C語(yǔ)言指針終極指南！（附詳盡圖示和代碼）
1為什么使用指針
假如我們定義了 char a=’A’ ，當(dāng)需要使用 ‘A’ 時(shí)，除了直接調(diào)用變量 a ，還可以定義 char *p=&a ，調(diào)用 a 的地址，即指向 a 的指針 p ，變量 a（ char 類(lèi)型）只占了一個(gè)字節(jié),指針本身的大小由可尋址的字長(zhǎng)來(lái)決定，指針 p 占用 4 個(gè)字節(jié)。
但如果要引用的是占用內(nèi)存空間比較大東西，用指針也還是 4 個(gè)字節(jié)即可。
-
使用指針型變量在很多時(shí)候占用更小的內(nèi)存空間。
變量為了表示數(shù)據(jù)，指針可以更好的傳遞數(shù)據(jù)，舉個(gè)例子：
第一節(jié)課是 1 班語(yǔ)文， 2 班數(shù)學(xué)，第二節(jié)課顛倒過(guò)來(lái)， 1 班要上數(shù)學(xué)， 2 班要上語(yǔ)文，那么第一節(jié)課下課后需要怎樣作調(diào)整呢？方案一：課間 1 班學(xué)生全都去 2 班， 2 班學(xué)生全都來(lái) 1 班，當(dāng)然，走的時(shí)候要攜帶上書(shū)本、筆紙、零食……場(chǎng)面一片狼藉；方案二：兩位老師課間互換教室。
顯然，方案二更好一些，方案二類(lèi)似使用指針傳遞地址，方案一將內(nèi)存中的內(nèi)容重新“復(fù)制”了一份，效率比較低。
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在數(shù)據(jù)傳遞時(shí)，如果數(shù)據(jù)塊較大，可以使用指針傳遞地址而不是實(shí)際數(shù)據(jù)，即提高傳輸速度，又節(jié)省大量?jī)?nèi)存。
一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū) char buf[100] ，如果其中 buf[0,1] 為命令號(hào), buf[2,3] 為數(shù)據(jù)類(lèi)型, buf[4~7] 為該類(lèi)型的數(shù)值，類(lèi)型為 int ，使用如下語(yǔ)句進(jìn)行賦值：
*(short*)&buf[0]=DataId;
*(short*)&buf[2]=DataType;
*(int*)&buf[4]=DataValue;
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數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，利用指針的靈活的類(lèi)型轉(zhuǎn)換，可以用來(lái)做數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換，比較常用于通訊緩沖區(qū)的填充。
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指針的機(jī)制比較簡(jiǎn)單，其功能可以被集中重新實(shí)現(xiàn)成更抽象化的引用數(shù)據(jù)形式
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函數(shù)指針，形如:
#define PMYFUN (void*)(int,int)，可以用在大量分支處理的實(shí)例當(dāng)中，如某通訊根據(jù)不同的命令號(hào)執(zhí)行不同類(lèi)型的命令，則可以建立一個(gè)函數(shù)指針數(shù)組，進(jìn)行散轉(zhuǎn)。 -
在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，鏈表、樹(shù)、圖等大量的應(yīng)用都離不開(kāi)指針。
2 指針是什么？
操作系統(tǒng)將硬件和軟件結(jié)合起來(lái)，給程序員提供的一種對(duì)內(nèi)存使用的抽象，這種抽象機(jī)制使得程序使用的是虛擬存儲(chǔ)器,而不是直接操作和使用真實(shí)存在的物理存儲(chǔ)器。所有的虛擬地址形成的集合就是虛擬地址空間。
內(nèi)存是一個(gè)很大的線性的字節(jié)數(shù)組，每個(gè)字節(jié)固定由 8 個(gè)二進(jìn)制位組成，每個(gè)字節(jié)都有唯一的編號(hào)，如下圖，這是一個(gè) 4G 的內(nèi)存，他一共有 4x1024x1024x1024 = 4294967296 個(gè)字節(jié)，那么它的地址范圍就是 0 ~ 4294967296 ，十六進(jìn)制表示就是 0x00000000～0xffffffff ，當(dāng)程序使用的數(shù)據(jù)載入內(nèi)存時(shí)，都有自己唯一的一個(gè)編號(hào)，這個(gè)編號(hào)就是這個(gè)數(shù)據(jù)的地址。指針就是這樣形成的。
