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文檔簡介
1、Java在九十年代中期出現(xiàn)以后,在贏得贊嘆的同時(shí),也引來了一些批評。贏得的贊嘆主要是Java的跨平臺的操作性,即所謂的”Write Once,Run Anywhere”.但由于Java的性能和運(yùn)行效率同C相比,仍然有很大的差距,從而引來了很多的批評。 對于服務(wù)器端的應(yīng)用程序,由于不大涉及到界面設(shè)計(jì)和程序的頻繁重啟,Java的性能問題看似不大明顯,從而一些Java的技術(shù),如JSP,Servlet,EJB等在服務(wù)器端編程方面得到了很大的應(yīng)用,但實(shí)際上,Java的性能問題在服務(wù)器端依然存在。下面我將分四個(gè)方面來討論Java的性能和執(zhí)行效率以及提高Java性能的一些
2、方法。 一關(guān)于性能的基本知識 1性能的定義 在我們討論怎樣提高Java的性能之前,我們需要明白“性能“的真正含義。我們一般定義如下五個(gè)方面作為評判性能的標(biāo)準(zhǔn)。 1) 運(yùn)算的性能-哪一個(gè)算法的執(zhí)行性能最好 2) 內(nèi)存的分配-程序需要分配多少內(nèi)存,運(yùn)行時(shí)的效率和性能最高。 3) 啟動的時(shí)間-程序啟動需要多少時(shí)間。 4) 程序的可伸縮性-程序在用戶負(fù)載
3、過重的情況下的表現(xiàn)。 5) 性能的認(rèn)識-用戶怎樣才能認(rèn)識到程序的性能。 對于不同的應(yīng)用程序,對性能的要求也不同。例如,大部分的應(yīng)用程序在啟動時(shí)需要較長的時(shí)間,從而對啟動時(shí)間的要求有所降低;服務(wù)器端的應(yīng)用程序通常都分配有較大的內(nèi)存空間,所以對內(nèi)存的要求也有所降低。但是,這并不是所這兩方面的性能可以被忽略。其次,算法的性能對于那些把商務(wù)邏輯運(yùn)用到事務(wù)性操作的應(yīng)用程序來講非常重要。總的來講,對應(yīng)用程序的要求將決定對各個(gè)性能的優(yōu)先級。 2怎樣才能提高JAVA的性能
4、0; 提高JAVA的性能,一般考慮如下的四個(gè)主要方面: (1) 程序設(shè)計(jì)的方法和模式 一個(gè)良好的設(shè)計(jì)能提高程序的性能,這一點(diǎn)不僅適用于JAVA,也適用也任何的編程語言。因?yàn)樗浞掷昧烁鞣N資源,如內(nèi)存,CPU,高速緩存,對象緩沖池及多線程,從而設(shè)計(jì)出高性能和可伸縮性強(qiáng)的系統(tǒng)。 當(dāng)然,為了提高程序的性能而改變原來的設(shè)計(jì)是比較困難的,但是,程序性能的重要性常常要高于設(shè)計(jì)上帶來的變化。因此,在編程開始之前就應(yīng)該有一個(gè)好的設(shè)計(jì)模型和方法。 (2) JAVA布署
5、的環(huán)境。 JAVA布署的環(huán)境就是指用來解釋和執(zhí)行JAVA字節(jié)碼的技術(shù),一般有如下五種。即解釋指令技術(shù)(Interpreter Technology),及時(shí)編譯的技術(shù)(Just In Time Compilier Technology), 適應(yīng)性優(yōu)化技術(shù)(Adaptive Optimization Technology), 動態(tài)優(yōu)化,提前編譯為機(jī)器碼的技術(shù)(Dynamic Optimization,Ahead Of Time Technology)和編譯為機(jī)器碼的技術(shù)(Translator Technology). 這些技術(shù)
6、一般都通過優(yōu)化線程模型,調(diào)整堆和棧的大小來優(yōu)化JAVA的性能。在考慮提高JAVA的性能時(shí),首先要找到影響JAVA性能的瓶頸(BottleNecks),在確認(rèn)了設(shè)計(jì)的合理性后,應(yīng)該調(diào)整JAVA布署的環(huán)境,通過改變一些參數(shù)來提高JAVA應(yīng)用程序的性能。具體內(nèi)容見第二節(jié)。 (3) JAVA應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn) 當(dāng)討論應(yīng)用程序的性能問題時(shí),大多數(shù)的程序員都會考慮程序的代碼,這當(dāng)然是對的,當(dāng)更重要的是要找到影響程序性能的瓶頸代碼。為了找到這些瓶頸代碼,我們一般會使用一些輔助的工具,如Jprobe,Optimizit,Vtune以及一些分析
