行的形式化表示，往往由若干关系操作符构成，用户可以通过对应的 EXPLAIN 命令查看，并通过执行计划大致了解 SQL 的执行过程和执行方式，如全表扫描还是索引扫描，归并连接还是哈希连接等。执行计划可以为用户进行 SQL 调优提供重要依据。

DRDS 执行计划

与多数数据库系统类似，DRDS 在处理 SQL 时，会通过优化器生成执行计划，该执行计划由关系操作符构成一个树形结构，反映 DRDS 如何执行 SQL 语句；不同的是，DRDS 本身不存储数据，更侧重考虑分布式环境中的网络 IO 开销，将运算下推到各个分库（如 RDS/MySQL）执行，从而提升 SQL 执行效率。用户可通过 EXPLAIN 命令查看 SQL 的执行计划。

本文着重介绍 DRDS 执行计划中各个操作符的含义，以便用户通过查询计划了解 SQL 执行流程，从而有针对性的调优 SQL。文中示例均基于如下表结构：

CREATE TABLE `sbtest1` (
  `id`  INT(10) UNSIGNED NOT NULL,
  `k`   INT(10) UNSIGNED NOT NULL DEFAULT '0',
  `c`   CHAR(120)        NOT NULL DEFAULT '',
  `pad` CHAR(60)         NOT NULL DEFAULT '',
  KEY `xid` (`id`),
  KEY `k_1` (`k`)
) dbpartition BY HASH (`id`) tbpartition BY HASH (`id`) tbpartitions 4

先通过一个例子整体了解 DRDS 执行计划的树形结构。

mysql> explain select a.k, count(*) cnt from sbtest1 a, sbtest1 b where a.id = b.k and a.id > 1000 group by k having cnt > 1300 order by cnt limit 5, 10;
+---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| LOGICAL PLAN                                                                                                                                      |
+---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| TmpSort(sort="cnt ASC", offset=?2, fetch=?3)                                                                                                      |
|   Filter(condition="cnt > ?1")                                                                                                                    |
|     Aggregate(group="k", cnt="COUNT()")                                                                                                           |
|       BKAJoin(id="id", k="k", c="c", pad="pad", id0="id0", k0="k0", c0="c0", pad0="pad0", condition="id = k", type="inner")                       |
|         MergeSort(sort="k ASC")                                                                                                                   |
|           LogicalView(tables="[0000-0031].sbtest1_[000-127]", shardCount=128, sql="SELECT * FROM `sbtest1` WHERE (`id` > ?) ORDER BY `k`")        |
|         UnionAll(concurrent=true)                                                                                                                 |
|           LogicalView(tables="[0000-0031].sbtest1_[000-127]", shardCount=128, sql="SELECT * FROM `sbtest1` WHERE ((`k` > ?) AND (`k` IN ('?')))") |
| HitCache:false                                                                                                                                    |
+---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
9 rows in set (0.01 sec)

如上，DRDS EXPLAIN 的结果总体分为两部分：执行计划和其他信息。

执行计划

执行计划以缩进形式表示操作符之间的 "父-子" 关系。示例中，Filter 是 TmpSort 的子操作符，同时是 Aggregate 的父操作符。从真正执行的角度看，每个操作符均从其子操作符中获取数据，经当前操作符处理，输出给其父操作符。为方便理解，将以上执行计划转换为更加直观的树形结构：

其他信息
```
除执行计划外，EXPLAIN 结果中还会有一些额外信息，目前仅有一项 `HitCache` 。需要说明的是，DRDS 会默认开启 PlanCache 功能，`HitCache` 表示当前 SQL 是否命中 PlanCache。
```
开启 PlanCache 后，DRDS 会对 SQL 做参数化处理，参数化会将 SQL 中的大部分常量用 ? 替换，并构建一个参数列表。在执行计划中的体现就是，LogicalView 的 sql 中会有 ? ，在部分操作符中会有类似 ?2 的字样，这里的 2 表示其在参数列表中的下标，后续会结合具体的例子进一步阐述。

EXPLAIN 语法

EXPLAIN 用于查看 SQL 语句的执行计划，语法如下：

EXPLAIN explainable_stmt

explainable_stmt: {
    SELECT statement
  | DELETE statement
  | INSERT statement
  | REPLACE statement
  | UPDATE statement
}

