澳门新葡亰网址下载在 NodeJS 中体验 WebAssembly技术

by admin on 2020年2月29日

根据定期抓取流行网站网页的 HTTPArchive
的统计,平均一个网页需要 350KB 的 JavaScript
代码,有十分之一的网页包含了 1MB 大小的 JS 代码。浏览器的 JS
引擎在传输完成之后需要检查代码的语法错误并进行编译,1 MB 的 JS
文件在高端移动设备上需要花费 100
毫秒的时间,在普通手机上需要花超过一秒钟时间。

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针对上述情况,主要浏览器开发商已经提出了加快 JS 解析的方案,例如
WebAssembly,但并不容易实现。因此 Mozilla、Cloudflare 和 Facebook
等提出了另一个更方便的方案
—— BinaryAST,旨在保留
JavaScript 原始语义的情况下加快解析。

你听说过 WebAssembly 吗?这是由 Google , Microsoft , Mozilla , Apple 等几家大公司合作发起的一个关于 面向Web的通用二进制和文本格式 的项目。
现在就让我们来看看WebAssembly到底是个啥?为什么它的出现和未来的发展跟我们每个人都息息相关,即使你并不是一个程序猿/媛~

在建立那些严重依赖于JavaScript网站的时候,有时我们会为自己发送的内容付出一些隐形的成本。在本篇文章中,我会介绍一些可以帮助你提升网站在移动设备上加载和运行速度的实用规则。

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至少在某种程度上,它将改变Web生态。

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tl;dr:更少的代码 = 更少的解析/编译 (parse/compile)+ 更少的传送 +
更少的解压缩

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JavaScript–Web世界的汇编语言

我们有许多面向Web应用的开发规范,这些设计优良的规范让Web开发者们的工作变得更加的简单。我们很难想象自己所创建和网站或应用没有任何规则、编程语言、框架和开发理念可以遵循。

而将所有这些事情组合到一起的Web规范有一个众所周知的名字: JavaScript !

JavaScript基本上已经成为了Web平台的标准开发语言。而随着越来越多的软件成为了Web应用,JavaScript更是获得了极大的发展。

但在过去几年,我们看到越来越多的项目问世,它们试图通过开发编译程序,将其他语言代码转化为
JavaScript,以此让开发者克服
JavaScript自身存在的一些短板。其中一些项目专注于给编程语言增加新的功能,比如微软的 TypeScript 和Google的 Dart ,或是加快
JavaScript的执行速度,例如 Mozilla 的 asm.js 项目和Google的 PNaCI 。

在默认环境下,JavaScript文档其实就是简单的文本文件,先是从服务器下载,然后由浏览器中的
JavaScript引擎解析并编译。用户可以通过Ajax技术在浏览网页时与服务器进行通信。

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在浏览器端目前是使用JavaScript来实现与用户进行动态交互等功能,虽然很多JavaScript框架都致力于性能优化,但是一套基于字节码的系统仍然会有更快更好的性能表现。

网络

△ JavaScript 速度测试 / img source:BinaryAST

所以,WebAssembly到底是个什么鬼?

WebAssembly是一种新的字节码格式。它的缩写是”.wasm”, .wasm 为文件名后缀,是一种新的底层安全的二进制语法。。它被定义为“精简、加载时间短的格式和执行模型”,并且被设计为Web
多编程语言目标文件格式。
这意味着浏览器端的性能会得到极大提升,它也使得我们能够实现一个底层构建模块的集合,例如,强类型和块级作用域。(原文: And it gives us access to a set of low level building blocks, such as a range of types and operations. 这句话我实在不知如何翻译。。。)
不过别搞错了,这并不意味着WebAssmbly是为了取代 JavaScript而生哟~
就像Bjarne
Stroustup说的:“JS会活得很好,因为世界上只有两种类型的语言:一类语言被人们不断的地吐槽,而另一类语言压根儿没人用!”而 Eric
Elliott 认为:“最好不要把WebAssembly仅仅当做一门编程语言,实际上它更像是一个编译器。”

