C++:基于C的语法优化

发布时间:2024年01月21日


C++语言是基于C语言优化而出的函数,由于C语言是一门比较古早的语言。随着学者们对计算机的理解不断加深,越来越好用的语法与概念提出,C语言就遗留了许多历史问题。C++之父为了优化C语言的问题,于是不断为其添加新语法,新概念,逐渐衍生出了一门新的语言C++。

命名空间

先看到一段C语言的代码:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int rand = 1;

int main()
{
	printf("%d", rand);
	return 0;
}

这段代码看似没有问题,但是运行后,编译器会报出“rand重定义”的问题。
这是因为我们引入了头文件stdlib.h,而其内部有rand函数,用户的变量名与头文件冲突了。
这该这么解决?
在C语言中,好像没有什么很好的办法,让不同头文件中的同名变量共存,只能让其中一者改变自己的变量。

C++设计者认为这个特性不利于项目合作,当我们对多个员工编写的C语言代码进行合并时,就有可能出现,此时只能让其中一者修改代码。
C++为此设计了一种新的域:命名空间域

命名空间域

在不同的域中,是可以存在同名变量的,而C语言只存在局部域与全局域两种域。C++的命名空间域则是一种可以根据用户需要自己定义的域。

语法:

namespace (名称)
{
	//代码
}

命名空间域通过关键字namespace指定,其大括号内部算作单独的一块域,不受外界域的影响,比如这样:

namespace A
{
	int a = 1;
}

namespace B
{
	int a = 2;
}

int a = 3;

int main()
{
	printf("%d", a);
	return 0;
}

在以上代码片中,我们有三个变量aa = 1处于命名空间域A中,a = 1处于命名空间域B中,而a = 1处于全局中。

我们此时输出printf("%d", a)会输出谁?
答案是3。

其变量的基本查找规则如下:

  1. 现在当前作用域查找
  2. 如果当前作用域查找不到,就向上级作用域查找
  3. 直到查找到全局作用域,如果此时还没有,编译器报错

所以a在访问时,会访问到全局的a。

命名空间域有以下特性:

  1. 当两个命名空间域重名,两个域内部的代码会合并
  2. 作用域可以嵌套
  3. 变量,结构体,函数等等都可以写入这个域中

那么我们要如何访问到我们自己指定的命名空间域中的变量呢?
这就要通过域作用限定符了:


域作用限定符

::是C++中的域作用限定符,将其放在变量前,可以改变此变量的查找规则,使之直接到指定域中查找

比如以下代码:

namespace A
{
	int a = 1;
}

int a = 3;

int main()
{
	printf("%d", A::a);
	return 0;
}

其中A::a就是直接在命名空间域中查找a变量。
所以代码输出1。

此外:域作用限定符左侧没有值时,默认到全局变量查找
这一点很重要,因为在基本的查找规则中,是先查找局部作用域,再查找全局作用域的。而当::左侧没有值时,会直接跳过局部变量,在全局中查找。
比如以下代码:

int a = 3;

int main()
{
	int a = 4;
	printf("%d", ::a);
	return 0;
}

上述代码的输出结果是3。
虽然在局部中有一个a = 4,但是::a会直接跳过局部,直接去全局查找,所以最后输出了3.

访问嵌套的命名空间域:
想要访问嵌套的命名空间域,只需要依据从外层->内层的顺序,利用::将每个名称分隔开,就可以访问了,如下:

namespace A
{
	namespace B
	{
		namespace C
		{
			int a = 2;
		}
	}
}

int main()
{
	printf("%d", A::B::C::a);
	return 0;
}

以上代码中,我们嵌套了三层命名空间域,在访问a时,从外层到内层按照A::B::C::a访问。

所以我们可以按照如下方式解决不同文件变量可能存在冲突的问题:每个.cpp文件最外层,用一个命名空间域包含起来,后续引入文件时,每个人编写的文件独自享有一个域,就不会发生冲突问题了。
比如这样:

user1.cpp

namespace user1
{
	int a = 0;
	int b = 1;

	int Add(int x, int y)
	{
		return x + y;
	}
}

user2.cpp

namespace user2
{
	int a = 1;
	int b = 0;

	float Add(float x, float y)
	{
		return x + y;
	}
}

每一份.cpp文件都用一个命名空间域包在最外层,需要使用谁的代码时,就到哪一个空间域中查找。

那如果这样的话,在main函数中想要访问其它文件内的内容是不是很冗余,几乎大部分变量都要加上::前缀,这就太麻烦了。于是又产生了展开命名空间域这一功能。


展开命名空间域

所谓展开命名空间域,就是对某个空间域进行展开,将其内部的变量放到全局中。也就是说,一个空间域的内容,经过展开后就会变成全局变量,而变量查找规则中,最后一层就是在全局中查找,所以可以不使用::就访问到想要的变量。
语法:

using namespace (名称);