操作符介绍

本小节详细介绍 DRDS 执行计划中各个操作符的含义。

LogicalView

LogicalView 是从底层数据源获取数据的操作符。从数据库的角度来看，使用 TableScan 命名更符合常规，但考虑到 DRDS 本身不存储数据，而是通过 SQL 从底层数据源获取，因此，该操作符中会记录下推的 SQL 语句和数据源信息，这更像一个 "视图"。该 "视图" 中的 SQL，通过优化器的下推，可能包含多种操作，如投影、过滤、聚合、排序、连接和子查询等。

以下通过示例说明 EXPLAIN 中 LogicalView 的输出信息及其含义：

mysql> explain select * From sbtest1 where id > 1000;
+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| LOGICAL PLAN                                                                                                          |
+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| UnionAll(concurrent=true)                                                                                             |
|   LogicalView(tables="[0000-0031].sbtest1_[000-127]", shardCount=128, sql="SELECT * FROM `sbtest1` WHERE (`id` > ?)") |
| HitCache:false                                                                                                        |
+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
3 rows in set (0.00 sec)

LogicalView 的信息由三部分构成：

tables：底层数据源对应的表名，以 . 分割，其前是分库对应的编号，其后是表名及其编号，对于连续的编号，会做简写，如 [000-127]，表示表名编号从 000 到 127 的所有表。
shardCount：需要访问的分表总数，该示例中会访问从 000 到 127 共 128 张分表。
sql：下发至底层数据源的 SQL 模版。这里显示的并非真正下发的 SQL 语句，DRDS 在执行时会将表名替换为物理表名；另外，SQL 中的常量 10 被 ? 替换，这是因为 DRDS 默认开启了 PlanCache 功能，对 SQL 做了参数化处理。

UnionAll

UnionAll 是 UNION ALL 对应的操作符，该操作符通常有多个输入，表示将多个输入的数据 UNION 在一起。以上示例中，LogicalView 之上的 UnionAll 表示将所有分表中的数据进行 UNION。

UnionAll 中的 concurrent 表示是否并行执行其子操作符，默认为 true。

UnionDistinct

与 UnionAll 类似，UnionDistinct 是 UNION DISTINCT 对应的操作符。如下：

mysql> explain select * From sbtest1 where id > 1000 union distinct select * From sbtest1 where id < 200;
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| LOGICAL PLAN                                                                                                            |
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| UnionDistinct(concurrent=true)                                                                                          |
|   UnionAll(concurrent=true)                                                                                             |
|     LogicalView(tables="[0000-0031].sbtest1_[000-127]", shardCount=128, sql="SELECT * FROM `sbtest1` WHERE (`id` > ?)") |
|   UnionAll(concurrent=true)                                                                                             |
|     LogicalView(tables="[0000-0031].sbtest1_[000-127]", shardCount=128, sql="SELECT * FROM `sbtest1` WHERE (`id` < ?)") |
| HitCache:false                                                                                                          |
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
6 rows in set (0.02 sec)

MergeSort

MergeSort，归并排序操作符，通常有多个子操作符。DRDS 中实现了两种排序：基于有序数据的归并排序和对无序数据的内存排序。如下：

mysql> explain select *from sbtest1 where id > 1000 order by id limit 5,10;
+---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| LOGICAL PLAN                                                                                                                                      |
+---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| MergeSort(sort="id ASC", offset=?1, fetch=?2)                                                                                                     |
|   LogicalView(tables="[0000-0031].sbtest1_[000-127]", shardCount=128, sql="SELECT * FROM `sbtest1` WHERE (`id` > ?) ORDER BY `id` LIMIT (? + ?)") |
| HitCache:false                                                                                                                                    |
+---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
3 rows in set (0.00 sec)

MergeSort 操作符包含三部分内容：

sort：表示排序字段以及排列顺序，id ASC 表示按照 id 字段递增排序，DESC 表示递减排序。
offset：表示获取结果集时的偏移量，同样由于对 SQL 做了参数化，示例中的 offst 表示为 ?1 ，其中 ? 表示这是一个动态参数，其后的数字对应参数列表的下标。示例中 SQL 对应的参数为 [1000, 5, 10]，因此，?1 实际对应的值为 5。
fetch：表示最多返回的数据行数。与 offset 类似，同样是参数化的表示，实际对应的值为 10。

Aggregate

Aggregate 是聚合操作符，通常包含两部分内容：Group By 字段和聚合函数。如下：

mysql> explain select k, count(*) from sbtest1 where id > 1000 group by k;
+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| LOGICAL PLAN                                                                                                                                                                |
+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| Aggregate(group="k", count(*)="SUM(count(*))")                                                                                                                              |
|   MergeSort(sort="k ASC")                                                                                                                                                   |
|     LogicalView(tables="[0000-0031].sbtest1_[000-127]", shardCount=128, sql="SELECT `k`, COUNT(*) AS `count(*)` FROM `sbtest1` WHERE (`id` > ?) GROUP BY `k` ORDER BY `k`") |
| HitCache:true                                                                                                                                                               |
+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
4 rows in set (0.00 sec)