大多数开发人员考虑JavaScript成本的时候,考虑的都是下载和执行成本。通过线路发送的JavaScript字节越多,所需时间就越长,用户连接就越慢。

Mozilla 和 CloudFlare 的测试发现,它能将加载时间减少 4% 到
13%,如果能跳过未使用的函数,它可以将加载时间减少最多 98%。Firefox
Nightly 版本是首个支持该二进制格式的浏览器,而 Cloudflare
是首个提供必要的云托管 JS 引擎的 CDN 服务商。

从asm.js到WebAssembly?

澳门新葡亰网址下载,asm.js 是一个JavaScript的一个严格的子集,可以被用来作为一个底层的、高效的编译器目标语言。asm.js提供了一个类似于C/C++虚拟机的抽象实现,包括一个可有效负载和存储的大型二进制堆、整型和浮点运算、高阶函数定义、函数指针等。

asm.js的思想是使用它所规定的方法来编写JavaScript代码,支持asm.js的引擎会将代码转变为十分高效的机器码。如果你是将C++代码编译为asm.js,将在浏览器端获得极大的性能提升。澳门新葡亰网址下载 6webassembly相较于asm.js的优势主要是涉及到性能方面。根据 WebAssembly
FAQ 的描述:在移动设备上,对于很大的代码库,asm.js仅仅解析就需要花费20-40秒,而 实验 显示WebAssembly的加载速度比asm.js快了20倍,这主要是因为相比解析
asm.js 代码,JavaScript引擎破译二进制格式的速度要快得多。

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这玩意儿到底好在哪?

你很可能会问:“为啥所有人都在谈论WebAssembly?”这是因为WebAssembly对于JS来说绝对是一个巨大的改进,但我们常常会问自己:“这样,就够了吗?”当然不是,WebAssembly对于浏览器来说也有着非同一般的意义。
支持WebAssembly的浏览器可以识别二进制格式的文本,它有能力编译比JS文本小得多的二进制包。
这将给web应用带来类似与本地应用的性能体验!这四不四听起来很棒啊?!如果浏览器不得不解析完整的JS代码,这将会耗去好多时间(特别是在移动平台上),而浏览器对WebAssembly格式的解码速度显然要快得多得多得多:)
下面献上JS作者BE大神的演讲视频地址(油管,需翻墙): Brendan Eich on
JavaScript Taking Both the High and Low Roads – O’Reilly Fluent 2014

即使是在发达国家,这也可能是一个问题,因为用户实际上用的有效网络连接类型可能并不是3G、4G或者Wifi。表面上你可能连的是咖啡店的Wifi,但实际上连到的是只有2G速度的蜂窝热点。

△ 在 FIrefox 中启用 BinaryAST

都有谁入了WebAssembly的坑?

包括Google,
Microsoft,Mozilla只是这一长串名单中的少数几家公司。项目带头人们发起了 WebAssembly
Community
Group 这一社区,这个团队的愿景是“在一种新的,轻量的web编码格式的基础上,促进浏览器厂商们的合作.”
不过,WebAssembly项目还只是刚刚启动,虽然它有一个美妙的开头,但在WebAssembly成为一个大众认可的web标准之前,它还有很长的路要走。

你可以通过以下的几种方式来降低JavaScript的网络传输成本:

参考:venturebeat、Solidot、cnBeta

为啥这玩意会影响每一个web开发者

因为webassembly让开发者有能力选择之前那些不能用来开发web应用的语言来进行web开发,或者他们也可以继续使用简单易用的JavaScript! W3C
WebAssembly Community
group给出了一些WebAssembly的用例,它们展示了WebAssembly如何使得web开发者更加轻松的工作:

  • 一些执行效率更高的语言可以被编译成在Web平台上执行的代码。

  • 提供了在浏览器端的开发者工具

  • 更加快捷的企业级应用客户端(例如:数据库)