示例:

namespace user1
{
	int a = 0;
	int b = 1;
}

using namespace user1;

int main()
{
	printf("%d", a);
	printf("%d", b);
	return 0;
}

在以上示例中,我们使用using namespace user1;user1展开了,此时user1内部的变量就被释放到全局了,后续就无需对ab使用域限定操作符,也可以直接使用了。

但是有时候我们并不是需要一个命名空间域中的所有内容,如果将整个空间域有些没必要。
此时我们可以使用部分展开

using (名称)::(变量名)

示例:

namespace user1
{
	int a = 0;
	int b = 1;

	int Add(int x, int y)
	{
		return x + y;
	}
}

using user1::Add;
using user1::a;

int main()
{
	printf("%d",a);
	Add(3, 5);
	return 0;
}

上述代码中,我们创建了一个空间域user1,其内部有ab两个变量以及Add函数。
随后将using user1::Add;using user1::a;进行了部分展开。
最后我们就可以直接访问变量a以及调用Add函数了。


输入输出

C++的输入输出是基于对象的操作,但是此处仅做入门知识讲解,所以不深入讲解,只讲解基本输入输出语句。

输出语句:

cout << "Hello World" << endl;

在以上语句中,cout本质是一个对象,如果你无法理解什么是对象,那么可以暂时理解它是一个控制台,可以看到输出语句。
随后利用了<<流插入运算符,你可以理解为将"Hello World"这个字符串放到了cout中,随后 << endl的意思是换行endl相当于C语言中的\n,用于换行。所以以上语句也可以写成:

cout << "Hello World" << '\n';

效果是一致的。

输入语句:
C++的输入语句是通过cin对象,其可以获取用户输入的内容。那么我们要如何获得cin提取的内容?
利用流提取操作符<<,就可以提取到cin的返回值。比如这样:

int a = 0;
cin >> a;

以上代码就可以实现用户输入一个值,将其赋值给a。

相比于C语言的输入输出,需要使用%d%s%f这样的占位符来控制输入类型。C++的输入输出操作明显的优势就是:自动识别类型。其中cout可以拆分为c + out,所以用于输出;cin可以拆分为c + in,所以用于输入


缺省参数

全缺省参数

缺省参数是值可以为函数的参数设置初始值,如果调用时没有传入参数,则此参数以初始值调用函数。

比如以下代码:

int Add(int x = 5, int y = 10)
{
	return x + y;
}

int main()
{
	Add(1, 2);
	Add(1);
	Add();

	return 0;
}

上述代码中,我们定义了一个函数Add,其带有两个参数xy,其中为x设置初始值x = 5,给y设置初始值y = 10

第一次调用Add(1, 2);xy都传了参数,此时完成的是1 + 2
第二次调用Add(1);只为x传入了参数,此时y以初始值调用此函数,完成的是1 + 10
第三次调用Add();没有传入参数,此时xy都以初始值调用此函数,完成的是5 +10

这种参数缺省叫做全缺省参数,即所有的参数都赋予了初始值,哪怕一个参数都不传,也可以调用函数。
注意:传入参数必须从左往右传入,不能有空缺
比如以下代码:

int Add(int x = 5, int y = 10, int z = 20)
{
	return x + y + z;
}

int main()
{
	Add(1, ,6);
	return 0;
}

此代码中Add(1, ,6);的意图是让x = 5z = 20,让y取初始值。但是这是不允许的,调用函数时,必须从左向右连续传入,不能间断地缺省参数

半缺省参数

半缺省参数是指,缺省参数时,有一些值不赋予初始值,必须传入值

比如这样:

int Add(int x, int y = 10, int z = 20)
{
	return x + y + z;
}

此时x就是一个不可以被缺省的参数,在调用函数时,必须为x传入值。
要注意:半缺省参数中不赋予初始值的参数,必须从左往右连续,不可以间断地缺省。
比如以下情况:

int Add(int x = 5, int y, int z = 20)
{
	return x + y + z;
}

此代码中,x是被缺省的,那么其右边的yz也必须被缺省,不能跳过y直接缺省z

最后还有一个注意点:不能在声明和定义时同时缺省参数。
什么意思呢?
看到一个示例:
test.h文件中:

void func(int a = 10);

test.cpp文件中:

void func(int a = 10)
{
	cout << a * 5 << endl;
}

以上代码我们将函数声明在了test.h文件中,声明在了test.cpp文件中。
这样会造成重定义的错误,程序无法运行,如果想要将缺省参数声明在.h文件中,那么在定义时就不要写出缺省参数了。
以上代码的正确形式如下:

test.h文件中:

void func(int a = 10);

test.cpp文件中:

void func(int a)
{
	cout << a * 5 << endl;
}

函数重载

函数重载是指C++允许在同一作用域中声明的同名函数,但是其必须遵守一项规则:保证同名函数的形参列表不同。

形参列表不同就是要求满足以下三者之一:

  1. 函数的参数个数不同
  2. 函数的参数类型不同
  3. 函数的参数类型的顺序不同

接下来我带大家理解这三种情况。

参数类型不同

void Add(int left, int right)
{
	cout << "I am int Add" << endl;
}

void Add(double left, double right)
{
	cout << "I am double Add" << endl;
}

在以上代码中,我们定义了两次Add函数,第一次定义时两个参数的类型都是int,而第二次定义时,两个参数的类型都是double,此时两个Add函数就构成了重载。
在调用Add函数时,会根据传入参数的类型来决定调用哪一个函数。
比如以下代码:

int main()
{
	int a = 1;
	int b = 2;
	Add(1, 2);

	double c = 3.0;
	double d = 4.0;
	Add(c, d);

	return 0;
}

第一次调用Add(1, 2);传入了两个int变量,此时与函数void Add(int left, int right)类型匹配,调用此函数,输出"I am int Add"

第二次调用Add(c, d);传入了两个double变量,此时与函数void Add(double left, double right)类型匹配,调用此函数,输出"I am double Add"


参数个数不同

void f()
{
	cout << "f()" << endl;
}

void f(int a)
{
	cout << "f(int a)" << endl;
}

void f(int a, int b)
{
	cout << "f(int a, int b)" << endl;
}

以上代码中,我们定义了三个f函数,三者的区别就是函数的参数个数不同,那么我们传入不同数量的参数,也就会调用不同的函数了。

int main()
{
	f();
	f(1);
	f(1, 2);
	return 0;
}

第一次调用f();,没有传入参数,与void f()参数数目匹配,调用此函数。
第二次调用f(1);,传入一个参数,与void f(int a)参数数目匹配,调用此函数。
第三次调用f(1, 2);,传入两个参数,与void f(int a, int b)参数数目匹配,调用此函数。


参数类型的顺序不同

void f(int a, char b)
{
	cout << "f(int a,char b)" << endl;
}

void f(char b, int a)
{
	cout << "f(char b, int a)" << endl;
}

以上代码中,我们定义了两个函数f,第一个函数的参数列表为int, char第二个参数的参数列表为char, int此时两个参数类型的顺不同,构成函数重载。
示例:

int main()
{
	int a = 0;
	char b = '0';

	f(a, b);
	f(b, a);

	return 0;
}

第一次调用,传入了f(a, b);,与参数列表int, char匹配,调用函数输出"f(int a,char b)"
第二次调用,传入了f(b, a);,与参数列表char, int匹配,调用函数输出"f(char b, int a)"


引用

基本语法

C++的引用是一种特殊的变量类型,用于给已经存在的变量起一个别名。通过引用,我们可以通过一个已存在的变量名来访问和操作另一个变量的值。

引用可以被看作是一个已存在变量的别名,引用和被引用的变量始终指向同一块内存空间,对引用的操作实际上就是对被引用变量的操作。

引用的语法如下:

type& 别名 = 变量名;