#include <stdio.h>
int main(void)
{
char ch = 'a';
int num = 97;
printf("ch 的地址:%p\n",&ch);
//ch 的地址:00BEFDF7
printf("num的地址:%p\n",&num);
//num的地址:00BEFDF8
return 0;
}
指針不僅可以表示變量的地址，還可以存儲(chǔ)各種類(lèi)型數(shù)據(jù)的地址，指針變量是用來(lái)保存這些地址的變量，與數(shù)組類(lèi)似，依據(jù)地址存放的數(shù)據(jù)類(lèi)型，指針也分為 int 指針類(lèi)型， double 指針類(lèi)型， char 指針類(lèi)型等等。
綜上，指針的實(shí)質(zhì)就是數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的地址，而指針變量是用來(lái)保存這些地址的變量。
指針變量 和 指向關(guān)系
用來(lái)保存 指針 的變量，就是指針變量。如果指針變量p保存了變量 num的地址，則就說(shuō)：p指向了變量num，也可以說(shuō)p指向了num所在的內(nèi)存塊，指針變量pp指向了p所在的內(nèi)存塊，以下面為例：
#include <stdio.h>
int main(void)
{
int num = 97;
char ch = 'a';
int *p = & num;
int **pp = &p;
char *p1 = & ch;
printf("num 的地址:%p\n",&num);
printf("指針p的值:%p\n",p);
printf("指針p的地址:%p\n",&p);
printf("指針pp的值:%p\n",pp);
printf("ch 的地址:%p\n",&ch);
return 0;
}
-
int型的num值為97占4個(gè)字節(jié)，內(nèi)存地址為: 0113F924，char型的ch('a')值為97占1個(gè)字節(jié)，內(nèi)存地址為:0113F91B。
char型占1個(gè)字節(jié)
-
num的地址為：0113F924，num的值為97，指針p指向num的內(nèi)存塊，指針 p 地址為：0113F90C，p的內(nèi)存保存的值就是num的地址0113F924。
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指針變量 pp指向 指針 p，指針pp內(nèi)存值為 指針 p 的地址：0113F90C，形成了只想指針的指針。
定義指針變量
C語(yǔ)言中，定義變量時(shí)，在變量名 前 寫(xiě)一個(gè) * 星號(hào)，這個(gè)變量就變成了對(duì)應(yīng)變量類(lèi)型的指針變量。必要時(shí)要加( ) 來(lái)避免優(yōu)先級(jí)的問(wèn)題。
引申：C語(yǔ)言中，定義變量時(shí)，在定義的最前面寫(xiě)上typedef ，那么這個(gè)變量名就成了一種類(lèi)型，即這個(gè)類(lèi)型的同義詞。
int a ; //int類(lèi)型變量 a
int *a ; //int* 變量a
int arr[3]; //arr是包含3個(gè)int元素的數(shù)組
int (* arr )[3]; //arr是一個(gè)指向包含3個(gè)int元素的數(shù)組的指針變量
int* p_int; //指向int類(lèi)型變量的指針
double* p_double; //指向idouble類(lèi)型變量的指針
struct Student *p_struct; //結(jié)構(gòu)體類(lèi)型的指針
int(*p_func)(int,int); //指向返回類(lèi)型為int，有2個(gè)int形參的函數(shù)的指針
int(*p_arr)[3]; //指向含有3個(gè)int元素的數(shù)組的指針
int** p_pointer; //指向 一個(gè)整形變量指針的指針
取地址
既然有了指針變量，那就得讓他保存其它變量的地址，使用& 運(yùn)算符取得一個(gè)變量的地址。
int add(int a , int b)
{
return a + b;
}
int main(void)
{
int num = 97;
float score = 10.00F;
int arr[3] = {1,2,3};
int* p_num = #
float* p_score = &score;