WebAssembly的用途很多。举几个栗子:WebAssembly可以被嵌入到已经开发好的JavaScript/HTML代码中;或者某款应用的主要框架可以使用
WebAssembly 模块(如动画、可视化和压缩等),而用户界面仍然可以主要使用
JavaScript/HTML语言编写。

  1. 只传送用户需要的代码。可用代码拆分(Code-splitting)。
  2. 优化压缩代码(ES5的Uglify,ES2015的babel-minify或者uglify-es)
  3. 高度压缩(用Brotli~q11,Zopfli或gzip)。Brotli的压缩比优于gzip。它可以帮CertSimple节省17%的压缩JS的字节大小,以及帮LinkedIn减少4%的加载时间。
  4. 移除无用的代码。用 Chrome
    DevTools代码覆盖率功能来查找未使用的JS代码。对于精简代码,可参阅tree-shaking,
    Closure Compiler的高端模式(advanced optimizations)和类似于
    lodash-babel-plugin的微调库插件,或者像Moment.js这类库的Webpack的ContextReplacementPlugin。用babel-preset-env
    &
    browserlist来避免现代浏览器中已有的转译(transpiling)功能。高级开发人员可能会发现仔细分析Webpack打包(bundle)有助于他们识别和调整不必要的依赖关系。
  5. 缓存HTTP代码来减少网络传输量。确定脚本最佳的缓存时间(例如:max-age)和提供验证令牌(Etag)来避免传送无变化的字节。用Service
    Worker缓存一方面可以让应用程序网络更加灵活,另一方面也可以让你能够快速访问像V8代码缓存这样的功能。长期缓存可以去了解下Webpack带哈希值文件名(filename
    hashing)。

精简的代码,更好的性能,更少的bug?

据WebAssembly的开发团队描述,使用WebAssembly意味着更少的原代码。与asm.js相比,它减少了大约25%的代码量。

WebAssembly 作为一个门新的语言,已经得到了许多 Javascript
引擎的支持。WebAssembly的目标是为了让 C 和 C++
这样的编译型语言更容易地在浏览器上运行。而让我感到激动的特性是计算性能和内存操作上的优化,这样让
Javascript
可以实现更为快速的浮点数计算而不用等到 TC39 方案的到来。在这里,借助于
NodeJS 我将会为你展示一些初级的 WebAssembly
示例。并进行一些基本的测试示例来显示其在性能方面的影响作用。

注:文中的所有只在 Node 7.2.1 中进行了测试,并开启了
–expose-wasm参数,其它环境可能无法运行。

通过开启 –expose-wasm参数,在 NodeJS 就可以访问全局对象 Wasm,
通过它可以来创建 WebAssembly 模块。

$ ~/Workspace/node-v7.2.1-linux-x64/bin/node --expose-wasm
> Wasm
{ verifyModule: [Function],
  verifyFunction: [Function],
  instantiateModule: [Function],
  experimentalVersion: 11 }
>

通过 Wasm.instantiateModule() 和 Uint8Array 来创建 WebAssembly 模块。

$ ~/Workspace/node-v7.2.1-linux-x64/bin/node --expose-wasm
> Wasm.instantiateModule(new Uint8Array([0x00, 0x61, 0x73, 0x6d, 0x0b, 0x00, 0x00, 0x00]));
{}
>

为了创建一个最基本的 WebAssembly 模块,你需要传递一组 16进制的数据给
instaniateModule 来得到,如上创建的是一个最小的 WebAssembly
模块,因为每一个 .wasm 文件都必须以这一组16进制数据开始。

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(减少向用户发送JavaScript量的最佳做法。)

两个数字求和

有许多的编译工具可以直接将 C, C++ 和 Rust 代码编译成
WebAssembly,这样我们就不用手写字节码了。也存在一种名为’WebAssembly
AST'(简称wast)的中间代码格式,如下为一个简单的支持两个参数的求和函数
wast 代码。