其中,type是被引用变量的类型。

下面是一个使用引用的简单示例:

int main() {
   int num = 10;
   int& ref = num;    // 创建一个引用ref,指向num

   cout << "num的值为:" << num << endl;   // 输出:num的值为:10
   cout << "ref的值为:" << ref << endl;   // 输出:ref的值为:10

      // 通过引用修改num的值

   cout << "num的新值为:" << num << endl;   // 输出:num的新值为:20
   cout << "ref的新值为:" << ref << endl;   // 输出:ref的新值为:20

   return 0;
}

在上面的示例中,我们创建了一个整数变量num,并通过引用ref给它起了一个别名。后续通过引用ref来修改num的值,实际上就是对num的直接操作。

其中:

   int num = 10;
   int& ref = num;  
   
	ref = 20;

相当于:

	int num = 10;
	int* ref = &num;

	*ref = 20;

需要注意的是,引用不同于指针,它不能指向空值或者没有初始化的变量。因此,在定义引用时必须保证所引用的变量已经存在,并且在定义引用时必须进行初始化

也就是说下面的语句是非法的:

int& a;

这语句中,a是一个引用,但是它没有初始化,此时编译器会报错。
但是在指针中:

int* a;

是合法的。


引用其实不单单只是代替指针这么简单,其还可以作为返回值,参数等。

按引用传递

C++中的按引用传递是一种参数传递方式,它允许函数通过引用来操作调用者提供的实参。

按引用传递是将实参的引用传递给形参。

按引用传递的语法是在函数的参数前加上&符号。例如,以下的函数原型中使用了按引用传递:

void Function(int& x);

按引用传递有以下几个作用:

  1. 通过引用传递参数可以避免对大型对象的复制。当传递一个大型对象时,按值传递会进行一次复制操作,而按引用传递只需要传递对象的引用而不需进行复制,从而提高了程序的效率

  2. 通过引用传递参数可以实现函数对实参的修改。在函数内部,通过引用可以直接操作实参,对实参的修改会在函数外部产生影响。而按值传递只能修改函数内部的形参副本,对实参没有影响

比如我们想实现一个交换函数:
利用指针来实现:

void Swap(int* a, int* b)
{
	int tmp = *a;
	*a = *b;
	*b = tmp;
}

int main()
{
	int x = 1;
	int y = 3;

	Swap(&x, &y);

	return 0;
}

此函数中,不仅需要多次对参数解引用,而且每次调用都需要对变量取地址,用起来还是有点难受的。

此时我们可以利用按引用传递实现:


void Swap(int& a, int& b)
{
	int tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}

int main()
{
	int x = 1;
	int y = 3;

	Swap(x, y);

	return 0;
}

相比于刚才的代码,这串代码就畅快多了,一方面是在函数内部使用参数时不用额外解引用,在传参时也不需要取地址了。

总之,按引用传递是一种高效且灵活的参数传递方式,可以减少内存的复制操作,实现对实参的修改。在C++中,通过引用传递可以提高程序的效率和可读性。


返回引用

在C++中,返回引用是指从函数中返回一个引用类型的值。返回引用的主要目的是允许函数返回一个对于某个变量的引用,从而允许在函数外部对该变量进行修改。

返回引用的主要用途有以下几个:

  1. 允许函数直接修改函数外部的变量。
  2. 允许在函数调用中连续进行操作,类似于链式操作。
  3. 优化性能,避免创建临时对象。

下面通过案例来分别说明这几个功能:

  1. 允许函数直接修改函数外部的变量:
int& increment(int& num) {
  num++;
  return num;
}

int main() {
  int num = 5;
  increment(num) = 10;
  cout << num << endl;  // 输出为 10
  return 0;
}

在上面的例子中,increment函数返回了对num的引用。在main函数中,我们可以直接对increment(num)进行赋值操作,相当于对num进行了修改。

  1. 允许在函数调用中连续进行操作:
int& add(int& num, int value) {
  num += value;
  return num;
}

int main() {
  int num = 5;
  add(add(num, 3), 2);
  cout << num << endl;  // 输出为 10
  return 0;
}

在上面的例子中,add函数返回了对num的引用。我们可以连续调用add函数,每次都对num进行修改。

  1. 优化性能,避免创建临时对象:
string& concatenate(string& str1, const string& str2) {
  str1 += str2;
  return str1;
}

int main() {
  string str1 = "Hello";
  string str2 = " World";
  concatenate(str1, str2) += "!";
  cout << str1 << endl;  // 输出为 "Hello World!"
  return 0;
}

