操作系统教程谢旭升朱明华张练兴李宏伟 2.docx
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操作系统教程谢旭升朱明华张练兴李宏伟2
操作系统教程课后习题参考答案
习题一
1．设计操作系统的主要目的是什么？
设计操作系统的目的是：
（1）从系统管理人员的观点来看，设计操作系统是为了合理地去组织计算机工作流程，管理和分配计算机系统硬件及软件资源，使之能为多个用户所共享。
因此，操作系统是计算机资源的管理者。
（2）从用户的观点来看，设计操作系统是为了给用户使用计算机提供一个良好的界面，以使用户无需了解许多有关硬件和系统软件的细节，就能方便灵活地使用计算机。
2．操作系统的作用可表现在哪几个方面？
（1）方便用户使用：
操作系统通过提供用户与计算机之间的友好界面来方便用户使用。
（2）扩展机器功能：
操作系统通过扩充硬件功能和提供新的服务来扩展机器功能。
（3）管理系统资源：
操作系统有效地管理系统中的所有硬件和软件资源，使之得到充分利用。
（4）提高系统效率：
操作系统合理组织计算机的工作流程，以改进系统性能和提高系统效率。
（5）构筑开放环境：
操作系统遵循国际标准来设计和构造一个开放环境。
其含义主要是指：
遵循有关国际工业标准和开放系统标准，支持体系结构的可伸缩性和可扩展性；支持应用程序在不同平台上的可移植性和互操作性。
3．试叙述脱机批处理和联机批处理工作过程
（1）联机批处理工作过程
用户上机前，需向机房的操作员提交程序、数据和一个作业说明书，后者提供了用户标识、用户想使用的编译程序以及所需的系统资源等基本信息。
这些资料必须变成穿孔信息，（例如穿成卡片的形式），操作员把各用户提交的一批作业装到输入设备上（若输入设备是读卡机，则该批作业是一叠卡片），然后由监督程序控制送到磁带上。
之后，监督程序自动输入第一个作业的说明记录，若系统资源能满足其要求，则将该作业的程序、数据调入主存，并从磁带上调入所需要的编译程序。
编译程序将用户源程序翻译成目标代码，然后由连接装配程序把编译后的目标代码及所需的子程序装配成一个可执行的程序，接着启动执行。
计算完成后输出该作业的计算结果。
一个作业处理完毕后，监督程序又可以自动地调下一个作业处理。
重复上述过程，直到该批作业全部处理完毕。
（2）脱机批处理系统
脱机批处理系统由主机和卫星机组成，如下图所示。
卫星机又称外围计算机，它不与主机直接连接，只与外部设备打交道。
卫星机负责把输入机上的作业逐个转输到输入磁带上，当主机需要输入作业时，就把输入带与主机连上。
主机从输入带上调入作业并运行，计算完成后，输出结果到输出磁带上，再由卫星机负责把输出带上的信息进行输出。
在这样的系统中，主机和卫星机可以并行操作，二者分工明确，可以充分发挥主机的高速计算能力。
4．分时系统的特征是什么？
（1）同时性。
允许在一台主机上同时联接多台联机终端，系统按分时原则为每个用户服务。
宏观上，是多个用户同时工作，共享系统资源；而微观上，则是每个用户作业轮流运行一个时间片。
它提高了资源利用率，从而促进了计算机更广泛的应用。
（2）独立性。
每个用户各占一个终端，彼此独立操作，互不干扰。
因此，用户会感觉到就像他一人独占主机。
（3）及时性。
用户的请求能在很短时间内获得响应，此时间隔是以人们所能接受的等待时间来确定的，通常为2--3秒钟。
（4）交互性。
用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。
其广泛性表现在：
用户可以请求系统提供多方面的服务，如文件编辑、数据处理和资源共享等。
5．何谓多道程序设计？
叙述它的主要特征和优点。
多道程序设计是一种软件技术，该技术使同时进入计算机主存的几个相互独立的程序在管理程序控制之下相互交替地运行。
当某道程序因某种原因不能继续运行下去时（如等待外部设备传输数据），管理程序便将另一道程序投入运行。
这样可以使中央处理器及各外部设备尽量处于忙碌状态，从而大大提高计算机的使用效率。
在单处理器系统中，多道程序运行的特征是：
