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【Linux】第二十站：模拟实现shell

news 来源：原创 2024/5/15 23:31:07

文章目录

  • 一、shell的实现细节
    • 1.shell的一些细节
    • 2.用户名、主机名、工作目录
    • 2.输入命令
    • 3.改为循环
    • 4.切割字符串
    • 5.普通命令的执行
    • 6.内建命令的处理
    • 7.子进程的退出码
    • 8.总结
  • 二、模式实现shell完整代码

一、shell的实现细节

1.shell的一些细节

shell操作系统的一个外壳程序。

shell/bash也是一个进程，执行指令的时候，本质就是自己创建子进程执行的！

2.用户名、主机名、工作目录

当我们进入shell的时候，我们知道会出现一个这样的东西

image-20231123160801267

我们先来实现一下它

其实关于这些信息，在我们的环境变量里面刚好就有

image-20231123160923739

所以这里，我们就不用系统调用了，而是通过环境变量来完成

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>#define LEFT "["
#define RIGHT "]"
#define LABLE "#"const char* getusername()
{return getenv("USER");
}
const char* gethostname()
{return getenv("HOSTNAME");
}
const char* getpwd()
{return getenv("PWD");
}
int main()
{printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT LABLE"\n",getusername(),gethostname(),getpwd());return 0;
}

如上代码所示，我们现在就可以简单的实现打开shell时候要输入命令行的界面

运行结果为

image-20231123163010271

不过由于我们后序要输入一个命令，由于输入结束后本身带有换行，所以我们这里可以去掉这个换行

2.输入命令

我们可以先直接加上一个scanf,这样的话它就会去接收命令了

image-20231123163448241

image-20231123163433680

但是这样对吗，我们可以加上一个打印来看看结果

image-20231123163733195

运行结果如下，我们可以看到其实打印结果并非我们的预期

image-20231123163812684

这其实是因为scanf它本身读取到空格就结束了，所以我们需要一次读取一行

在c语言中有一个函数叫做fgets

image-20231123164043048

char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);

这个函数的意思是，从stream这个流中，读取size个字符，放入s中。（s是放在哪里，size是可以访问多少）

如下所示，在这里我们需要注意的是，这里对于27行，我们可以不用对这个大小减一。都是可以的

image-20231123165553240

运行结果为

image-20231123165745667

那么在这里我们有一个问题，这里的s有可能为空吗，即有可能输入失败吗？

在不考虑设备出现问题的情况下，其实是不可能的，即便我们什么都不输入，它也会由于我们按了\n而将这个字符给输入进去。

而且我们发现我们在打印的时候，多了一个空行，这个空行其实就是因为我们输入了这个\n字符所导致的，所以我们可以进行一次调整

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<string.h>#define LEFT "["
#define RIGHT "]"
#define LABLE "#"#define LINE_SIZE 1024
char commandline[LINE_SIZE];const char* getusername()
{return getenv("USER");
}
const char* gethostname()
{return getenv("HOSTNAME");
}
const char* getpwd()
{return getenv("PWD");
}
int main()
{printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT LABLE" ",getusername(),gethostname(),getpwd());char* s = fgets(commandline,sizeof(commandline),stdin);assert(s);commandline[strlen(commandline) - 1] = '\0';if(s)printf("echo : %s",commandline);return 0;
}

运行结果为

image-20231123182157106

为了方便，我们可以将对应的代码给写为一个函数

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<string.h>#define LEFT "["
#define RIGHT "]"
#define LABLE "#"#define LINE_SIZE 1024
char commandline[LINE_SIZE];const char* getusername()
{return getenv("USER");
}
const char* gethostname()
{return getenv("HOSTNAME");
}
const char* getpwd()
{return getenv("PWD");
}void Interact(char* cline,int size)
{printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT LABLE" ",getusername(),gethostname(),getpwd());char* s = fgets(cline,size,stdin);(void)s;assert(s);commandline[strlen(cline) - 1] = '\0';
}
int main()
{Interact(commandline,sizeof(commandline));printf("echo : %s",commandline);return 0;
}