在上面的例子中,concatenate函数返回了对str1的引用。通过返回引用,我们可以直接对str1进行修改,避免了创建临时对象。在调用concatenate函数的时候,我们可以将返回的引用与另一个字符串连接操作进行连续调用。

需要注意的是,返回引用时,被返回的变量应该仍然存在,否则返回的引用就会变成悬空引用,可能导致不可预期的行为。此外,如果返回引用指向了一个局部变量,函数返回后该变量将被销毁,返回的引用将变得无效。因此,返回引用时需要确保引用的有效性。


引用与指针的区别

  1. 引用概念上定义一个变量的别名,指针存储一个变量地址。
  2. 引用在定义时必须初始化,指针没有要求
  3. 引用在初始化时引用一个实体后,就不能再引用其他实体,而指针可以在任何时候指向任何一个同类型实体
  4. 没有NULL引用,但有NULL指针
  5. 在sizeof中含义不同: 引用结果为引用类型的大小,但指针始终是地址空间所占字节个数
  6. 引用自加即用的实体增加1,指针自加即指针向后偏移一个类型的大小
  7. 有多级指针,但是没有多级引用
  8. 访问实体方式不同,指针需要显式解引用,引用编译器自己处理
  9. 引用比指针使用起来相对更安全

内联函数

在讲解内联函数前,我们前看看C语言中的宏的缺点。
C语言宏的缺点有以下几个:

  1. 没有类型检查: 宏是在预处理阶段进行替换,没有类型检查的机制。因此,使用宏时要特别小心,否则可能会出现类型不匹配的错误。
  2. 可读性差: 宏通常会展开为较长的代码,可能会使代码变得难以阅读和理解。特别是在宏内部使用复杂的表达式或多行代码时,会使代码的可读性大大降低。
  3. 可能引起副作用: 宏通常会直接对参数进行替换,可能会导致意外的副作用。例如,一个宏可能会多次计算参数的值,如果参数是一个函数调用或者是一个带有副作用的表达式,那么可能会引发错误。
  4. 可能导致重复的代码: 使用宏可能导致代码中出现大量的重复代码。当多个地方使用相同的宏时,如果需要修改宏的实现方式,就需要修改所有使用该宏的地方,增加了代码维护的复杂性。
  5. 调试困难: 宏在展开后的代码中看不到宏本身的定义,因此在调试时很难跟踪和查找问题。由于宏在编译阶段被替换,调试器无法直接定位到宏的定义位置,这给调试带来了一定的困难。

综上所述,虽然宏在C语言中具有一定的灵活性和便利性,但也存在一些缺点。在使用宏时应当谨慎,特别是在处理复杂的表达式或有副作用的代码时,应考虑使用其他更安全和可读性更高的替代方法。

C++认为宏是一个不太好的特性,于是在C++中推荐使用enum枚举和const替换掉宏常量。用内联函数inline替换掉宏函数。

于是内联函数被设计了出来。

被inline修饰的函数叫做内联函数,在编译时C++编译器会在调用内联函数的地方将内联函数展开,不额外创建栈帧来执行函数,提高程序的效率。没错,这也是宏函数最重要的一点,不会创建栈帧。内联函数延续的宏函数的优点,但是又做了许多优化。

比如以下函数就是一个内联函数:

inline int Add(int x, int y)
{
	int z = x + y;
	return z;
}

在函数的前方加一个inline关键字,这样调用函数时,函数就会直接在目标位置展开。

在相比于宏函数,内联函数会对参数类型进行确定,防止错误类型的传入。

如果宏函数非常长,那么对其展开时会导致代码重复性非常高,这已经违背了函数设计的初衷:代码复用。
所以内联函数有另外一个特性:当函数体内部代码长度超过一定值时,其会转化为普通函数,不会直接展开,而是创建栈帧,防止代码冗余


auto

在C++中,auto关键字可以用来自动推断变量的类型,它在编译时会根据初始化表达式的类型来确定变量的类型。

使用auto的主要好处是可以简化代码并提高可读性。它可以减少手动指定变量类型的工作,并且可以防止类型错误。相比于显式指定变量类型,使用auto可以让代码更加灵活和易于维护。