（1）多道：
即计算机主存中同时存放几道相互独立的程序。
（2）宏观上并行：
同时进入系统的几道程序都处于运行过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕。
（3）微观上串行：
从微观上看，主存中的多道程序轮流地或分时地占用处理器，即多道程序交替执行。
引入多道程序设计的优点是：
（1）可提高CPU的利用率；
（2）可提高主存和I/O设备利用率；
（3）可增加系统吞吐量；
6．实现多道程序应解决哪些问题？
为使系统中的多道程序能协调地运行，必须解决以下一些问题：
（1）并行运行的程序要共享计算机系统的硬件和软件资源，既有对资源的竞争，但又必须相互同步。
因此同步与互斥机制成为系统设计中的重要问题。
（2）多道程序的增加，出现了主存不够用的问题，提高主存的使用效率也成为关键。
因此出现了诸如覆盖技术、对换技术和虚拟存储技术等主存管理技术。
（3）多道程序存在于主存，为了保证系统程序存储区和各用户程序存储区的安全可靠，提出了主存保护的要求。
7．试比较单道与多道批处理系统的特点及优缺点。
单道批处理系统的特征是：
（1）自动性。
在顺利的情况下，在磁带上的一批作业能自动地逐个作业依次运行，而无须人工干预。
（2）顺序性。
磁带上的各道作业是顺序地进入主存，各道作业完成的顺序与它们进入主存的顺序之间，在正常情况下应当完全相同，亦即先调入主存的作业先完成。
（3）单道性。
主存中仅有一道程序并使之运行，即监督程序每次从磁带上只调入一道程序进入主存运行，仅当该程序完成或发生异常情况时，才调入其后继程序进入主存运行。
其优点是：
作业运行期间占有所有资源，运算速度较快。
其缺点是：
CPU、主存和I/O设备资源利用率低；系统吞吐量低；
多道程批处理系统的特征是：
（1）多道：
即计算机主存中同时存放几道相互独立的程序。
（2）宏观上并行：
同时进入系统的几道程序都处于运行过程中，即它们先后开始了各自的运行，但都未运行完毕。
（3）微观上串行：
从微观上看，主存中的多道程序轮流地或分时地占用处理器，即多道程序交替执行。
其优点是：
可提高CPU、主存和I/O设备利用率；可增加系统吞吐量；
其缺点是：
每个作业占用内存相对减少；作业交替运行需要时间切换；竞争资源会导致死锁和安全问题，等。
8．为什么要引入实时操作系统？
60年代中期计算机进入第三代，计算机的性能和可靠性有了很大提高，造价亦大幅度下降，导致计算机越来越广泛应用于工业过程控制、军事实时控制、信息实时处理等领域，需要保证及时响应、快速处理、高可靠性和安全性，而不强求系统资源的利用率。
一般操作系统不能达到这些要求。
而针对实时处理的实时操作系统是以在允许的时间范围之内做出响应为特征的并具有高可靠性和安全性。
它要求计算机对于外来信息能以足够快的速度进行处理，并在被控对象允许时间范围内作出快速响应，其响应时间要求在秒级、毫秒级甚至微秒级或更小。
实时系统是较少有人为干预的监督和控制系统，仅当计算机系统识别到了违反系统规定的限制或本身发生故障时，才需要人为干预。
9．操作系统具有哪几大特征？
虽然不同的操作系统各有自己的特征，但它们也都具有以下四个基本特征：
（1）并发
并发性是指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。
在多道程序环境下，并发性是指宏观上在一段时间内多道程序在同时运行。
但在单处理器系统中，每一时刻仅能执行一道程序，故微观上这些程序是在交替执行的。
（2）共享
所谓共享是指系统中的资源可供主存中多个并发执行的进程共同使用。
由于资源的属性不同，故多个进程对资源的共享方式也不同。
并发和共享是操作系统的两个最基本的特征，它们又是互为存在条件。
一方面，资源共享是以程序（进程）的并发执行为条件；若系统不允许程序并发执行，自然不存在资源共享问题。
另一方面，若系统不能对资源共享实施有效管理，则也必将影响到程序的并发执行，甚至根本无法并发执行。
（3）虚拟