Aggregate 包含两部分内容：

group：表示 GROUP BY 字段，示例中为 k 。
聚合函数：= 前为聚合函数对应的输出列名，其后为对应的计算方法。示例中 count(*)="SUM(count(*))" ，第一个 count(*) 对应输出的列名，随后的 SUM(count(*)) 表示对其输入数据中的 count(*) 列进行 SUM 运算得到最终的 count(*)。

由此可见，DRDS 将聚合操作分为两部分，首先将聚合操作下推至底层数据源做局部聚合，最终在 DRDS 层面对局部聚合的结果做全局聚合。另外，DRDS 的最终聚合是基于排序做的，因此，会在优化器阶段为其添加一个 Sort 子操作符，而 Sort 操作符又进一步通过下推 Sort 转换为 MergeSort 。

再来看一个 AVG 聚合函数的例子，如下：

mysql> explain select k, avg(id) avg_id from sbtest1 where id > 1000 group by k;
+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| LOGICAL PLAN|
+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| Project(k="k", avg_id="sum_pushed_sum / sum_pushed_count")|
|   Aggregate(group="k", sum_pushed_sum="SUM(pushed_sum)", sum_pushed_count="SUM(pushed_count)")|
|     MergeSort(sort="k ASC")|
|       LogicalView(tables="[0000-0031].sbtest1_[000-127]", shardCount=128, sql="SELECT `k`, SUM(`id`) AS `pushed_sum`, COUNT(`id`) AS `pushed_count` FROM `sbtest1` WHERE (`id` > ?) GROUP BY `k` ORDER BY `k`")|
| HitCache:false|
+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
5 rows in set (0.01 sec)

DRDS 会将 AVG 聚合函数转换为 SUM / COUNT，再分别根据 SUM 和 COUNT 的下推规则，将其转换为局部聚合和全局聚合。用户可自行尝试了解其他聚合函数的执行计划。

注意：DRDS 会将 DISTINCT 操作转换为 GROUP 操作，如下：

mysql> explain select distinct k from sbtest1 where id > 1000;
+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| LOGICAL PLAN                                                                                                                                        |
+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| Aggregate(group="k")                                                                                                                                |
|   MergeSort(sort="k ASC")                                                                                                                           |
|     LogicalView(tables="[0000-0031].sbtest1_[000-127]", shardCount=128, sql="SELECT `k` FROM `sbtest1` WHERE (`id` > ?) GROUP BY `k` ORDER BY `k`") |
| HitCache:false                                                                                                                                      |
+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
4 rows in set (0.02 sec)

TmpSort

TmpSort，表示在内存中对数据进行排序。与 MergeSort 的区别在于，MergeSort 可以有多个子操作符，且每个子操作符返回的数据都已经排序。TmpSort 仅有一个子操作符。

TmpSort 对应的查询计划信息与 MergeSort 一致，请参考 MergeSort。

Project

Project 表示投影操作，即从输入数据中选择部分列输出，或者对某些列进行转换（通过函数或者表达式计算）后输出，当然，也可以包含常量。以上 AVG 的示例中，最顶层就是一个 Project，其输出 k 和 sum_pushed_sum / sum_pushed_count ，后者对应的列名为 avg_id 。

mysql> explain select '你好, DRDS', 1 / 2, CURTIME();
+-------------------------------------------------------------------------------------+
| LOGICAL PLAN                                                                        |
+-------------------------------------------------------------------------------------+
| Project(你好, DRDS="_UTF-16'你好, DRDS'", 1 / 2="1 / 2", CURTIME()="CURTIME()") |
|                                                                                     |
| HitCache:false                                                                      |
+-------------------------------------------------------------------------------------+
3 rows in set (0.00 sec)