(module
  (func $addTwo (param i32 i32) (result i32)
    (i32.add
      (get_local 0)
      (get_local 1)))
  (export "addTwo" $addTwo))

你可以使用这个在线工具将 wast 代码转换为 wasm
二进制代码。你也可以直接从这里下载 .wasm源码。

接下来如何用 Node.js 来运行 .wasm 文件呢?为了使用
.wasm文件,你需要通过文件模块将 .wasm 文件转换成 ArrayBuffer 格式。

const fs = require('fs');
const buf = fs.readFileSync('./addTwo.wasm');
const lib = Wasm.instantiateModule(toUint8Array(buf)).exports;

// `Wasm` does **not** understand node buffers, but thankfully a node buffer
// is easy to convert to a native Uint8Array.
function toUint8Array(buf) {
  var u = new Uint8Array(buf.length);
  for (var i = 0; i < buf.length; ++i) {
    u[i] = buf[i];
  }
  return u;
}

console.log(lib.addTwo(2, 2)); // Prints '4'
console.log(lib.addTwo.toString()); // Prints 'function addTwo() { [native code] }'

上面的 addTwo 方法与原生的 Javascript
方法相比,性能如何呢?如下为我们的测试结果:

const fs = require('fs');
const buf = fs.readFileSync('./addTwo.wasm');
const lib = Wasm.instantiateModule(toUint8Array(buf)).exports;

const Benchmark = require('benchmark');

const suite = new Benchmark.Suite;

suite.
  add('wasm', function() {
    lib.addTwo(2, 2);
  }).
  add('js', function() {
    addTwo(2, 2);
  }).
  on('cycle', function(event) {
    console.log(String(event.target));
  }).
  on('complete', function() {
    console.log('Fastest is ' + this.filter('fastest').map('name'));
  }).
  run();

function addTwo(a, b) {
  return a + b;
}

function toUint8Array(buf) {
  var u = new Uint8Array(buf.length);
  for (var i = 0; i < buf.length; ++i) {
    u[i] = buf[i];
  }
  return u;
}

$ ~/Workspace/node-v7.2.1-linux-x64/bin/node --expose-wasm ./addTwo.js
4
wasm x 43,497,742 ops/sec ±0.77% (88 runs sampled)
js x 66,021,200 ops/sec ±1.28% (83 runs sampled)
Fastest is js

解析/编译

阶乘

从上面的例子,我们可以看到 WebAssembly
并没有显示出性能上的优势。接下来我们进行阶乘计算来进一步的测试:

(module
  (func $fac (param i32) (result i32)
    (if (i32.lt_s (get_local 0) (i32.const 1))
      (then (i32.const 1))
      (else
        (i32.mul
          (get_local 0)
          (call $fac
            (i32.sub
              (get_local 0)
              (i32.const 1)))))))
  (export "fac" $fac))

下面是计算 100!的测试比较结果。

const fs = require('fs');
const buf = fs.readFileSync('./factorial.wasm');
const lib = Wasm.instantiateModule(toArrayBuffer(buf)).exports;

const Benchmark = require('benchmark');

const suite = new Benchmark.Suite;

suite.
  add('wasm', function() {
    lib.fac(100);
  }).
  add('js', function() {
    fac(100);
  }).
  on('cycle', function(event) {
    console.log(String(event.target));
  }).
  on('complete', function() {
    console.log('Fastest is ' + this.filter('fastest').map('name'));
  }).
  run();

function fac(n) {
  if (n <= 0) {
    return 1;
  }
  return n * fac(n - 1);
}

function toArrayBuffer(buf) {
  var ab = new ArrayBuffer(buf.length);
  var view = new Uint8Array(ab);
  for (var i = 0; i < buf.length; ++i) {
    view[i] = buf[i];
  }
  return ab;
}

$ ~/Workspace/node-v7.2.1-linux-x64/bin/node --expose-wasm ./factorial.js
wasm x 2,484,967 ops/sec ±2.09% (87 runs sampled)
js x 1,088,426 ops/sec ±2.63% (80 runs sampled)
Fastest is wasm

这里我们可以看到,因为计算的复杂度上升,wasm 的优势就显示出来了。

下载成功后,JavaScript**绝大部分的时间都消耗在JS引擎对下载代码的解析/编译**上。在Chrome
DevTools中,解析和编译是下面性能面板(Performance
panel)中黄色“脚本”时间的一部分。

下一步?