7、的工具如TowerJ Performance等。這些輔助的工具能跟蹤應(yīng)用程序中執(zhí)行每個(gè)函數(shù)或方法所消耗掉的時(shí)間,從而改善程序的性能。 (4) 硬件和操作系統(tǒng) 為了提高JAVA應(yīng)用程序的性能,而采用跟快的CPU和更多的內(nèi)存,并認(rèn)為這是提高程序性能的唯一方法,但事實(shí)并非如此。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和事實(shí)證明,只有遭到了應(yīng)用程序性能的瓶頸,從而采取適當(dāng)?shù)梅椒?,如設(shè)計(jì)模式,布署的環(huán)境,操作系統(tǒng)的調(diào)整,才是最有效的。 3程序中通常的性能瓶頸。 所有的應(yīng)用程序都存在性能瓶頸,為
8、了提高應(yīng)用程序的性能,就要盡可能的減少程序的瓶頸。以下是在JAVA程序中經(jīng)常存在的性能瓶頸。 了解了這些瓶頸后,就可以有針對性的減少這些瓶頸,從而提高JAVA應(yīng)用程序的性能4. 提高JAVA程序性能的步驟 為了提高JAVA程序的性能,需要遵循如下的六個(gè)步驟。 a) 明確對性能的具體要求 在實(shí)施一個(gè)項(xiàng)目之前,必須要明確該項(xiàng)目對于程序性能的具體要求,如:這個(gè)應(yīng)用程序要支持5000個(gè)并發(fā)的用戶,并且響應(yīng)時(shí)間要在
9、5秒鐘之內(nèi)。但同時(shí)也要明白對于性能的要求不應(yīng)該同對程序的其他要求沖突。 b) 了解當(dāng)前程序的性能 你應(yīng)該了解你的應(yīng)用程序的性能同項(xiàng)目所要求性能之間的差距。通常的指標(biāo)是單位時(shí)間內(nèi)的處理數(shù)和響應(yīng)時(shí)間,有時(shí)還會比較CPU和內(nèi)存的利用率。 c) 找到程序的性能瓶頸 為了發(fā)現(xiàn)程序中的性能瓶頸,通常會使用一些分析工具,如:TowerJ Application Performance Analyzer或VTune來察看和分析程序堆棧中各個(gè)元素的消耗時(shí)間,從而正確的找
10、到并改正引起性能降低的瓶頸代碼,從而提高程序的性能。這些工具還能發(fā)現(xiàn)諸如過多的異常處理,垃圾回收等潛在的問題。 d) 采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣硖岣咝阅?#160; 找到了引起程序性能降低的瓶頸代碼后,我們就可以用前面介紹過的提高性能的四個(gè)方面,即設(shè)計(jì)模式,JAVA代碼的實(shí)現(xiàn),布署JAVA的環(huán)境和操作系統(tǒng)來提高應(yīng)用程序的性能。具體內(nèi)容將在下面的內(nèi)容中作詳細(xì)說明。 e) 只進(jìn)行某一方面的修改來提高性能 一次只改變可能引起性能降低的某一方面,然后觀察程序的性能是否有所提高,而不
11、應(yīng)該一次改變多個(gè)方面,因?yàn)檫@樣你將不知道到底哪個(gè)方面的改變提高了程序的性能,哪個(gè)方面沒有,即不能知道程序瓶頸在哪。 f) 返回到步驟c,繼續(xù)作類似的工作,一直達(dá)到要求的性能為止。 二 JAVA布署的環(huán)境和編譯技術(shù) 開發(fā)JAVA應(yīng)用程序時(shí),首先把JAVA的源程序編譯為與平臺無關(guān)的字節(jié)碼。這些字節(jié)碼就可以被各種基于JVM的技術(shù)所執(zhí)行。這些技術(shù)主要分為兩個(gè)大類。即基于解釋的技術(shù)和基于提前編譯為本地碼的技術(shù)。其示意圖如下:
12、具體可分為如下的五類: a) 解釋指令技術(shù) 其結(jié)構(gòu)圖和執(zhí)行過程如下: JAVA的編譯器首先把JAVA源文件編譯為字節(jié)碼。這些字節(jié)碼對于JAVA虛擬機(jī)(JVM)來講就是機(jī)器的指令碼。然后,JAVA的解釋器不斷的循環(huán)取出字節(jié)碼進(jìn)行解釋并執(zhí)行。 這樣做的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)JAVA語言的跨平臺,同時(shí)生成的字節(jié)碼也比較緊湊。JAVA的一些優(yōu)點(diǎn),如安全性,動態(tài)性都得保持;但缺點(diǎn)是省生成的字節(jié)碼沒有經(jīng)過什么優(yōu)化,同全部編譯好的本地碼相