然后运行结果为

image-20231123183907749

3.改为循环

我们的前面的代码还有的缺陷就是只能用一次，所以我们不妨直接将其改为一个循环结构

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<string.h>#define LEFT "["
#define RIGHT "]"
#define LABLE "#"#define LINE_SIZE 1024
char commandline[LINE_SIZE];const char* getusername()
{return getenv("USER");
}
const char* gethostname()
{return getenv("HOSTNAME");
}
const char* getpwd()
{return getenv("PWD");
}void Interact(char* cline,int size)
{printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT LABLE" ",getusername(),gethostname(),getpwd());char* s = fgets(cline,size,stdin);(void)s;assert(s);commandline[strlen(cline) - 1] = '\0';
}
int main()
{int quit = 0;while(!quit){Interact(commandline,sizeof(commandline));printf("echo : %s\n",commandline);}return 0;
}

这样的话，看起来就已经像回事了

image-20231123184505350

4.切割字符串

为了分析这个指令，我们首先要做的就是先将字符串给切割出来。放到一个数组里面去

于是我们可以利用这个函数

 char *strtok(char *str, const char *delim);

第一个参数是待分割的字符串，第二个参数是分割的字符

这个函数每调用一次，便会截取一次字符串。具体操作方法，可见下文

字符串函数详解

最终代码如下所示

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<string.h>#define LEFT "["
#define RIGHT "]"
#define LABLE "#"
#define DELIM " \t"
#define LINE_SIZE 1024
#define ARGC_SIZE 32char commandline[LINE_SIZE];const char* getusername()
{return getenv("USER");
}
const char* gethostname()
{return getenv("HOSTNAME");
}
const char* getpwd()
{return getenv("PWD");
}void Interact(char* cline,int size)
{printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT LABLE" ",getusername(),gethostname(),getpwd());char* s = fgets(cline,size,stdin);(void)s;assert(s);commandline[strlen(cline) - 1] = '\0';
}
int splitstring(char* argv[])
{int i = 0;argv[i++] = strtok(commandline,DELIM);while(argv[i++] = strtok(NULL,DELIM));return i - 1;
}
int main()
{char* argv[ARGC_SIZE] = {NULL};int quit = 0;while(!quit){Interact(commandline,sizeof(commandline));int argc = splitstring(argv);if(argc == 0) continue;//测试分割for(int i = 0; argv[i]; i++){printf("[%d] : %s\n",i,argv[i]);}}return 0;
}

运行结果为

image-20231123193949608

5.普通命令的执行

由于我们的命令分为内建命令和普通命令。这里我们先考虑普通命令

对于普通命令，我们的基本思路是创建一个子进程，然后通过程序替换来实现。

这里的程序替换根据我们已有的条件最好选择时候execvp/execvpe。环境变量可带可不带，但是v和p一定要带上，因为我们需要从PATH环境变量中去找指令且我们已经有了一个数组了，所以使用v形式更加方便

如下所示，我们就可以实现一个简单的普通命令的执行了

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>#define LEFT "["
#define RIGHT "]"
#define LABLE "#"
#define DELIM " \t"
#define LINE_SIZE 1024
#define ARGC_SIZE 32
#define EXIT_CODE 44char commandline[LINE_SIZE];const char* getusername()
{return getenv("USER");
}
const char* gethostname()
{return getenv("HOSTNAME");
}
const char* getpwd()
{return getenv("PWD");
}void Interact(char* cline,int size)
{printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT LABLE" ",getusername(),gethostname(),getpwd());char* s = fgets(cline,size,stdin);(void)s;assert(s);commandline[strlen(cline) - 1] = '\0';
}
int splitstring(char* argv[])
{int i = 0;argv[i++] = strtok(commandline,DELIM);while(argv[i++] = strtok(NULL,DELIM));return i - 1;
}
int main()
{extern char** environ;char* argv[ARGC_SIZE] = {NULL};int quit = 0;while(!quit){//2.交互问题，解决命令行Interact(commandline,sizeof(commandline));//3.子串分割问题，解析命令行int argc = splitstring(argv);if(argc == 0) continue;//  for(int i = 0; argv[i]; i++)//  {//      printf("[%d] : %s\n",i,argv[i]);//  }//4.指令的判断(内建命令和普通命令)//5.普通命令的执行pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");}else if (id == 0){//子进程执行命令execvpe(argv[0],argv,environ);exit(EXIT_CODE);}else{int status = 0;pid_t rid = waitpid(id,&status,0);if(rid == id){}}}return 0;
}

