MongoDB是什么，怎么用看完你就知道了

MongoDB是一款为web应用程序和互联网基础设施设计的数据库管理系统。没错MongoDB就是数据库，是NoSQL类型的数据库。

（1）MongoDB提出的是文档、集合的概念，使用BSON（类JSON）作为其数据模型结构，其结构是面向对象的而不是二维表，存储一个用户在MongoDB中是这样子的。

使用这样的数据模型，使得MongoDB能在生产环境中提供高读写的能力，吞吐量较于mysql等SQL数据库大大增强。

（2）易伸缩，自动故障转移。易伸缩指的是提供了分片能力，能对数据集进行分片，数据的存储压力分摊给多台服务器。自动故障转移是副本集的概念，MongoDB能检测主节点是否存活，当失活时能自动提升从节点为主节点，达到故障转移。

（3）数据模型因为是面向对象的，所以可以表示丰富的、有层级的数据结构，比如博客系统中能把“评论”直接怼到“文章“的文档中，而不必像myqsl一样创建三张表来描述这样的关系。

（1）文档数据类型

SQL类型的数据库是正规化的，可以通过主键或者外键的约束保证数据的完整性与唯一性，所以SQL类型的数据库常用于对数据完整性较高的系统。MongoDB在这一方面是不如SQL类型的数据库，且MongoDB没有固定的Schema，正因为MongoDB少了一些这样的约束条件，可以让数据的存储数据结构更灵活，存储速度更加快。

（2）即时查询能力

MongoDB保留了关系型数据库即时查询的能力，保留了索引（底层是基于B tree）的能力。这一点汲取了关系型数据库的优点，相比于同类型的NoSQL redis 并没有上述的能力。

（3）复制能力

MongoDB自身提供了副本集能将数据分布在多台机器上实现冗余，目的是可以提供自动故障转移、扩展读能力。

（4）速度与持久性

MongoDB的驱动实现一个写入语义 fire and forget ，即通过驱动调用写入时，可以立即得到返回得到成功的结果（即使是报错），这样让写入的速度更加快，当然会有一定的不安全性，完全依赖网络。

MongoDB提供了Journaling日志的概念，实际上像mysql的bin-log日志，当需要插入的时候会先往日志里面写入记录，再完成实际的数据 *** 作，这样如果出现停电，进程突然中断的情况，可以保障数据不会错误，可以通过修复功能读取Journaling日志进行修复。

（5）数据扩展

MongoDB使用分片技术对数据进行扩展，MongoDB能自动分片、自动转移分片里面的数据块，让每一个服务器里面存储的数据都是一样大小。

MongoDB核心服务器主要是通过mongod程序启动的，而且在启动时不需对MongoDB使用的内存进行配置，因为其设计哲学是内存管理最好是交给 *** 作系统，缺少内存配置是MongoDB的设计亮点，另外，还可通过mongos路由服务器使用分片功能。

MongoDB的主要客户端是可以交互的js shell 通过mongo启动，使用js shell能使用js直接与MongoDB进行交流，像使用sql语句查询mysql数据一样使用js语法查询MongoDB的数据，另外还提供了各种语言的驱动包，方便各种语言的接入。

mongodump和mongorestore,备份和恢复数据库的标准工具。输出BSON格式，迁移数据库。

mongoexport和mongoimport，用来导入导出JSON、CSV和TSV数据，数据需要支持多格式时有用。mongoimport还能用与大数据集的初始导入，但是在导入前顺便还要注意一下，为了能充分利用好mongoDB通常需要对数据模型做一些调整。

mongosniff,网络嗅探工具，用来观察发送到数据库的 *** 作。基本就是把网络上传输的BSON转换为易于人们阅读的shell语句。

因此，可以总结得到，MongoDB结合键值存储和关系数据库的最好特性。因为简单，所以数据极快，而且相对容易伸缩还提供复杂查询机制的数据库。MongoDB需要跑在64位的服务器上面，且最好单独部署，因为是数据库，所以也需要对其进行热备、冷备处理。

因为本篇文章不是API手册，所有这里对shell的使用也是基础的介绍什么功能可以用什么语句，主要是为了展示使用MongoDB shell的方便性，如果需要知道具体的MongoDB shell语法可以查阅官方文档。