13、比,速度比較慢。b) 及時(shí)編譯技術(shù)(Just In Time)及時(shí)編譯技術(shù)是為了解決指令解釋技術(shù)效率比較低,速度比較慢的情況下提出的,其結(jié)構(gòu)圖如下所示。 其主要變化是在JAVA程序執(zhí)行之前,又JIT編譯器把JAVA的字節(jié)碼編譯為機(jī)器碼。從而在程序運(yùn)行時(shí)直接執(zhí)行機(jī)器碼,而不用對字節(jié)碼進(jìn)行解釋。同時(shí)對代碼也進(jìn)行了部分的優(yōu)化。 這樣做的優(yōu)點(diǎn)是大大提高了JAVA程序的性能。同時(shí),由于編譯的結(jié)果并不在程序運(yùn)行間保存,因此也節(jié)約了存儲空間了加載程序的時(shí)間;缺點(diǎn)是由于JIT編譯
14、器對所有的代碼都想優(yōu)化,因此也浪費(fèi)了很多的時(shí)間。 IBM和SUN公司都提供了相關(guān)的JIT產(chǎn)品。 c) 適應(yīng)性優(yōu)化技術(shù)(Adaptive Optimization Technology) 同JIT技術(shù)相比,適應(yīng)性優(yōu)化技術(shù)并不對所有的字節(jié)碼進(jìn)行優(yōu)化。它會跟蹤程序運(yùn)行的成個(gè)過程,從而發(fā)現(xiàn)需要優(yōu)化的代碼,對代碼進(jìn)行動態(tài)的優(yōu)化。對優(yōu)化的代碼,采取80/20的策略。從理論上講,程序運(yùn)行的時(shí)間越長,代碼就越優(yōu)化。其結(jié)構(gòu)圖如下:
15、160; 其優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性優(yōu)化技術(shù)充分利用了程序執(zhí)行時(shí)的信息,發(fā)行程序的性能瓶頸,從而提高程序的性能;其缺點(diǎn)是在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)可能會選擇不當(dāng),發(fā)而降低了程序的性能。 其主要產(chǎn)品又IBM,SUN的HotSpot. d) 動態(tài)優(yōu)化,提前編譯為機(jī)器碼的技術(shù)(Dynamic Optimization,Ahead Of Time) 動態(tài)優(yōu)化技術(shù)充分利用了JAVA源碼編譯,字節(jié)碼編譯,動態(tài)編譯和靜態(tài)編譯的技術(shù)。其輸入時(shí)JAVA的原碼或字節(jié)碼,而輸出是經(jīng)過高度優(yōu)化的可執(zhí)行代碼和個(gè)來動態(tài)庫的混合(
16、Window中是DLL文件,UNIX中是共享庫.a .so文件)。其結(jié)構(gòu)如下: 其優(yōu)點(diǎn)是能大大提高程序的性能;缺點(diǎn)是破壞了JAVA的可移植性,也對JAVA的安全帶來了一定的隱患。 其主要產(chǎn)品是TowerJ3.0三優(yōu)化JAVA程序設(shè)計(jì)和編碼,提高JAVA程序性能的一些方法。 通過使用一些前面介紹過的輔助性工具來找到程序中的瓶頸,然后就可以對瓶頸部分的代碼進(jìn)行優(yōu)化。一般有兩種方案:即優(yōu)化代碼或更
17、改設(shè)計(jì)方法。我們一般會選擇后者,因?yàn)椴蝗フ{(diào)用以下代碼要比調(diào)用一些優(yōu)化的代碼更能提高程序的性能。而一個(gè)設(shè)計(jì)良好的程序能夠精簡代碼,從而提高性能。 下面將提供一些在JAVA程序的設(shè)計(jì)和編碼中,為了能夠提高JAVA程序的性能,而經(jīng)常采用的一些方法和技巧。 1對象的生成和大小的調(diào)整。 JAVA程序設(shè)計(jì)中一個(gè)普遍的問題就是沒有好好的利用JAVA語言本身提供的函數(shù),從而常常會生成大量的對象(或?qū)嵗S捎谙到y(tǒng)不僅要花時(shí)間生成對象,以后可能還需花時(shí)間對這些對象進(jìn)行垃圾回收和處理。因此,生成過多的對象將
18、會給程序的性能帶來很大的影響。 例1:關(guān)于String ,StringBuffer,+和append JAVA語言提供了對于String類型變量的操作。但如果使用不當(dāng),會給程序的性能帶來影響。如下面的語句: String name=new String(“HuangWeiFeng”); System.out.println(name+”is my name”); 看似已經(jīng)很精簡了,其實(shí)并非如此。為了生成二進(jìn)制的代碼,
19、要進(jìn)行如下的步驟和操作。 (1) 生成新的字符串 new String(STR_1); (2) 復(fù)制該字符串。 (3) 加載字符串常量”HuangWeiFeng”(STR_2); (4) 調(diào)用字符串的構(gòu)架器(Constructor); (5) 保存該字符串到數(shù)組中(從位置0開始) (6) 從java.io.PrintStream類中得到靜態(tài)的out變量