我们可以简单的使用一下

image-20231123202524230

我们发现这些命令都可以正常的使用。

不过相比原本的shell还是有一些区别的，比如说，我们的shell中像目录文件，可执行程序没有颜色。ll指令还没有办法解析（因为没有支持改名）等问题。

而且还有当我们想要使用内建命令的时候，是没有任何效果的

image-20231123202902572

因为这是子进程在跑这个命令，最后变化的都是子进程的目录等，最后子进程退出了。所以最终就没有任何变化。

我们现在可以将普通指令的执行给封装为一个函数，如下所示

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>#define LEFT "["
#define RIGHT "]"
#define LABLE "#"
#define DELIM " \t"
#define LINE_SIZE 1024
#define ARGC_SIZE 32
#define EXIT_CODE 44char commandline[LINE_SIZE];
char* argv[ARGC_SIZE] = {NULL};
extern char** environ;
int last_code = 0;
int quit = 0;const char* getusername()
{return getenv("USER");
}
const char* gethostname()
{return getenv("HOSTNAME");
}
const char* getpwd()
{return getenv("PWD");
}void Interact(char* cline,int size)
{printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT LABLE" ",getusername(),gethostname(),getpwd());char* s = fgets(cline,size,stdin);(void)s;assert(s);commandline[strlen(cline) - 1] = '\0';
}
int splitstring(char cline[],char* _argv[])
{int i = 0;_argv[i++] = strtok(cline,DELIM);while(_argv[i++] = strtok(NULL,DELIM));return i - 1;
}void NormalExcute(char* _argv[])
{pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return;}else if (id == 0){//子进程执行命令execvpe(_argv[0],_argv,environ);exit(EXIT_CODE);}else{int status = 0;pid_t rid = waitpid(id,&status,0);if(rid == id){last_code = WEXITSTATUS(status);}}
}
int main()
{while(!quit){//2.交互问题，解决命令行Interact(commandline,sizeof(commandline));//3.子串分割问题，解析命令行int argc = splitstring(commandline,argv);if(argc == 0) continue;//4.指令的判断(内建命令和普通命令)//5.普通命令的执行NormalExcute(argv);}return 0;
}

6.内建命令的处理

对于内建命令，我们则是直接判断即可

比如下面

image-20231124142115463

运行结果最终为，我们可以发现确实更改当前目录了

image-20231124142232901

不过我们会发现，这个前面字符串的显示还是存在一些问题的

这是因为我们当前所使用的是环境变量的方式，我们可以去sprintf函数去修改环境变量。不过这样有很多比较麻烦的事情

最简单的方式是，我们不用环境变量来获取当前工作目录了，我们可以直接用getcwd这个函数来使用，它可以获得当前的工作目录。放入一个数组中。

image-20231124143809245

如下代码所示，完成了cd的内建命令，并且我们实现了ls在显示时候的颜色输出。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>#define LEFT "["
#define RIGHT "]"
#define LABLE "#"
#define DELIM " \t"
#define LINE_SIZE 1024
#define ARGC_SIZE 32
#define EXIT_CODE 44char commandline[LINE_SIZE];
char* argv[ARGC_SIZE] = {NULL};
extern char** environ;
int last_code = 0;
int quit = 0;
char pwd[LINE_SIZE];
const char* getusername()
{return getenv("USER");
}
const char* gethostname()
{return getenv("HOSTNAME");
}
void getpwd()
{getcwd(pwd,sizeof(pwd));
}void Interact(char* cline,int size)
{getpwd();printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT""LABLE" ",getusername(),gethostname(),pwd);char* s = fgets(cline,size,stdin);(void)s;assert(s);commandline[strlen(cline) - 1] = '\0';
}
int splitstring(char cline[],char* _argv[])
{if(strcmp(cline,"") == 0) return 0;int i = 0;_argv[i++] = strtok(cline,DELIM);while(_argv[i++] = strtok(NULL,DELIM));return i - 1;
}void NormalExcute(char* _argv[])
{pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return;}else if (id == 0){//子进程执行命令execvpe(_argv[0],_argv,environ);exit(EXIT_CODE);}else{int status = 0;pid_t rid = waitpid(id,&status,0);if(rid == id){last_code = WEXITSTATUS(status);}}
}
int BuildCommand(char* _argv[],int _argc)
{if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0],"cd") == 0){chdir(_argv[1]);getpwd();sprintf(getenv("PWD"),"%s",pwd);return 1;}if(_argc > 0 && strcmp(_argv[0],"ls") == 0){_argv[_argc++] = "--color";_argv[_argc] = NULL;}return 0;
}
int main()
{while(!quit){//2.交互问题，解决命令行Interact(commandline,sizeof(commandline));//3.子串分割问题，解析命令行int argc = splitstring(commandline,argv);if(argc == 0) continue;        //4.指令的判断(内建命令和普通命令)int n = BuildCommand(argv,argc);//5.普通命令的执行if(!n) NormalExcute(argv);}return 0;
}