操作系统中的所谓“虚拟”是指通过某种技术把一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物。
物理实体（前者）是实的，即实际存在的，而后者是虚的，是用户感觉上的东西。
（4）异步性
在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，但由于资源等因素的限制，通常进程的执行并非“一气呵成”，而是以“走走停停”的方式运行，即进程是以异步方式运行的。
尽管如此，但只要运行环境相同，作业经多次运行，都会获得完全相同的结果，因此，异步运行方式是允许的。
10．主存管理的主要任务是什么？
有哪些主要功能？
存储管理的主要任务是为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率，以及能从逻辑上来扩充主存。
为此，存储管理应具有以下功能：
（1）主存分配与回收；
（2）地址转换和存储保护；
（2）主存的共享与保护；
（3）主存扩充。
11．处理器管理的主要任务是什么？
有哪些主要功能？
处理器管理的主要任务是对处理器进行分配，并对其运行进行有效的控制和管理。
对处理器的管理和调度可归结为对进程和线程的管理和调度。
它包括以下几方面功能：
（1）进程控制和管理；
（2）进程同步和互斥；
（3）进程通信；
（4）进程死锁；
（5）线程控制和管理；
（6）处理器调度。
12．设备管理的主要任务是什么？
有哪些主要功能？
设备管理的主要任务是管理各种外部设备，完成用户提出的I/O请求，为用户分配I/O设备；提高CPU和I/O设备的利用率；提高I/O速度；方便用户使用I/O设备。
为实现上述任务，设备管理应具有以下主要功能：
（1）提供设备控制处理；
（2）提供缓冲区管理；
（3）提供设备独立性；
（4）实现设备的分配与回收；
（5）实现共享设备的驱动调度；
（6）实现虚拟设备。
13．文件管理的主要任务是什么？
有哪些主要功能？
文件管理的主要任务是对用户文件和系统文件进行有效管理，以方便用户使用，并保证文件的安全性。
为此，文件管理应具有以下主要功能：
（1）提供文件的逻辑组织方法；
（2）提供文件的物理组织方法；
（3）提供文件的存取和使用方法；
（4）提供文件的目录管理；
（5）实现文件的共享和保护；
（6）实现文件的存储空间管理。
14．试在交互性、及时性和可靠性方面，将分时系统与实时系统进行比较。
在交互性方面，分时系统的交互性强，实时系统的交互性弱，因为交互性强很能满足实时系统响应速度快和高可靠性的要求。
在及时性方面，实时系统要求快速响应而及时性强，分时系统相比较及时性较差。
在可靠性方面，实时系统要求高可靠性而可靠性强，分时系统相比较可靠性较差。
15．是什么原因使操作系统具有异步性特征？
在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，但由于资源数量有限而每个进程在运行中需要竞争资源，导致进程的执行并非“一气呵成”，而是以“走走停停”的方式运行，即进程是以异步方式运行的。
主存中的每个进程在何时执行，何时暂停，以怎样的速度向前推进，每道程序总共需多少时间才能完成，都是不可预知的。
很可能是先进入主存的作业后完成，而后进入主存的作业先完成。
16．试说明网络操作系统的主要功能。
网络环境下的操作系统既要为本机用户提供简便、有效地使用网络资源的手段，又要为网络用户使用本机资源提供服务。
为此，网络操作系统除了具备一般操作系统应具有的处理器管理、存储区管理、设备管理，文件管理等功能模块之外，还要增加网络功能模块，主要应具有下述五方面的功能：
（1）网络通信
这是网络最基本的功能，其任务是在源主机和目标主机之间实现无差错的数据传输。
（2）网络资源管理
对网络中的共享资源（硬件与软件）实施有效的管理，协调各用户对共享资源的使用，保证数据的安全性和一致性。
（3）网络服务
这是在前两个功能的基础上，为了方便用户而直接向用户提供的多种有效服务。
例如：
电子邮件服务、共享打印服务、共享硬盘服务等。