20、60; (7) 生成新的字符串緩沖變量new StringBuffer(STR_BUF_1); (8) 復(fù)制該字符串緩沖變量 (9) 調(diào)用字符串緩沖的構(gòu)架器(Constructor); (10) 保存該字符串緩沖到數(shù)組中(從位置1開始) (11) 以STR_1為參數(shù),調(diào)用字符串緩沖(StringBuffer)類中的append方法。 (12) 加載字符串常量”is my name”(STR_3);
21、0; (13) 以STR_3為參數(shù),調(diào)用字符串緩沖(StringBuffer)類中的append方法。 (14) 對于STR_BUF_1執(zhí)行toString命令。 (15) 調(diào)用out變量中的println方法,輸出結(jié)果。 由此可以看出,這兩行簡單的代碼,就生成了STR_1,STR_2,STR_3,STR_4和STR_BUF_1五個(gè)對象變量。這些生成的類的實(shí)例一般都存放在堆中。堆要對所有類的超類,類的實(shí)例進(jìn)行初始化,同時(shí)還要調(diào)用類極其每個(gè)超類的構(gòu)架器。而這些操作都是非常消耗系
22、統(tǒng)資源的。因此,對對象的生成進(jìn)行限制,是完全有必要的。 經(jīng)修改,上面的代碼可以用如下的代碼來替換。 StringBuffer name=new StringBuffer(“HuangWeiFeng”); System.out.println(name.append(“is my name.”).toString(); 系統(tǒng)將進(jìn)行如下的操作。 (1) 生成新的字符串緩沖變量new StringBuffer(STR_BU
23、F_1); (2) 復(fù)制該字符串緩沖變量 (3) 加載字符串常量”HuangWeiFeng”(STR_1); (4) 調(diào)用字符串緩沖的構(gòu)架器(Constructor); (5) 保存該字符串緩沖到數(shù)組中(從位置1開始) (6) 從java.io.PrintStream類中得到靜態(tài)的out變量 (7) 加載STR_BUF_1; (8) 加載字符串常
24、量”is my name”(STR_2); (9) 以STR_2為參數(shù),調(diào)用字符串緩沖(StringBuffer)實(shí)例中的append方法。 (10) 對于STR_BUF_1執(zhí)行toString命令。(STR_3) (11)調(diào)用out變量中的println方法,輸出結(jié)果。由此可以看出,經(jīng)過改進(jìn)后的代碼只生成了四個(gè)對象變量:STR_1,STR_2,STR_3和STR_BUF_1.你可能覺得少生成一個(gè)對象不會對程序的性能有很大的提高。但下面的代碼段2的執(zhí)行速度將是代碼段1的2倍。因?yàn)榇a段1
25、生成了八個(gè)對象,而代碼段2只生成了四個(gè)對象。 代碼段1:String name= new StringBuffer(“HuangWeiFeng”);name+=”is my”;name+=”name”; 代碼段2:StringBuffer name=new StringBuffer(“HuangWeiFeng”);name.append(“is my”);name.append(“name.”).toString(); 因此,充分的利用JAVA提供的庫函數(shù)來優(yōu)化程序,對提高JAVA程序的
26、性能時(shí)非常重要的.其注意點(diǎn)主要有如下幾方面; (1) 盡可能的使用靜態(tài)變量(Static Class Variables) 如果類中的變量不會隨他的實(shí)例而變化,就可以定義為靜態(tài)變量,從而使他所有的實(shí)例都共享這個(gè)變量。 例:public class fooSomeObject so=new SomeObject(); 就可以定義為:public class foostatic SomeObject so=new SomeObject();
27、160; (2) 不要對已生成的對象作過多的改變。 對于一些類(如:String類)來講,寧愿在重新生成一個(gè)新的對象實(shí)例,而不應(yīng)該修改已經(jīng)生成的對象實(shí)例。 例:String name=”Huang”;name=”Wei”;name=”Feng”; 上述代碼生成了三個(gè)String類型的對象實(shí)例。而前兩個(gè)馬上就需要系統(tǒng)進(jìn)行垃圾回收處理。如果要對字符串進(jìn)行連接的操作,性能將得更差。因?yàn)橄到y(tǒng)將不得為此生成更多得臨時(shí)變量。如上例1所示。 (3) 生成