创建数据库并不是必须的 *** 作，数据库与集合只有在第一次插入文档时才会被创建，与对数据的动态处理方式是一致的。简化并加速开发过程，而且有利于动态分配命名空间。如果担心数据库或集合被意外创建，可以开启严格模式。

以上的命令只是简单实例，假设如果你之前没有学习过任何数据库语法，同时开始学sql查询语法和MongoDB 查询语法，你会发现哪一个更简单呢？如果你使用的是java驱动去 *** 作MongoDB，你会发现任何的查询都像Hibernate提供出来的查询方式一样，只要构建好一个查询条件对象，便能轻松查询（接下来会给出示例），博主之前熟悉ES6，所以入手MongoDB js shell完成没问题，也正因为这样简洁，完善的查询机制，深深的爱上了MongoDB。

使用java驱动链接MongoDB是一件非常简单的事情，简单的引用，简单的做增删改查。在使用完java驱动后我才发现spring 对MongoDB 的封装还不如官方自身提供出来的东西好用，下面简单的展示一下使用。

这里只举例了简单的链接与简单的MongoDB *** 作，可见其 *** 作的容易性。使用驱动时是基于TCP套接字与MongoDB进行通信的，如果查询结果较多，恰好无法全部放进第一服务器中，将会向服务器发送一个getmore指令获取下一批查询结果。

插入数据到服务器时间，不会等待服务器的响应，驱动会假设写入是成功的，实际是使用客户端生成对象id，但是该行为可以通过配置配置，可以通过安全模式开启，安全模式可以校验服务器端插入的错误。

要清楚了解MongoDB的基本数据单元。在关系型数据库中有带列和行的数据表。而MongoDB数据的基本单元是BSON文档，在键值中有指向不定类型值的键，MongoDB拥有即时查询，但不支持联结 *** 作，简单的键值存储只能根据单个键来获取值，不支持事务，但支持多种原子更新 *** 作。

如读写比是怎样的，需要何种查询，数据是如何更新的，会不会存在什么并发问题，数据结构化的程度是要求高还是低。系统本身的需求决定mysql还是MongoDB。

在关于schema 的设计中要注意一些原则，比如：

数据库是集合的逻辑与物理分组，MongoDB没有提供创建数据库的语法，只有在插入集合时，数据库才开始建立。创建数据库后会在磁盘分配一组数据文件，所有集合、索引和数据库的其他元数据都保存在这些文件中，查阅数据库使用磁盘状态可通过。

集合是结构上或概念上相似得文档的容器，集合的名称可以包含数字、字母或 符号，但必须以字母或数字开头，完全。

限定集合名不能超过128个字符，实际上 符号在集合中很有用，能提供某种虚拟命名空间，这是一种组织上的原则，和其他集合是一视同仁的。在集合中可以使用。

其次是键值，在MongoDB里面所有的字符串都是UTF-8类型。数字类型包括double、int、long。日期类型都是UTC格式，所以在MongoDB里面看到的时间会比北京时间慢8小时。整个文档大小会限制在16m以内，因为这样可以防止创建难看的数据类型，且小文档可以提升性能，批量插入文档理想数字范围是10~200，大小不能超过16MB。

（1）索引能显著减少获取文档的所需工作量，具体的对比可以通过 explain()方法进行对比

（2）解析查询时MongoDB通过最优计划选择一个索引进行查询，当没有最适合索引时，会先不同的使用各个索引进行查询，最终选出一个最优索引做查询

（3）如果有一个a-b的复合索引，那么仅针对a的索引是冗余的

（4）复合索引里的键的顺序是很重要的

（1）单键索引

（2）复合索引

（3）唯一性索引

（4）稀疏索引

如索引的字段会出现null的值，或是大量文档都不包含被索引的键。

如果数据集很大时，构建索引将会花费很长的时间，且会影响程序性能，可通过

当使用 mongorestore 时会重新构建索引。当曾经执行过大规模的删除时，可使用

对索引进行压缩，重建。

（1）查阅慢查询日志

（2）分析慢查询

注意新版本的MongoDB 的explain方法是需要参数的，不然只显示普通的信息。

本节同样主要简单呈现MongoDB副本集搭建的简易性，与副本集的强壮性，监控容易性

提供主从复制能力，热备能力，故障转移能力

实际上MongoDB对副本集的 *** 作跟mysql主从 *** 作是差不多的，先看一下mysql的主从数据流动过程

而MongoDB主要依赖的日志文件是oplog

写 *** 作先被记录下来，添加到主节点的oplog里。与此同时，所有从结点复制oplog。首先，查看自己oplog里最后一条的时间戳；其次，查询主节点oplog里所有大于此时间戳的条目;最后，把那些条目添加到自己的oplog里并应用到自己的库里。从节点使用长轮询立即应用来自主结点oplog的新条目。