  1. 自动推断基本类型变量的类型
auto age = 25; // 推断age为int类型
auto salary = 5000.50; // 推断salary为double类型
  1. 自动推断容器中迭代器的类型
std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
for (auto it = numbers.begin(); it != numbers.end(); ++it) {
    std::cout << *it << " ";
}

如果你看不懂这一段也没关系,这一段主要是讲解有的时候获得变量的类型会需要很长的代码。使用auto可以缩短变量类型的长度。

auto与指针和引用结合

auto也可以自动推断指针的类型,比如这样:

int x = 10;
auto y = &x;

此时y的类型自动判别为int*
那么我们可不可以为auto加上*来识别指针?

看到一段代码:

int x = 10;

auto* a1 = x;
auto* a2 = &x;
auto a3 = &x;

auto* a1 = x;中,x的类型是int,那么auto本应将其值判别为int,但是由于auto**限制了,此时auto必须得到一个指针,所以编译器会报错;而auto* a2 = &x;得到的就是指针,此时代码不会报错,可以正常识别为int*

在本质上auto* a2 = &x;auto a3 = &x;的结果是没有区别的,只是auto*要求得到的必须是一个指针类型,而auto不限制其类型。
同理的auto&会要求必须是一个引用类型,否则会报错。

auto也有许多限制,要注意以下问题:

  1. auto不能作为函数的参数

  2. auto不能用于声明数组

比如以下代码:

int arr1[] = {1, 3, 5, 7, 9};
auto arr2[] = {1, 3, 5, 7, 9};

此时第二条代码就会报错,因为其用auto类型定义了一个数组。

  1. 在同一行定义多个变量时,如果将auto作为其类型,必须一整行都是同一个类型的变量。

比如以下代码:

	int x = 1, y = 2;
	auto a = 3, b = 4;
	auto c = 5, d = 6.0;

以上代码中,auto a = 3, b = 4;是合法的,因为一行内都是int类型。
但是auto c = 5, d = 6.0;是非法的,因为同一行内有不同类型,会报错。


范围for循环

范围for循环是C++11引入的一种新的循环结构,它可以方便地遍历数组或者其他具有迭代器的对象。

范围for循环的语法如下:

for (auto element : collection) {
   // 执行语句
}

其中,element 是一个临时变量,用来存储集合中的每个元素的副本,collection 是一个可迭代的对象,可以是数组或者其他具有迭代器的对象。
其中auto也可以换为intfloat等类型,只是结合auto会更好用。

下面是一个简单的例子:

int main() {
   int numbers[] = {1, 2, 3, 4, 5};

   for (auto element : numbers) {
      cout << element << " ";
   }

   return 0;
}

输出结果为:1 2 3 4 5

在上面的例子中,我们定义了一个整型数组 numbers,范围for循环遍历了整个数组,每次迭代将数组中的一个元素赋值给临时变量 element,然后我们将该元素输出到控制台。

如果你希望修改这个数组内部的值,可以在auto后加上&,将其变为一个引用。

就像这样:

   for (auto& element : numbers) {
      element *= 2;
   }

就可以完成元素的乘以2的操作。


nullptr

在C++11标准中,引入了nullptr关键字来表示空指针。C++推荐使用nullptr而不是使用传统的NULL宏定义。

看到一段代码:
在这里插入图片描述
这串代码是C++对NULL的定义,其本质是一个宏,如果在C语言环境允许,那么NULL就是((void*)0),也就是将整型0强制转化为了void*的0地址。

但是当运行环境是C++,NULL就被定义为0,这导致空指针可能被识别为整型。所以C++引入了nullptr替代NULL

NULL在传统的C++中只是一个宏定义为0,会被隐式转换为整型,这可能导致一些类型安全性问题。nullptr不会被隐式转换为其他类型,只能赋值给指针类型,从而避免了潜在的类型错误。

其次是代码清晰度,nullptr相比于NULL更加直观明了,能够更好地表示空指针的含义即null + ptrnull表示空ptr表示指针。这样可以提高代码的可读性。

所以在C++中,定义一个空指针最好用nullptr


文章来源:https://blog.csdn.net/fsdfafsdsd/article/details/135699205
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