28、對象時(shí),要分配給它合理的空間和大小 JAVA中的很多類都有它的默認(rèn)的空間分配大小。對于StringBuffer類來講,默認(rèn)的分配空間大小是16個(gè)字符。如果在程序中使用StringBuffer的空間大小不是16個(gè)字符,那么就必須進(jìn)行正確的初始化。 (4) 避免生成不太使用或生命周期短的對象或變量。 對于這種情況,因該定義一個(gè)對象緩沖池。以為管理一個(gè)對象緩沖池的開銷要比頻繁的生成和回收對象的開銷小的多。 (5) 只在對象作用范圍內(nèi)進(jìn)行初始化。 &
29、#160; JAVA允許在代碼的任何地方定義和初始化對象。這樣,就可以只在對象作用的范圍內(nèi)進(jìn)行初始化。從而節(jié)約系統(tǒng)的開銷。 例:SomeObject so=new SomeObject();If(x=1) thenFoo=so.getXX(); 可以修改為:if(x=1) thenSomeObject so=new SomeObject();Foo=so.getXX(); 2異常(Exceptions) JAVA語言中提供了try/catch來發(fā)方便用戶捕捉異常,
30、進(jìn)行異常的處理。但是如果使用不當(dāng),也會給JAVA程序的性能帶來影響。因此,要注意以下兩點(diǎn)。 (1) 避免對應(yīng)用程序的邏輯使用try/catch 如果可以用if,while等邏輯語句來處理,那么就盡可能的不用try/catch語句 (2) 重用異常 在必須要進(jìn)行異常的處理時(shí),要盡可能的重用已經(jīng)存在的異常對象。以為在異常的處理中,生成一個(gè)異常對象要消耗掉大部分的時(shí)間。 3. 線程(Threading)
31、0; 一個(gè)高性能的應(yīng)用程序中一般都會用到線程。因?yàn)榫€程能充分利用系統(tǒng)的資源。在其他線程因?yàn)榈却脖P或網(wǎng)絡(luò)讀寫而 時(shí),程序能繼續(xù)處理和運(yùn)行。但是對線程運(yùn)用不當(dāng),也會影響程序的性能。 例2:正確使用Vector類 Vector主要用來保存各種類型的對象(包括相同類型和不同類型的對象)。但是在一些情況下使用會給程序帶來性能上的影響。這主要是由Vector類的兩個(gè)特點(diǎn)所決定的。第一,Vector提供了線程的安全保護(hù)功能。即使Vector類中的許多方法同步。但是如果你已經(jīng)確認(rèn)你的應(yīng)用程序是單線程,這些方法的同步就完全不必
32、要了。第二,在Vector查找存儲的各種對象時(shí),常常要花很多的時(shí)間進(jìn)行類型的匹配。而當(dāng)這些對象都是同一類型時(shí),這些匹配就完全不必要了。因此,有必要設(shè)計(jì)一個(gè)單線程的,保存特定類型對象的類或集合來替代Vector類.用來替換的程序如下(StringVector.java):public class StringVectorprivate String data;private int count;public StringVector() this(10); / default size is 10 public StringVector(int initialSize)data = new St
33、ringinitialSize;public void add(String str)/ ignore null stringsif(str = null) return; ensureCapacity(count + 1);datacount+ = str;private void ensureCapacity(int minCapacity)int oldCapacity = data.length;if (minCapacity > oldCapacity)String oldData = data;int newCapacity = oldCapacity * 2;data =
34、new StringnewCapacity;System.arraycopy(oldData, 0, data, 0, count);public void remove(String str)if(str = null) return / ignore null str for(int i = 0; i < count; i+)/ check for a matchif(datai.equals(str)System.arraycopy(data,i+1,data,i,count-1); / copy data/ allow previously valid array element