可见，Project 的计划中包括每列的列名及其对应的列、值、函数或者表达式。

Filter

Filter 表示过滤操作，其中包含一些过滤条件。该操作符对输入数据进行过滤，若满足条件，则输出，否则丢弃。如下是一个较复杂的例子，包含了以上介绍的大部分操作符。

mysql> explain select k, avg(id) avg_id from sbtest1 where id > 1000 group by k having avg_id > 1300;
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| LOGICAL PLAN  |
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| Filter(condition="avg_id > ?1")  |
|   Project(k="k", avg_id="sum_pushed_sum / sum_pushed_count")  |
|     Aggregate(group="k", sum_pushed_sum="SUM(pushed_sum)", sum_pushed_count="SUM(pushed_count)")  |
|       MergeSort(sort="k ASC")  |
|         LogicalView(tables="[0000-0031].sbtest1_[000-127]", shardCount=128, sql="SELECT `k`, SUM(`id`) AS `pushed_sum`, COUNT(`id`) AS `pushed_count` FROM `sbtest1` WHERE (`id` > ?) GROUP BY `k` ORDER BY `k`") |
| HitCache:false  |
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
6 rows in set (0.01 sec)

在以上 AVG 示例的 SQL 基础上添加了having avg_id > 1300 ，执行计划最上层添加了一个 Filter 操作符，用于过滤所有满足 avg_id > 1300 的数据。

有读者可能会问，WHERE 中的条件为什么没有对应的 Filter 操作符呢？在 DRDS 优化器的某个阶段，WHERE 条件的 Filter 操作符的确是存在的，只是最终将其下推到了 LogiacalView 中，因此可以在 LogicalView 的 sql 中看到 id > 1000 。

NlJoin

NlJoin，表示 NestLoop Join 操作符，即使用 NestLoop 方法进行两表 Join。DRDS 中实现了两种 JOIN 策略：NlJoin 和 BKAJoin，后者表示 Batched Key Access Join，批量键值查询，会从左表取一批数据，构建一个 IN 条件拼接在访问右表的 SQL 中，从右表一次获取一批数据。

mysql> explain select a.* from sbtest1 a, sbtest1 b where a.id = b.k and a.id > 1000;
+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| LOGICAL PLAN                                                                                                               |
+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| Project(id="id", k="k", c="c", pad="pad")                                                                                  |
|   NlJoin(id="id", k="k", c="c", pad="pad", k0="k0", condition="id = k", type="inner")                                      |
|     UnionAll(concurrent=true)                                                                                              |
|       LogicalView(tables="[0000-0031].sbtest1_[000-127]", shardCount=128, sql="SELECT * FROM `sbtest1` WHERE (`id` > ?)")  |
|     UnionAll(concurrent=true)                                                                                              |
|       LogicalView(tables="[0000-0031].sbtest1_[000-127]", shardCount=128, sql="SELECT `k` FROM `sbtest1` WHERE (`k` > ?)") |
| HitCache:false                                                                                                             |
+----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
7 rows in set (0.03 sec)

NlJOIN 的计划包括三部分内容：

输出列信息：输出的列名，示例中的 JOIN 会输出 5 列 id="id", k="k", c="c", pad="pad", k0="k0" 。
contition：连接条件，示例中连接条件为 id = k 。
type：连接类型，示例中是 INNER JOIN，因此其连接类型为 inner 。

BKAJoin

BKAJoin，Batched Key Access Join，表示通过批量键值查询的方式进行 JOIN，即从左表取一批数据，构建一个 IN 条件拼接在访问右表的 SQL 中，从右表一次获取一批数据进行 JOIN。

mysql> explain select a.* from sbtest1 a, sbtest1 b where a.id = b.k order by a.id;
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| LOGICAL PLAN                                                                                                                  |
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| Project(id="id", k="k", c="c", pad="pad")                                                                                     |
|   BKAJoin(id="id", k="k", c="c", pad="pad", id0="id0", k0="k0", c0="c0", pad0="pad0", condition="id = k", type="inner")       |
|     MergeSort(sort="id ASC")                                                                                                  |
|       LogicalView(tables="[0000-0031].sbtest1_[000-127]", shardCount=128, sql="SELECT * FROM `sbtest1` ORDER BY `id`")        |
|     UnionAll(concurrent=true)                                                                                                 |
|       LogicalView(tables="[0000-0031].sbtest1_[000-127]", shardCount=128, sql="SELECT * FROM `sbtest1` WHERE (`k` IN ('?'))") |
| HitCache:false                                                                                                                |
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
7 rows in set (0.01 sec)

BKAJoin 的计划内容与 NlJoin 相同，这两个操作符命名不同，旨在告知执行器以何种方法执行 JOIN 操作。另外，以上执行计划中右表的 LogicalView 中 k IN ('?') 是优化器构建出来的对右表的IN查询模板。