int (*p_arr)[3] = &arr;
int (*fp_add)(int ,int ) = add; //p_add是指向函數(shù)add的函數(shù)指針
return 0;
}
特殊的情況，他們并不一定需要使用&取地址：
-
數(shù)組名的值就是這個(gè)數(shù)組的第一個(gè)元素的地址。 -
函數(shù)名的值就是這個(gè)函數(shù)的地址。 -
字符串字面值常量作為右值時(shí)，就是這個(gè)字符串對(duì)應(yīng)的字符數(shù)組的名稱(chēng),也就是這個(gè)字符串在內(nèi)存中的地址。
int add(int a , int b){
return a + b;
}
int main(void)
{
int arr[3] = {1,2,3};
int* p_first = arr;
int (*fp_add)(int ,int ) = add;
const char* msg = "Hello world";
return 0;
}
解地址
對(duì)一個(gè)指針解地址，就可以取到這個(gè)內(nèi)存數(shù)據(jù)，解地址 的寫(xiě)法，就是在指針的前面加一個(gè) * 號(hào)。
解指針的實(shí)質(zhì)是：從指針指向的內(nèi)存塊中取出這個(gè)內(nèi)存數(shù)據(jù)。
int main(void)
{
int age = 19;
int*p_age = &age;
*p_age = 20; //通過(guò)指針修改指向的內(nèi)存數(shù)據(jù)
printf("age = %d",*p_age); //通過(guò)指針讀取指向的內(nèi)存數(shù)據(jù)
printf("age = %d",age);
return 0;
}
空指針
空指針在概念上不同于未初始化的指針。空指針可以確保不指向任何對(duì)象或函數(shù)；而未初始化的指針則可能指向任何地方?？罩羔槻皇且爸羔?。
在C語(yǔ)言中，我們讓指針變量賦值為NULL表示一個(gè)空指針，而C語(yǔ)言中，NULL實(shí)質(zhì)是 ((void*)0) ， 在C++中，NULL實(shí)質(zhì)是0。
#ifdef __cplusplus
#define NULL 0
#else
#define NULL ((void *)0)
#endif
void*類(lèi)型指針
void是一種特殊的指針類(lèi)型，可以用來(lái)存放任意對(duì)象的地址。一個(gè)void指針存放著一個(gè)地址，這一點(diǎn)和其他指針類(lèi)似。不同的是，我們對(duì)它到底儲(chǔ)存的是什么對(duì)象的地址并不了解。
double a=2.3;
int b=5;
void *p=&a;
cout<<p<<endl; //輸出了a的地址
p=&b;
cout<<p<<endl; //輸出了b的地址
//cout<<*p<<endl;這一行不可以執(zhí)行，void*指針只可以?xún)?chǔ)存變量地址，不可以直接操作它指向的對(duì)象
由于void是空類(lèi)型，只保存了指針的值，而丟失了類(lèi)型信息，我們不知道他指向的數(shù)據(jù)是什么類(lèi)型的，只指定這個(gè)數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的起始地址，如果想要完整的提取指向的數(shù)據(jù)，程序員就必須對(duì)這個(gè)指針做出正確的類(lèi)型轉(zhuǎn)換，然后再解指針。
數(shù)組和指針
-
同類(lèi)型指針變量可以相互賦值，數(shù)組不行，只能一個(gè)一個(gè)元素的賦值或拷貝 -
數(shù)組在內(nèi)存中是連續(xù)存放的，開(kāi)辟一塊連續(xù)的內(nèi)存空間。數(shù)組是根據(jù)數(shù)組的下進(jìn)行訪問(wèn)的。指針很靈活，它可以指向任意類(lèi)型的數(shù)據(jù)。指針的類(lèi)型說(shuō)明了它所指向地址空間的內(nèi)存。 -
數(shù)組所占存儲(chǔ)空間的內(nèi)存： sizeof（數(shù)組名）數(shù)組的大?。?sizeof（數(shù)組名）/sizeof（數(shù)據(jù)類(lèi)型），在32位平臺(tái)下，無(wú)論指針的類(lèi)型是什么，sizeof（指針名）都是 4 ，在 64 位平臺(tái)下，無(wú)論指針的類(lèi)型是什么，sizeof（指針名）都是 8 。 -
數(shù)組名作為右值的時(shí)候，就是第一個(gè)元素的地址
int main(void)
{
int arr[5] = {1,2,3,4,5};
int *p_first = arr;