从上面的测试例子可以看到通过 WebAssembly
可以很好的优化JS代码,不过这里的测试例子还比较简单,不能覆盖很多的情况,同时
WebAssembly 还并没有推出稳定版本,所以不要莽撞的在应用中使用
WebAssembly。但是我们可以提前试用一下,尤其已经可以在NodeJS中试用了。

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Bottom-Up/Call Tree允许我们去确切地查看解析/编译所用时间:

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(Chrome DevTools性能面板下级菜单>Bottom-U。启动V8的Runtime Call
Stats,就能看到不同阶段的时间消耗,比如解析/编译所用时间。)

但是,这为什么会是个问题?

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耗费很长的时间在解析/编译代码上,会严重延迟用户与你网站的交互时间。你发送的JavaScript越多,在网站实现交互前所用的解析/编译的时间就会越长。

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即使是同样多的字节,浏览器处理JavaScript也会比处理等大小的图片和网页字体消耗更高的成本——Tom
Dale

相比于JavaScript,处理等字节的图片所需要的时间成本很高(因为图片仍需要解码!)但是在一般的移动设备上,反而是JS更有可能对页面的交互产生负面的影响。

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(JavaScript字节和图像字节耗费的时间成本不同。图像通常不会阻塞主线程,也不会在解码和光栅化的时候阻止接口进行交互。然而JS会因为解析、编译和执行的时间消耗阻滞交互性。)

当我们说解析和编译的速度变慢的时候,要注意具体的网络端和设备端的情况,在这里我们针对的是普通手机。普通用户所使用手机的CPU和GPU速度比较慢,没有L2/L3缓存,甚至可能会有内存限制。

网络功能和设备功能并不总是相匹配的。有速度惊人的光纤连接的用户不一定会有最好的CPU来解析和评估发送到他们的设备的JavaScript。反过来也是如此…你可能有糟糕的网络连接,但却有快速的CPU。
– Kristofer Baxter,LinkedIn

在JavaScript Start-up
Performance一文中,我曾提到过在低端和高端硬件上解析~1MB解压缩过(简单)的JavaScript所需要消耗的时间。市面上的普通手机和运行速度最快的手机相比,解析/编译代码的所用的时间会有2-5倍的差距。

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(在不同级别的台式和移动设备上解析1MB的JavaScript包(经gzip压缩,大小约为250KB
)。当分析解析成本时,我们需要考虑的是解压后的数据量,例如〜250KBgzip压缩过的JS解压缩后约为〜1MB的代码。)

那解析/编译真实网站的时间差异又会是怎样呢,比如CNN.com网站?

在高端的iPhone 8上解析/编译CNN网站的JS大约花费了4秒,相比于普通手机(Moto
G4)的13秒左右。这可以显著地影响用户与CNN网站实现完全交互的速度。

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(苹果公司的A11仿生芯片和更普通的Android硬件中的Snapdragon
617的解析时间上的性能比较

这就突出了在普通硬件(比如Moto
G4)上测试的重要性,而不仅仅是在自己恰好有的手机上测试。基于自己客户原有的设备和网络条件来进行优化是很重要的。

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分析可以使你更加深入了解自己真实客户访问网站所用的移动设备的级别和这些设备CPU/GPU的局限性。

我们真的发送了太多的JavaScript了吗?呃…真有可能:)

用HTTP
Archive(qian500K站点)来分析移动设备上JavaScript的状态时,我们可以看到,50%的站点需要14秒才能取得交互。这些网站光是用来解析和编译JS的时间就长达4秒。