LogicalModifyView

如上文介绍，LogicalView 表示从底层数据源获取数据的操作符，与之对应的，LogicalModifyView 表示对底层数据源的修改操作符，其中也会记录一个 SQL 语句，该 SQL 可能是 INSERT、UPDATE 或者 DELETE。

mysql> explain update sbtest1 set c='Hello, DRDS' where id > 1000;
+--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| LOGICAL PLAN                                                                                                                   |
+--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| LogicalModifyView(tables="[0000-0031].sbtest1_[000-127]", shardCount=128, sql="UPDATE `sbtest1` SET `c` = ? WHERE (`id` > ?)") |
| HitCache:false                                                                                                                 |
+--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
2 rows in set (0.03 sec)

mysql> explain delete from sbtest1 where id > 1000;
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| LOGICAL PLAN                                                                                                            |
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| LogicalModifyView(tables="[0000-0031].sbtest1_[000-127]", shardCount=128, sql="DELETE FROM `sbtest1` WHERE (`id` > ?)") |
| HitCache:false                                                                                                          |
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
2 rows in set (0.03 sec)

LogicalModifyView 查询计划的内容与 LogicalView 类似，包括下发的物理分表，分表数以及 SQL 模版。同样，由于开启了 PlanCache，对 SQL 做了参数化处理，SQL 模版中的常量会用 ? 替换。

PhyTableOperation

PhyTableOperation 表示对某个物理分表执行一个操作。该操作符目前仅用于 INSERT INTO ... VALUES ...。

mysql> explain insert into sbtest1 values(1, 1, '1', '1'),(2, 2, '2', '2');
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| LOGICAL PLAN                                                                                                                                                                                                 |
+--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| PhyTableOperation(tables="SYSBENCH_CORONADB_1526954857179TGMMSYSBENCH_CORONADB_VGOC_0000_RDS.[sbtest1_001]", sql="INSERT INTO ? (`id`, `k`, `c`, `pad`) VALUES(?, ?, ?, ?)", params="`sbtest1_001`,1,1,1,1") |
| PhyTableOperation(tables="SYSBENCH_CORONADB_1526954857179TGMMSYSBENCH_CORONADB_VGOC_0000_RDS.[sbtest1_002]", sql="INSERT INTO ? (`id`, `k`, `c`, `pad`) VALUES(?, ?, ?, ?)", params="`sbtest1_002`,2,2,2,2") |
|                                                                                                                                                                                                              |
| HitCache:false                                                                                                                                                                                               |
+--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
4 rows in set (0.00 sec)

示例中，INSERT 插入两行数据，每行数据对应一个 PhyTableOperation 操作符，PhyTableOperation 操作符的内容包括三部分：

tables：物理表名，仅有唯一一个物理表名。
sql：SQL 模版，该 SQL 模版中表名和常量均被参数化，用 ? 替换，对应的参数在随后的 params 中给出。
params：SQL 模版对应的参数，包括表名和常量。

其他信息

HitCache

DRDS 会默认开启 PlanCache 功能，HitCache 用于告知用户当前查询是否命中 PlanCache。如下，第一次运行 HitCache 为 false，第二次运行为 true。

mysql> explain select * From sbtest1 where id > 1000;
+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| LOGICAL PLAN                                                                                                          |
+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| UnionAll(concurrent=true)                                                                                             |
|   LogicalView(tables="[0000-0031].sbtest1_[000-127]", shardCount=128, sql="SELECT * FROM `sbtest1` WHERE (`id` > ?)") |
| HitCache:false                                                                                                        |
+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
3 rows in set (0.01 sec)

mysql> explain select * From sbtest1 where id > 1000;
+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| LOGICAL PLAN                                                                                                          |
+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| UnionAll(concurrent=true)                                                                                             |
|   LogicalView(tables="[0000-0031].sbtest1_[000-127]", shardCount=128, sql="SELECT * FROM `sbtest1` WHERE (`id` > ?)") |
| HitCache:true                                                                                                         |
+-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
3 rows in set (0.00 sec)

小结

以上介绍了 DRDS 5.3 的 EXPLAIN 命令，以及执行计划中每个操作符的含义，相信可以为用户调优 SQL 提供极大得便利。

DRDS 5.3 已经在阿里云正式上线，除全新设计的执行计划外，性能也有大幅提升，并支持原生事务、Outline 和 Plan Cache 等功能。后续支持复杂查询的只读实例、回收站、基于事务的广播表写入等功能也将相继上线，敬请期待。

欢迎大家持续关注 DRDS（阿里云分布式关系型数据库服务），详情：https://www.aliyun.com/product/drds。

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