printf("%d",*p_first); //1
return 0;
}
-
指向數(shù)組元素的指針 支持 遞增 遞減 運(yùn)算。 p= p+1意思是，讓p指向原來(lái)指向的內(nèi)存塊的下一個(gè)相鄰的相同類(lèi)型的內(nèi)存塊。在數(shù)組中相鄰內(nèi)存就是相鄰下標(biāo)元素。
函數(shù)與指針
函數(shù)的參數(shù)和指針
C語(yǔ)言中，實(shí)參傳遞給形參，是按值傳遞的，也就是說(shuō)，函數(shù)中的形參是實(shí)參的拷貝份，形參和實(shí)參只是在值上面一樣，而不是同一個(gè)內(nèi)存數(shù)據(jù)對(duì)象。這就意味著：這種數(shù)據(jù)傳遞是單向的，即從調(diào)用者傳遞給被調(diào)函數(shù)，而被調(diào)函數(shù)無(wú)法修改傳遞的參數(shù)達(dá)到回傳的效果。
void change(int a)
{
a++; //在函數(shù)中改變的只是這個(gè)函數(shù)的局部變量a，而隨著函數(shù)執(zhí)行結(jié)束，a被銷(xiāo)毀。age還是原來(lái)的age，紋絲不動(dòng)。
}
int main(void)
{
int age = 60;
change(age);
printf("age = %d",age); // age = 60
return 0;
}
有時(shí)候我們可以使用函數(shù)的返回值來(lái)回傳數(shù)據(jù)，在簡(jiǎn)單的情況下是可以的，但是如果返回值有其它用途（例如返回函數(shù)的執(zhí)行狀態(tài)量），或者要回傳的數(shù)據(jù)不止一個(gè)，返回值就解決不了了。
傳遞變量的指針可以輕松解決上述問(wèn)題。
void change(int* pa)
{
(*pa)++; //因?yàn)閭鬟f的是age的地址，因此pa指向內(nèi)存數(shù)據(jù)age。當(dāng)在函數(shù)中對(duì)指針pa解地址時(shí)，
//會(huì)直接去內(nèi)存中找到age這個(gè)數(shù)據(jù)，然后把它增1。
}
int main(void)
{
int age = 160;
change(&age);
printf("age = %d",age); // age = 61
return 0;
}
比如指針的一個(gè)常見(jiàn)的使用例子：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
void swap(int *,int *);
int main()
{
int a=5,b=10;
printf("a=%d,b=%d\n",a,b);
swap(&a,&b);
printf("a=%d,b=%d\n",a,b);
return 0;
}
void swap(int *pa,int *pb)
{
int t=*pa;*pa=*pb;*pb=t;
}
在以上的例子中，swap函數(shù)的兩個(gè)形參pa和pb可以接收兩個(gè)整型變量的地址，并通過(guò)間接訪問(wèn)的方式修改了它指向變量的值。在main函數(shù)中調(diào)用swap時(shí)，提供的實(shí)參分別為&a,&b，這樣就實(shí)現(xiàn)了pa=&a,pb=&b的賦值過(guò)程，這樣在swap函數(shù)中就通過(guò)*pa修改了 a 的值，通過(guò)*pb修改了 b 的值。因此，如果需要在被調(diào)函數(shù)中修改主調(diào)函數(shù)中變量的值，就需要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟：
-
定義函數(shù)的形參必須為指針類(lèi)型，以接收主調(diào)函數(shù)中傳來(lái)的變量的地址； -
調(diào)用函數(shù)時(shí)實(shí)參為變量的地址； -
在被調(diào)函數(shù)中使用*間接訪問(wèn)形參指向的內(nèi)存空間，實(shí)現(xiàn)修改主調(diào)函數(shù)中變量值的功能。
指針作為函數(shù)的形參的另一個(gè)典型應(yīng)用是當(dāng)函數(shù)有多個(gè)返回值的情形。比如，需要在一個(gè)函數(shù)中統(tǒng)計(jì)一個(gè)數(shù)組的最大值、最小值和平均值。當(dāng)然你可以編寫(xiě)三個(gè)函數(shù)分別完成統(tǒng)計(jì)三個(gè)值的功能。但比較啰嗦，如：
int GetMax(int a[],int n)
{
int max=a[0],i;
for(i=1;i<n;i++)
{
if(max<a[i]) max=a[i];
}
return max;
}