我们再来实现一下其他的内建命令，比如echo命令，如果我们直接使用的话，相当于是调用了子进程中的echo命令，它会出现这样的问题，无论我们输入什么，最终也依然输出什么

image-20231124164608751

而且如果我们导入环境变量的时候，直接使用export也是不可以的

image-20231124170820416

因为这是创建了子进程才导入的，我们不希望创建子进程，所以就需要内建命令

直接在这里putenv即可

image-20231124171038176

这样的话，就有了这个环境变量了

image-20231124171258629

不过上面的其实还存在很多问题

因为如果我们再次使用一下export的话，我们会发现原来加入的环境变量消失了

image-20231124173731157

这其实是因为我们前面的代码是将_argv中的内容直接导入到了环境变量中。这里的导入不是说拷贝一份。而是将这个地址写入到了环境变量所对应的空间中。而我们后面再次导入的时候已经将这块的内容修改了。所以说原来的就不见了。总之环境变量表保存的不是字符串，而是地址。

所以我们需要专门开辟一块空间用来存储环境变量

image-20231124180738933

然后我们最后将echo给实现一下即可。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>#define LEFT "["
#define RIGHT "]"
#define LABLE "#"
#define DELIM " \t"
#define LINE_SIZE 1024
#define ARGC_SIZE 32
#define EXIT_CODE 44char commandline[LINE_SIZE];
char* argv[ARGC_SIZE] = {NULL};
extern char** environ;
int last_code = 0;
int quit = 0;
char pwd[LINE_SIZE];
char myenv[LINE_SIZE];const char* getusername()
{return getenv("USER");
}
const char* gethostname()
{return getenv("HOSTNAME");
}
void getpwd()
{getcwd(pwd,sizeof(pwd));
}void Interact(char* cline,int size)
{getpwd();printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT""LABLE" ",getusername(),gethostname(),pwd);char* s = fgets(cline,size,stdin);(void)s;assert(s);commandline[strlen(cline) - 1] = '\0';
}
int splitstring(char cline[],char* _argv[])
{if(strcmp(cline,"") == 0) return 0;int i = 0;_argv[i++] = strtok(cline,DELIM);while(_argv[i++] = strtok(NULL,DELIM));return i - 1;
}void NormalExcute(char* _argv[])
{pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return;}else if (id == 0){//子进程执行命令execvpe(_argv[0],_argv,environ);exit(EXIT_CODE);}else{int status = 0;pid_t rid = waitpid(id,&status,0);if(rid == id){last_code = WEXITSTATUS(status);}}
}int BuildCommand(char* _argv[],int _argc)
{if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0],"cd") == 0){chdir(_argv[1]);getpwd();sprintf(getenv("PWD"),"%s",pwd);return 1;}else if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0],"export") == 0){strcpy(myenv,_argv[1]);putenv(myenv);return 1;}else if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0],"echo") == 0){if(*_argv[1] == '$'){char* val = getenv(_argv[1] + 1);if(val) printf("%s\n",val);}else {printf("%s\n",_argv[1]);}return 1;}if(_argc > 0 && strcmp(_argv[0],"ls") == 0){_argv[_argc++] = "--color";_argv[_argc] = NULL;}return 0;
}
int main()
{while(!quit){//2.交互问题，解决命令行Interact(commandline,sizeof(commandline));//3.子串分割问题，解析命令行int argc = splitstring(commandline,argv);if(argc == 0) continue;//4.指令的判断(内建命令和普通命令)int n = BuildCommand(argv,argc);//5.普通命令的执行if(!n) NormalExcute(argv);}return 0;
}