（4）网络管理
网络管理最基本的任务是安全管理。
比如，通过“存取控制”来确保存取数据的安全性；通过“容错技术”来保证系统故障时数据的安全性。
此外，还应能对网络性能进行监视，对使用情况进行统计，以便为提高网络性能、进行网络维护和记帐等提供必要的信息。
（5）互操作能力
在90年代后推出的网络操作系统，提供了一定范围的互操作能力。
所谓互操作，在客户/服务器模式的局域网环境下，是指连接在服务器上的多种客户机和主机，不仅能与服务器通信，而且还能以透明的方式访问服务器上的文件系统；而在互连网络环境下的互操作，是指不同网络间的客户机不仅能通信，而且也能以透明的方式，访问其它网络中的文件服务器。
17．试比较网络操作系统与分布式操作系统。
计算机网络是通过通信设施将物理上分散的、具有自治功能的多个计算机系统互连起来的，实现信息交换、资源共享、可互操作和协作处理的系统。
在计算机网络中，每个主机都有操作系统，它为用户程序运行提供服务。
当某一主机联网使用时，该系统就要同网络中更多的系统和用户交往，这个操作系统的功能就要扩充，以适应网络环境的需要。
网络操作系统既要为本机用户提供简便、有效地使用网络资源的手段，又要为网络用户使用本机资源提供服务。
为此，网络操作系统除了具备一般操作系统应具有的功能模块之外，还要增加网络功能模块，主要应具有网络通信、网络资源管理、网络服务、.网络管理、互操作能力等。
一个分布式系统就是通过网络连接的若干计算机的集合。
这些计算机都有自己的局部存贮器和外部设备。
它们既可以独立工作（自治性），亦可合作工作。
在这个系统中各计算机可以并行操作且有多个控制中心，即具有并行处理和分布控制的功能。
分布式系统是一个一体化的系统，在整个系统中有一个全局的操作系统称为分布式操作系统，它负责全系统的资源分配和调度、任务划分、信息传输、控制协调等工作，并为用户提供一个统一的界面、标准的接口。
用户通过这一界面实现所需的操作和使用系统资源。
至于操作定在哪一台计算机上执行或使用哪台计算机的资源则是系统的事，用户是不用知道的，也就是说系统对用户是透明的。
习题二
1．解释程序的顺序执行和并发执行。
程序是指令的有序集合，是一个在时间上按严格次序前后相继的操作序列，仅当前一操作执行完后，才能执行后继操作。
程序体现了编程人员要求计算机完成的功能所应该采取的顺序步骤。
程序的顺序执行具有顺序性、封闭性、可再现性特点，其执行结果与它的执行速度无关（即与时间无关），而只与初始条件有关。
只要给定相同的输入条件，程序重复执行一定会得到相同的结果。
并发执行是为了增强计算机系统的处理能力和提高资源利用率所采取的一种同时操作技术。
程序的并发执行是一组在逻辑上互相独立的程序或程序段在执行过程中其执行时间在客观上互相重叠，即一个程序段的执行尚未结束，另一个程序段的执行已经开始的执行方式。
2．程序并发执行为什么会产生间断性？
程序并发执行为何会失去封闭性和可再现性？
程序在并发执行时，由于它们共享资源或为完成同一项任务而相互合作，致使在并发程序之间形成了相互制约的关系。
一旦使某程序暂停的因素消失，则程序便可恢复执行。
简言之，相互制约将导致并发程序具有“执行——暂停——执行”这种间断性的活动规律。
程序在并发执行时，多个程序共享系统中的各种资源，因此这些资源的状态将由多个程序来改变，致使程序的运行已失去了封闭性。
这样，某程序在执行时，必然会受到其它程序的影响。
例如，当处理器资源被其它程序占有时，某程序必须等待。
程序在并发执行时，由于失去了封闭性，其执行结果已与并发程序的执行速度有关，从而使程序失去了可再现性，亦即，程序经过多次执行后，虽然其执行时的环境和初始条件都相同，但得到的结果却可能各不相同。
3．何谓进程？
它有哪些基本状态？
列举使进程状态发生变化的事件。
进程是可并发执行的程序在一个数据集上的一次执行过程，它是系统进行资源分配的基本单位。
进程有就绪、执行、等待三个基本状态。
例如，处于就绪状态的进程，当进程调度程序为之分配了处理器后，该进程便由就绪状态转换为执行状态。