int GetMin(int a[],int n)
{
int min=a[0],i;
for(i=1;i<n;i++)
{
if(min>a[i]) min=a[i];
}
return min;
}
double GetAvg(int a[],int n)
{
double avg=0;
int i;
for(i=0;i<n;i++)
{
avg+=a[i];
}
return avg/n;
}
其實(shí)我們完全可以在一個(gè)函數(shù)中完成這個(gè)功能，由于函數(shù)只能有一個(gè)返回值，可以返回平均值，最大值和最小值可以通過(guò)指針類(lèi)型的形參來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)：
double Stat(int a[],int n,int *pmax,int *pmin)
{
double avg=a[0];
int i;
*pmax=*pmin=a[0];
for(i=1;i<n;i++)
{
avg+=a[i];
if(*pmax<a[i]) *pmax=a[i];
if(*pmin>a[i]) *pmin=a[i];
}
return avg/n;
}
函數(shù)的指針
一個(gè)函數(shù)總是占用一段連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域，函數(shù)名在表達(dá)式中有時(shí)也會(huì)被轉(zhuǎn)換為該函數(shù)所在內(nèi)存區(qū)域的首地址。我們可以把函數(shù)的這個(gè)首地址賦予一個(gè)指針變量，使指針變量指向函數(shù)所在的內(nèi)存區(qū)域，然后通過(guò)指針變量就可以找到并調(diào)用該函數(shù)。這種指針就是函數(shù)指針。
函數(shù)指針的定義形式為：
returnType (*pointerName)(param list);
returnType 為函數(shù)返回值類(lèi)型，pointerNmae 為指針名稱(chēng)，param list 為函數(shù)參數(shù)列表。參數(shù)列表中可以同時(shí)給出參數(shù)的類(lèi)型和名稱(chēng)，也可以只給出參數(shù)的類(lèi)型，省略參數(shù)的名稱(chēng)，這一點(diǎn)和函數(shù)原型非常類(lèi)似。
用指針來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)函數(shù)的調(diào)用：
#include <stdio.h>
//返回兩個(gè)數(shù)中較大的一個(gè)
int max(int a, int b)
{
return a>b ? a : b;
}
int main()
{
int x, y, maxval;
//定義函數(shù)指針
int (*pmax)(int, int) = max; //也可以寫(xiě)作int (*pmax)(int a, int b)
printf("Input two numbers:");
scanf("%d %d", &x, &y);
maxval = (*pmax)(x, y);
printf("Max value: %d\n", maxval);
return 0;
}
結(jié)構(gòu)體和指針
結(jié)構(gòu)體指針有特殊的語(yǔ)法： -> 符號(hào)
如果p是一個(gè)結(jié)構(gòu)體指針，則可以使用 p ->【成員】 的方法訪問(wèn)結(jié)構(gòu)體的成員
typedef struct
{
char name[31];
int age;
float score;
}Student;
int main(void)
{
Student stu = {"Bob" , 19, 98.0};
Student*ps = &stu;
ps->age = 20;
ps->score = 99.0;
printf("name:%s age:%d
",ps->name,ps->age);
return 0;
}
const 和 指針
-
指向常量的指針，值不能改變，指向可改變 -
常指針值能改變，指向不可改變 -
指向常量的常指針，都不能改變
#include <stdio.h>
int main()
{
// 1 可改變指針
const int a = 10;
int *p = &a;
*p = 1000;
printf("*p = %d\n", *p);
// 2 可改變指針
const b = 10;
int *pb = &b;
pb = p;
printf("*pb = %d\n", *pb);
// 3
const c = 10;
int * const pc = &c;
*pc = 1000;