当遇到以下情况，从节点会停止复制

local数据库保存了所有副本集元素据和oplog日志

可以使用以下命令查看复制情况

每个副本集成员每秒钟ping一次其他所有成员，可以通过rsstatus()看到节点上次的心跳检测时间戳和 健康 状况。

这个点没必要过多描述，但是有一个特殊场景，如果从节点和仲裁节点都被杀了，只剩下主节点，他会把自己降级成为从节点。

如果主节点的数据还没有写到从库，那么数据不能算提交，当该主节点变成从节点时，便会触发回滚，那些没写到从库的数据将会被删除，可以通过rollback子目录中的BSON文件恢复回滚的内容。

（1）使用单节点链接

只能链接到主节点，如果链接到从节点的话，会被拒绝写入 *** 作，但是如果没有使用安全模式，因为mongo的fire and forget 特性，会把拒绝写入的异常给吃掉。

（2）使用副本集方式链接

能根据写入的情况自动进行故障转移，但是当副本集进行新的选举时，还是会出现故障，如果不使用安全模式，依旧会出现写不进去，但现实成功的情况。

分片是数据库切分的一个概念实现，这里也是简单总结为什么要使用分片以及分片的原理， *** 作。

当数据量过大，索引和工作数据集占用的内存就会越来越多，所以需要通过分片负载来解决这个问题

（1）分片组件

（2）分片的核心 *** 作

分片一个集合：分片是根据一个属性的范围进行划分的，MongoDB使用所谓的分片键让每个文档在这些范围里找到自己的位置

块：是位于一个分片中的一段连续的分片键范围，可以理解为若干个块组成分片，分片组成MongoDB的全部数据

（3）拆分与迁移

块的拆分：初始化时只有一个块，达到最大块尺寸64MB或100000个文档就会触发块的拆分。把原来的范围一分为二，这样就有了两个块，每个块都有相同数量的文档。

迁移：当分片中的数据大小不一时会产生迁移的动作，比如分片A的数据比较多，会将分片A里面的一些块转移到分片B里面去。分片集群通过在分片中移动块来实现均衡，是由名为均衡器的软件进程管理的，任务是确保数据在各个分片中保持均匀分布，当集群中拥有块最多的分片与拥有块最少分片的块差大于8时，均衡器就会发起一次均衡处理。

启动两个副本集、三个配置服务器、一个mongos进程

配置分片

（1）分片查询类型

（2）索引

分片集合只允许在_id字段和分片键上添加唯一性索引，其他地方不行，因为这需要在分片间进行通信，实施起来很复杂。

当创建分片时，会根据分片键创建一个索引。

（1）分片键是不可修改的、分片键的选择非常重要

（2）低效的分片键

（3）理想的分片键

（1）部署拓扑

根据不同的数据中心划分

这里写描述

（2）最低要求

（3）配置的注意事项

需要估计集群大小，可使用以下命令对现有集合进行分片处理

（4）备份分片集群

备份分片时需要停止均衡器

（1）部署架构

使用64位机器、32位机器会制约mongodb的内存，使其最大值为15GB

（2）cpu

mongodb 只有当索引和工作集都可放入内存时，才会遇到CPU瓶颈，CPU在mongodb使用中的作用是用来检索数据，如果看到CPU使用饱和的情况，可以通过查询慢查询日志，排查是不是查询的问题导致的，如果是可以通过添加索引来解决问题

mongodb写入数据时会使用到CPU，但是mongodb写入时间一次只用到一个核，如果有频繁的写入行为，可以通过分片来解决这个问题

（3）内存

大内存是mongodb的保障，如果工作集大小超过内存，将会导致性能下降，因为这将会增加数据加载入内存的动作

（4）硬盘

mongodb默认每60s会与磁盘强制同步一次，称为后台刷新，会产生I/O *** 作。在重启时mongodb会将磁盘里面的数据加载至内存，高速磁盘将会减少同步的时间