正在执行的进程因访问I/O设备而无法继续执行时，就释放处理器转换为等待状态。
因访问I/O设备正在等待的进程在访问I/O设备结束后，就由等待状态转换为就绪状态。
正在执行的进程，如因时间片用完而被暂停执行，该进程便由执行状态转变为就绪状态。
4．试比较进程和程序的区别。
程序是指令的有序集合，是一个在时间上按严格次序前后相继的操作序列，仅当前一操作执行完后，才能执行后继操作，它是一个静态的概念
进程是可并发执行的程序在一个数据集上的一次执行过程，它是系统进行资源分配的基本单位。
进程和程序是两个截然不同的概念。
进程具有以下五个基本特征：
（1）动态性
进程既然是进程实体的执行过程，因此，动态性是进程最基本的特性。
其表现为：
“它由创建而产生，由调度而执行，因得不到资源而暂停执行，以及由撤销而消亡”。
可见，进程有一定的生命期。
而程序只是一组有序指令的集合，并存放在某种介质上，本身并无运动的含义，因此，程序是个静态实体。
（2）并发性
并发性是指多个进程实体，同存于主存中，能在一段时间内同时运行。
并发性是进程的重要特征，同时也成为操作系统的重要特征。
引入进程的目的也正是为了使其程序能和其它进程的程序并发执行，而程序是不能并发执行的。
（3）独立性
独立性是指进程实体是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统中独立获得资源和独立调度的基本单位。
凡未建立进程的程序，都不能作为一个独立的单位参加运行。
进程与程序并非是一一对应的，一个程序运行在不同的数据集上就构成不同的进程。
（4）异步性
这是指进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进；或者说，进程按异步方式运行。
正是这一特征，将导致程序执行的不可再现性。
因此，在操作系统中必须采取某种措施来保证各程序之间能协调运行。
（5）结构特征
从结构上看，进程实体是由程序段、数据段及进程控制块三部分组成，有人把这三部分统称为“进程映像”。
5．试说明PCB的作用？
为什么说PCB是进程存在的唯一标志？
每一个进程都有一个也只有一个进程控制块（ProcessControlBlock,简称PCB），进程控制块是操作系统用于记录和刻画进程状态及有关信息的数据结构，也是操作系统控制和管理进程的主要依据，它包括了进程执行时的情况，以及进程让出处理器后所处的状态、断点等信息。
进程控制块的作用，是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序（含数据），成为一个能独立运行的基本单位，一个能与其它进程并发执行的进程。
在进程的整个生命周期中，系统总是通过其PCB对进程进行控制和管理的，亦即，系统是根据进程的PCB而不是任何别的什么而感知到该进程的存在的，所以说，PCB是进程存在的唯一标志。
6．在进行进程切换时，所要保存的处理器状态信息主要有哪些？
当进程由于某种原因让出处理器时，把与处理器有关的各种现场信息保留下来，以便该进程在重新获得处理器后能把保留的现场信息重新置入处理器的相关寄存器中继续执行。
通常被保留的现场信息有通用寄存器内容、控制寄存器内容以及程序状态字寄存器内容等。
7．试说明引起进程创建的主要事件。
进程控制的基本功能之一是能创建各种新的进程，这些新进程是一个与现有进程不同的实体。
例如，在系统生成时，要创建一些必需的、承担系统资源分配和管理工作的系统进程；对于用户作业，每当调入系统时，由操作系统的作业调度程序为它创建相应的进程；在层次结构的系统中，允许一个进程创建一些新进程，以完成一些可以并行的工作。
8．试说明引起进程撤销的主要事件。
进程控制的基本功能之一是能撤销进程。
一个进程可能因为它完成了所指派的工作而正常终止需撤销，或由于一个错误而非正常终止需撤销；一个进程也可能由于其祖先进程的要求被终止需撤销。
当一个进程要撤销其它进程时可采用不同的方式，既可撤销具有指定标识符的进程，又可撤销一个优先级中的所有进程。