//pc = pb;不能改變
//4
const d = 10;
const * int const pd = &d;
//*pd = 1000; 不能改變
printf("\n");
return 0;
}
深拷貝和淺拷貝
如果2個(gè)程序單元（例如2個(gè)函數(shù)）是通過(guò)拷貝 他們所共享的數(shù)據(jù)的 指針來(lái)工作的，這就是淺拷貝，因?yàn)檎嬲L問(wèn)的數(shù)據(jù)并沒(méi)有被拷貝。如果被訪問(wèn)的數(shù)據(jù)被拷貝了，在每個(gè)單元中都有自己的一份，對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)的操作相互 不受影響，則叫做深拷貝。
#include <iostream>
using namespace std;
class CopyDemo
{
public:
CopyDemo(int pa,char *cstr) //構(gòu)造函數(shù)，兩個(gè)參數(shù)
{
this->a = pa;
this->str = new char[1024]; //指針數(shù)組，動(dòng)態(tài)的用new在堆上分配存儲(chǔ)空間
strcpy(this->str,cstr); //拷貝過(guò)來(lái)
}
//沒(méi)寫(xiě)，C++會(huì)自動(dòng)幫忙寫(xiě)一個(gè)復(fù)制構(gòu)造函數(shù)，淺拷貝只復(fù)制指針,如下注釋部分
//CopyDemo(CopyDemo& obj)
//{
// this->a = obj.a;
// this->str = obj.str; //這里是淺復(fù)制會(huì)出問(wèn)題，要深復(fù)制
//}
CopyDemo(CopyDemo& obj) //一般數(shù)據(jù)成員有指針要自己寫(xiě)復(fù)制構(gòu)造函數(shù)，如下
{
this->a = obj.a;
// this->str = obj.str; //這里是淺復(fù)制會(huì)出問(wèn)題，要深復(fù)制
this->str = new char[1024];//應(yīng)該這樣寫(xiě)
if(str != 0)
strcpy(this->str,obj.str); //如果成功，把內(nèi)容復(fù)制過(guò)來(lái)
}
~CopyDemo() //析構(gòu)函數(shù)
{
delete str;
}
public:
int a; //定義一個(gè)整型的數(shù)據(jù)成員
char *str; //字符串指針
};
int main()
{
CopyDemo A(100,"hello!!!");
CopyDemo B = A; //復(fù)制構(gòu)造函數(shù)，把A的10和hello!!!復(fù)制給B
cout <<"A:"<< A.a << "," <<A.str << endl;
//輸出A:100，hello!!!
cout <<"B:"<< B.a << "," <<B.str << endl;
//輸出B:100，hello!!!
//修改后,發(fā)現(xiàn)A,B都被改變，原因就是淺復(fù)制，A,B指針指向同一地方，修改后都改變
B.a = 80;
B.str[0] = 'k';
cout <<"A:"<< A.a << "," <<A.str << endl;
//輸出A:100，kello!!!
cout <<"B:"<< B.a << "," <<B.str << endl;
//輸出B:80，kello!!!
return 0;
}
根據(jù)上面實(shí)例可以看到，淺復(fù)制僅復(fù)制對(duì)象本身（其中包括是指針的成員），這樣不同被復(fù)制對(duì)象的成員中的對(duì)應(yīng)非空指針會(huì)指向同一對(duì)象，被成員指針引用的對(duì)象成為共享的，無(wú)法直接通過(guò)指針成員安全地刪除（因?yàn)槿糁苯觿h除，另外對(duì)象中的指針就會(huì)無(wú)效，形成所謂的野指針，而訪問(wèn)無(wú)效指針是危險(xiǎn)的；
除非這些指針有引用計(jì)數(shù)或者其它手段確保被指對(duì)象的所有權(quán)）；而深復(fù)制在淺復(fù)制的基礎(chǔ)上，連同指針指向的對(duì)象也一起復(fù)制，代價(jià)比較高，但是相對(duì)容易管理。
參考資料
-
C Primer Plus（第五版）中文版 -
https://www.cnblogs.com/lulipro/p/7460206.html
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