35、 be gc'ddata-count = null;return;public final String getStringAt(int index) if(index < 0) return null; else if(index > count)return null; / index is > # stringselse return dataindex; / index is good /* * * * * * * * * * * * * * * *StringVector.java * * * * * * * * * * * * * * * * */因此,代
36、碼:Vector Strings=new Vector();Strings.add(“One”);Strings.add(“Two”);String Second=(String)Strings.elementAt(1); 可以用如下的代碼替換:StringVector Strings=new StringVector();Strings.add(“One”);Strings.add(“Two”);String Second=Strings.getStringAt(1); 這樣就可以通過優(yōu)化線程來提高JAVA程序的性能。用
37、于測試的程序如下(TestCollection.java):import java.util.Vector;public class TestCollectionpublic static void main(String args )TestCollection collect = new TestCollection();if(args.length = 0)System.out.println("Usage: java TestCollection vector | stringvector ");System.exit(1);if(args0.equals(&quo
38、t;vector")Vector store = new Vector();long start = System.currentTimeMillis();for(int i = 0; i < 1000000; i+)store.addElement("string");long finish = System.currentTimeMillis();System.out.println(finish-start);start = System.currentTimeMillis();for(int i = 0; i < 1000000; i+)Str
39、ing result = (String)store.elementAt(i);finish = System.currentTimeMillis();System.out.println(finish-start);else if(args0.equals("stringvector")StringVector store = new StringVector();long start = System.currentTimeMillis();for(int i = 0; i < 1000000; i+) store.add("string");
40、 long finish = System.currentTimeMillis();System.out.println(finish-start);start = System.currentTimeMillis();for(int i = 0; i < 1000000; i+) String result = store.getStringAt(i);finish = System.currentTimeMillis();System.out.println(finish-start);/* * * * * * * * * * * * * * * *TestCollection.ja
41、va * * * * * * * * * * * * * * * * */ 測試的結(jié)果如下(假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間為,越小性能越好): 關(guān)于線程的操作,要注意如下幾個(gè)方面。 (1) 防止過多的同步 如上所示,不必要的同步常常會造成程序性能的下降。因此,如果程序是單線程,則一定不要使用同步。 (2) 同步方法而不要同步整個(gè)代碼段對某個(gè)方法或函數(shù)進(jìn)行同步比對整個(gè)代碼段進(jìn)行同步的性能要好。 (3) 對每個(gè)對象使用多”鎖”的機(jī)制來增大并發(fā)。 一般每個(gè)對象都只有一個(gè)”鎖”,這就表明如果兩個(gè)線程執(zhí)行一個(gè)對象的兩個(gè)不同的同步方法時(shí),會發(fā)生”死鎖”。即使這兩個(gè)方法并不共享任何資源
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