（5）文件系统

使用ext4 和 xfs 文件系统

禁用最后访问时间

（6）文件描述符

linux 默认文件描述符是1024，需要大额度的提升这个额度

（7）时钟

mongodb各个节点服务器之间使用ntp服务器

（1）绑定IP

启动时使用 - -bind_ip 命令

（2）身份验证

启动时使用 - -auth 命令

（3）副本集身份认证

使用keyFile，注意keyFile文件的权限必须是600，不然会启动不起来

（1）拓扑结构

搭建副本集至少需要两个节点，其中仲裁结点不需要有自己的服务器

（2）Journaling日志

写数据时会先写入日志，而此时的数据也不是直接写入硬盘，而是写入内存

但是Journaling日志会消耗内存，所以可以在主库上面关闭，在从库上面启动

可以单独为Journaling日志使用一块固态硬盘

在插入时，可以通过驱动确保Journaling插入后再反馈，但是会非常影响性能。

logpath 选项指定日志存储地址

-vvvvv 选项（v越多，输出越详细）

dbrunCommand({logrotare:1}) 开启滚动日志

（1）serverStatus

这里写描述

（2）top

（3）dbcurrentOp()

动态展示mongodb活动数据

占用当前mongodb监听端口往上1000号的端口

（1）mongodump

把数据库内容导出成BSON文件，而mongorestore能读取并还原这些文件

（2）mongorestore

把导出的BSON文件还原到数据库

（3）备份原始数据文件

可以这么做，但是， *** 作之前需要进行锁库处理 dbrunCommand({fsync:1,lock:true})

db$cmdsysunlockfindOne() 请求解锁 *** 作，但是数据库不会立刻解锁，需要使用dbcurrentOp()验证。

（1）修复

mongd --repair 修复所有数据库

dbrunCommand({repairDatabase:1}) 修复单个数据库

修复就是根据Jourling文件读取和重写所有数据文件并重建各个索引

（2）压紧

压紧，会重写数据文件，并重建集合的全部索引，需要停机或者在从库上面运行,如果需要在主库上面运行，需要添加force参数 保证加写锁。

（1）监控磁盘状态

（2）为提升性能检查索引和查询

总的来说，扫描尽可能少的文档。

保证没有冗余的索引，冗余的索引会占用磁盘空间、消耗更多的内存，在每次写入时还需做更多工作

（3）添加内存

dataSize 数据大小 和 indexSize 索引大小，如果两者的和大于内存，那么将会影响性能。

storageSize超过dataSize 数据大小 两倍以上，就会因磁盘碎片而影响性能，需要压缩。

大数据中最宝贵、最难以代替的就是数据，一切都围绕数据。

HDFS是最早的大数据存储系统，存储着宝贵的数据资产，各种新算法、框架要想得到广泛使用，必须支持HDFS，才能获取已存储在里面的数据。所以大数据技术越发展，新技术越多，HDFS得到的支持越多，越离不开HDFS。 HDFS也许不是最好的大数据存储技术，但依然是最重要的大数据存储技术 。

HDFS是如何实现大数据高速、可靠的存储和访问的呢？

Hadoop分布式文件系统HDFS的设计目标是管理数以千计的服务器、数以万计的磁盘，将大规模的服务器计算资源当作一个单一存储系统进行管理，对应用程序提供数以PB计的存储容量，让应用程序像使用普通文件系统一样存储大规模的文件数据。

文件以多副本的方式进行存储：

缺点：

优点：

HDFS的大容量存储和高速访问的实现。

RAID将数据分片后，在多块磁盘上并发进行读写访问，提高了存储容量、加快了访问速度，并通过数据冗余校验提高了数据可靠性，即使某块磁盘损坏也不会丢数据。将RAID的设计理念扩大到整个分布式服务器集群，就产生了分布式文件系统，这便是Hadoop分布式文件系统的核心原理。

和RAID在多个磁盘上进行文件存储及并行读写的思路一样，HDFS是在一个大规模分布式服务器集群上，对数据分片后进行并行读写及冗余存储。因为HDFS可部署在一个大的服务器集群，集群中所有服务器的磁盘都可供HDFS使用，所以整个HDFS的存储空间可以达到PB级。