当一个进程被撤销时，它必须从系统队列中移出，释放并归还所有系统资源，同时还要审查该进程是否有子孙进程，若有的话一起予以撤销。
9．试说明引起进程阻塞或唤醒的主要事件是什么？
有了创建原语和撤销原语，虽然进程可以从无到有、从存在到消亡而变化，但还不能完成进程各种状态之间的转换。
例如，由“执行”转换为“等待”，由“等待”转换为“就绪”，需要通过使用“阻塞原语”和“唤醒原语”来实现。
（1）进程阻塞
当一个进程在执行过程中出现等待事件时，该进程调用阻塞原语将自己阻塞。
即由于进程正处于执行状态，故应中断处理器，把CPU现场送至该进程的现场保护区，置该进程的状态为“等待”，并插入到相应的等待队列中，然后转进程调度程序，另选一个进程投入运行。
（2）进程唤醒
进程由执行转换为等待状态是由于进程发生了等待事件，所以处于等待状态的进程是绝对不可能唤醒自己。
比如，某进程正在等待输入输出操作完成或等待别的进程发消息给它，只有当该进程所期待的事件出现时，才由“发现者”进程用唤醒原语叫醒它。
一般说来，发现者进程和被唤醒进程是合作的并发进程。
10．在创建一个进程时，需完成的主要工作是什么？
在创建一个进程时，需完成的主要工作是给定一个指定进程标识符，形成该进程的PCB并放入系统队列中。
所以，调用者必须提供形成PCB的有关参数，以便在创建时填入。
对于较复杂的PCB结构，还需提供资源清单等。
11．在撤销一个进程时，需完成的主要工作是什么？
在撤销一个进程时，需完成的主要工作是必须把该进程的PCB从系统队列中移出，释放并归还所有系统资源，同时还要审查该进程是否有子孙进程，若有的话一起予以撤销。
12．在单处理器的计算机系统中，采用多道程序设计技术后，处于执行状态的进程可以有几个？
为什么？
在单处理器的计算机系统中，采用多道程序设计技术后，处于执行状态的进程只能有一个？
因为在单处理器的计算机系统中，CPU只有一个，每时刻占有CPU的进程只有一个，故处于执行状态的进程只能有一个。
13．进程调度的功能有哪些？
（1）记录系统中所有进程的执行情况
作为进程调度的准备，进程管理模块必须将系统中各进程的执行情况和状态特征记录在各进程的进程控制块中。
并且，根据各进程的状态特征和资源需求等，进程管理模块还将各进程的进程控制块排成相应的队列并进行动态队列转换。
进程调度模块通过进程控制块的变化来掌握系统中存在的所有进程的执行情况和状态特征，并在适当的时机从就绪队列中选择出一个进程占有处理器。
（2）选择占有处理器的进程
进程调度的主要功能是按照一定的策略选择一个处于就绪状态的进程，使其获得处理器执行。
根据不同的系统设计目的，有各种各样的选择策略，这些选择策略决定了调度算法的性能。
（3）把处理器分配给进程，即进行进程上下文切换
把选中进程的进程控制块内有关现场的信息如程序状态字、通用寄存器等内容送入处理器相应的寄存器，从而让它占用处理器运行。
当进行上下文切换时，系统要首先检查是否允许做上下文切换（在有些情况下，上下文切换是不允许的，例如系统正在执行某个不允许中断的原语时）。
然后，系统要保留有关被切换进程的足够信息，便于以后切换回该进程时，顺利恢复该进程的执行。
在系统保留了CPU现场之后，调度程序选择一个新的处于就绪状态的进程，并装配该进程的信息，使CPU的控制权掌握在被选中进程手中。
（4）收回处理器
将处理器有关寄存器内容送入该进程的进程控制块内的相应单元，从而使进程让出处理器。
14．进程调度的时机有哪几种？
（1）正在执行的进程执行完毕。
这时，如果不选择新的就绪进程执行，将浪费处理器资源。
（2）执行中的进程自己调用阻塞原语将自己阻塞起来进入等待状态。
（3）执行中的进程调用了P原语操作，从而因资源不足而被阻塞；或调用了V原语操作激活了等待资源的进程队列。
（4）执行中的进程提出I/O请求后被阻塞。
（5）在分时系统中时间片已经用完。
（6）在执行完系统调用等系统程序后返回用户进程时，这时可看作系统进程执行完毕，从而可调度选择一新的用户进程执行
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