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考虑到获取和处理JS和其他资源所耗费的时间,也就不奇怪用户可能需要在页面可用之前等待一段时间了。我们绝对可以在这个方面做的更好。

从网页中删除不必要的JavaScript可以减少传输时间、CPU密集型解析和编译以及潜在的内存消耗,同时也有助于加快网页的交互速度。

执行时间

不光是解析和编译会有时间成本。执行JavaScript(在解析/编译之后运行代码)也是需要在主线程上进行的操作之一。长的执行时间也会延迟用户与你网站的交互时间。

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如果脚本执行的时间超过了50ms,那么延迟交互的时间将会是下载、编译和执行JS所需时间的总和——Alex
Russell

为了解决这个问题,可以将JavaScript脚本分为几个小块来执行,以避免锁定主线程。探索一下是否可以减少脚本执行过程中进行中工作量的可能性。

减少JavaScript交付成本的模式

当你试图降低JavaScript解析/编译和网络传输所用时间时,类似于基于路由分块和PRPL这些模式也会有用。

PRPL是一种通过激进的(aggresive)代码分割和缓存来优化交互性的模式:

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为了能将PRPL的影响以视觉化方式表现出来。

我们用V8引擎中的Runtime Call Stats分析了流行移动网站和progressive Web
Apps(PWA)的加载时间。正如我们所看到的,解析部分(用橙色表示)是很多网站页面加载时产生显著时间消耗的部分。

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Wego网站就使用了PRPL来保持较低的路由解析时间,让页面交互得以快速的进行。以上的很多站点都试图采用代码分割和性能预算来降低JS的消耗。

JavaScript的其他消耗

JavaScript还可以通过其他方式来影响页面性能:

  • 存储。页面可能会因为垃圾回收(GC,garbage
    colleciton),页面可能会出现画面中断卡顿(junk)和暂停。因为当一个浏览器回收内存的时候,JS的执行也会被中止,所以经常回收垃圾的浏览器会比我们想象中的更频繁地中止JS的执行。在这种情况下,可以通过避免内存溢出和频繁内存回收来保持页面的流畅。
  • 在运行时,长时间的运行JavaScript会阻塞主线程,导致页面没有响应。这种情况下,可以将脚本的工作量分成多个小的板块(具体可用requestAnimationFrame()或者requestIdleCallback()进行任务调度)来执行,以此减少页面响应的问题。

Progressive Bootstrapping

很多网站将优化内容可视性作为保证交互性所需代价的一部分。为了在JavaScript有大体积包体时改善首屏性能,开发人员有时会先用服务器端渲染帮助客户提前看到页面内容,然后再在JavaScript最终执行完成后“升级”附加上事件处理程序。

但是值得注意的是,这样做也是有代价的。你1)通常会发送一个更大的HTML响应来增加交互性,2)在一段时间内,用户会处在一半的页面交互体验缺失的奇怪状况下,直到JavaScript处理完成。

Progressive
Bootstrapping或许会是一个更好的处理方式。浏览器请求一个最少化的功能页面(仅由当前路由所需要的HTML/JS/CSS组成)。当有更多的资源请求的时候,应用程序则可以懒加载(lazy-load)和解锁更多的功能。

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Progressive Bootstrapping visual by Paul Lewis

仅加载可视区域内的代码是其中的关键。PRPL和Progressive
Bootstrapping模式均可以用来实现这一点。

结论

传输脚本的大小对低端网络至关重要,而解析时间对于CPU有局限性的设备很重要。降低传输脚本的大小和减少解析消耗时间是有必要的。

有团队发现采用严格的性能预算可以成功降低他们JavaScript的传输和解析/编译的时间消耗。

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(考虑一下在我们所做的架构决策下,JS有多大的空间可以让我们的应用程序具有逻辑)

如果你正在建一个用于移动设备上的站点,请尽可能的在代表性硬件上开发,保持较低的JavaScript解析/编译的时间成本,并采用性能预算来确保团队对自身JavaScript的成本关注。

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