HDFS是主从架构。一个HDFS集群会有一个NameNode（命名节点，简称NN），作为主服务器（master server）。

HDFS公开了文件系统名称空间，允许用户将数据存储在文件中，就好比我们平时使用os中的文件系统一样，用户无需关心底层是如何存储数据的。 在底层，一个文件会被分成一或多个数据块，这些数据库块会被存储在一组数据节点中。在CDH中数据块的默认128M。 在NameNode，可执行文件系统的命名空间 *** 作，如打开，关闭，重命名文件等。这也决定了数据块到数据节点的映射。

HDFS被设计为可运行在普通的廉价机器上，而这些机器通常运行着一个Linux *** 作系统。一个典型的HDFS集群部署会有一个专门的机器只能运行 NameNode ，而其他集群中的机器各自运行一个 DataNode 实例。虽然一台机器上也可以运行多个节点，但不推荐。

负责文件数据的存储和读写 *** 作，HDFS将文件数据分割成若干数据块（Block），每个DataNode存储一部分Block，这样文件就分布存储在整个HDFS服务器集群中。

应用程序客户端（Client）可并行访问这些Block，从而使得HDFS可以在服务器集群规模上实现数据并行访问，极大提高访问速度。

HDFS集群的DataNode服务器会有很多台，一般在几百台到几千台，每台服务器配有数块磁盘，整个集群的存储容量大概在几PB~数百PB。

负责整个分布式文件系统的元数据（MetaData）管理，即文件路径名、数据块的ID以及存储位置等信息，类似os中的文件分配表（FAT）。

HDFS为保证数据高可用，会将一个Block复制为多份（默认3份），并将多份相同的Block存储在不同服务器，甚至不同机架。当有磁盘损坏或某个DataNode服务器宕机，甚至某个交换机宕机，导致其存储的数据块不能访问时，客户端会查找其备份Block访问。

HDFS中，一个文件会被拆分为一个或多个数据块。默认每个数据块有三个副本，每个副本都存放在不同机器，而且每一个副本都有自己唯一的编号：

文件/users/sameerp/data/part-0的复制备份数设为2，存储的BlockID分别为1、3：

上述任一台服务器宕机后，每个数据块都至少还有一个备份存在，不会影响对文件/users/sameerp/data/part-0的访问。

和RAID一样，数据分成若干Block后，存储到不同服务器，实现数据大容量存储，并且不同分片的数据能并行进行读/写 *** 作，实现数据的高速访问。

副本存放：NameNode节点选择一个DataNode节点去存储block副本的过程，该过程的策略是在可靠性和读写带宽间权衡。

《Hadoop权威指南》中的默认方式：

Google大数据“三驾马车”的第一驾是GFS（Google 文件系统），而Hadoop的第一个产品是HDFS，分布式文件存储是分布式计算的基础。

这些年来，各种计算框架、各种算法、各种应用场景不断推陈出新，但大数据存储的王者依然是HDFS。

磁盘介质在存储过程中受环境或者老化影响，其存储的数据可能会出现错乱。

HDFS对存储在DataNode上的数据块，计算并存储校验和（CheckSum）。在读数据时，重新计算读取出来的数据的校验和，校验不正确就抛异常，应用程序捕获异常后就到其他DataNode上读取备份数据。

DataNode监测到本机的某块磁盘损坏，就将该块磁盘上存储的所有BlockID报告给NameNode，NameNode检查这些数据块还在哪些DataNode上有备份，通知相应的DataNode服务器将对应的数据块复制到其他服务器上，以保证数据块的备份数满足要求。

DataNode会通过心跳和NameNode保持通信，如果DataNode超时未发送心跳，NameNode就会认为这个DataNode已经宕机失效，立即查找这个DataNode上存储的数据块有哪些，以及这些数据块还存储在哪些服务器上，随后通知这些服务器再复制一份数据块到其他服务器上，保证HDFS存储的数据块备份数符合用户设置的数目，即使再出现服务器宕机，也不会丢失数据。

NameNode是整个HDFS的核心，记录着HDFS文件分配表信息，所有的文件路径和数据块存储信息都保存在NameNode，如果NameNode故障，整个HDFS系统集群都无法使用；如果NameNode上记录的数据丢失，整个集群所有DataNode存储的数据也就没用了。

所以，NameNode高可用容错能力非常重要。NameNode采用主从热备的方式提供高可用服务：

集群部署两台NameNode服务器：

两台服务器通过Zk选举，主要是通过争夺znode锁资源，决定谁是主服务器。而DataNode则会向两个NameNode同时发送心跳数据，但是只有主NameNode才能向DataNode返回控制信息。

正常运行期，主从NameNode之间通过一个共享存储系统shared edits来同步文件系统的元数据信息。当主NameNode服务器宕机，从NameNode会通过ZooKeeper升级成为主服务器，并保证HDFS集群的元数据信息，也就是文件分配表信息完整一致。

软件系统，性能差点，用户也许可接受；使用体验差，也许也能忍受。但若可用性差，经常出故障不可用，就麻烦了；如果出现重要数据丢失，那开发摊上大事。

而分布式系统可能出故障地方又非常多，内存、CPU、主板、磁盘会损坏，服务器会宕机，网络会中断，机房会停电，所有这些都可能会引起软件系统的不可用，甚至数据永久丢失。

所以在设计分布式系统的时候，软件工程师一定要绷紧可用性这根弦，思考在各种可能的故障情况下，如何保证整个软件系统依然是可用的。

## 6 保证系统可用性的策略

任何程序、任何数据，都至少要有一个备份，也就是说程序至少要部署到两台服务器，数据至少要备份到另一台服务器上。此外，稍有规模的互联网企业都会建设多个数据中心，数据中心之间互相进行备份，用户请求可能会被分发到任何一个数据中心，即所谓的异地多活，在遭遇地域性的重大故障和自然灾害的时候，依然保证应用的高可用。

当要访问的程序或者数据无法访问时，需要将访问请求转移到备份的程序或者数据所在的服务器上，这也就是 失效转移 。失效转移你应该注意的是失效的鉴定，像NameNode这样主从服务器管理同一份数据的场景，如果从服务器错误地以为主服务器宕机而接管集群管理，会出现主从服务器一起对DataNode发送指令，进而导致集群混乱，也就是所谓的“脑裂”。这也是这类场景选举主服务器时，引入ZooKeeper的原因。ZooKeeper的工作原理，我将会在后面专门分析。

当大量的用户请求或者数据处理请求到达的时候，由于计算资源有限，可能无法处理如此大量的请求，进而导致资源耗尽，系统崩溃。这种情况下，可以拒绝部分请求，即进行 限流 ；也可以关闭部分功能，降低资源消耗，即进行 降级 。限流是互联网应用的常备功能，因为超出负载能力的访问流量在何时会突然到来，你根本无法预料，所以必须提前做好准备，当遇到突发高峰流量时，就可以立即启动限流。而降级通常是为可预知的场景准备的，比如电商的“双十一”促销，为了保障促销活动期间应用的核心功能能够正常运行，比如下单功能，可以对系统进行降级处理，关闭部分非重要功能，比如商品评价功能。

HDFS是如何通过大规模分布式服务器集群实现数据的大容量、高速、可靠存储、访问的。

1文件数据以数据块的方式进行切分，数据块可以存储在集群任意DataNode服务器上，所以HDFS存储的文件可以非常大，一个文件理论上可以占据整个HDFS服务器集群上的所有磁盘，实现了大容量存储。

2HDFS一般的访问模式是通过MapReduce程序在计算时读取，MapReduce对输入数据进行分片读取，通常一个分片就是一个数据块，每个数据块分配一个计算进程，这样就可以同时启动很多进程对一个HDFS文件的多个数据块进行并发访问，从而实现数据的高速访问。关于MapReduce的具体处理过程，我们会在专栏后面详细讨论。

3DataNode存储的数据块会进行复制，使每个数据块在集群里有多个备份，保证了数据的可靠性，并通过一系列的故障容错手段实现HDFS系统中主要组件的高可用，进而保证数据和整个系统的高可用。

当java应用停止后，mysql不会断开连接，而是维持连接状态，直到超时或者被服务器端断开。为了确保mysql不会断开连接，可以在java应用的配置文件中设置mysql连接的超时时间，让它比服务器端的超时时间要长，可以让mysql保持连接。另外，也可以在java应用中增加定期的心跳检测，不断发送保持连接的请求，以防止mysql断开连接。

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