7.子进程的退出码

当子进程退出的时候，它会有一个退出码。

所以我们可以对于echo的内建命令在加上一个打印退出码的操作

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>#define LEFT "["
#define RIGHT "]"
#define LABLE "#"
#define DELIM " \t"
#define LINE_SIZE 1024
#define ARGC_SIZE 32
#define EXIT_CODE 44char commandline[LINE_SIZE];
char* argv[ARGC_SIZE] = {NULL};
extern char** environ;
int last_code = 0;
int quit = 0;
char pwd[LINE_SIZE];
char myenv[LINE_SIZE];const char* getusername()
{return getenv("USER");
}
const char* gethostname()
{return getenv("HOSTNAME");
}
void getpwd()
{getcwd(pwd,sizeof(pwd));
}void Interact(char* cline,int size)
{getpwd();printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT""LABLE" ",getusername(),gethostname(),pwd);char* s = fgets(cline,size,stdin);(void)s;assert(s);commandline[strlen(cline) - 1] = '\0';
}
int splitstring(char cline[],char* _argv[])
{if(strcmp(cline,"") == 0) return 0;int i = 0;_argv[i++] = strtok(cline,DELIM);while(_argv[i++] = strtok(NULL,DELIM));return i - 1;
}void NormalExcute(char* _argv[])
{pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return;}else if (id == 0){//子进程执行命令execvpe(_argv[0],_argv,environ);exit(EXIT_CODE);}else{int status = 0;pid_t rid = waitpid(id,&status,0);if(rid == id){last_code = WEXITSTATUS(status);}}
}int BuildCommand(char* _argv[],int _argc)
{if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0],"cd") == 0){chdir(_argv[1]);getpwd();sprintf(getenv("PWD"),"%s",pwd);return 1;}else if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0],"export") == 0){strcpy(myenv,_argv[1]);putenv(myenv);return 1;}else if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0],"echo") == 0){if(strcmp(_argv[1],"$?") == 0){printf("%d\n",last_code);last_code = 0;}else if(*_argv[1] == '$'){char* val = getenv(_argv[1] + 1);if(val) printf("%s\n",val);}else {printf("%s\n",_argv[1]);}return 1;}if(_argc > 0 && strcmp(_argv[0],"ls") == 0){_argv[_argc++] = "--color";_argv[_argc] = NULL;}return 0;
}
int main()
{while(!quit){//2.交互问题，解决命令行Interact(commandline,sizeof(commandline));//3.子串分割问题，解析命令行int argc = splitstring(commandline,argv);if(argc == 0) continue;//4.指令的判断(内建命令和普通命令)int n = BuildCommand(argv,argc);//5.普通命令的执行if(!n) NormalExcute(argv);}return 0;
}

运行效果如下

image-20231124182832088

8.总结

所以，当我们进行登录的时候，系统就要启动一个shell进程，那么我们shell本身的环境变量是从哪里来的？？？

其实在我们用户的目录下，就一个bash_profile文件

image-20231124183111243

它里面的内容是这样的，这里面就会帮助我们导入环境变量

image-20231124183138019

类似的，还有.bashrc文件等

所以说

当用户登录的时候，shell会读取用户目录下的.bashprofile文件，里面保存了导入环境变量的方式！

二、模式实现shell完整代码

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>#define LEFT "["
#define RIGHT "]"
#define LABLE "#"
#define DELIM " \t"
#define LINE_SIZE 1024
#define ARGC_SIZE 32
#define EXIT_CODE 44char commandline[LINE_SIZE];
char* argv[ARGC_SIZE] = {NULL};
extern char** environ;
int last_code = 0;
int quit = 0;
char pwd[LINE_SIZE];
char myenv[LINE_SIZE];const char* getusername()
{return getenv("USER");
}
const char* gethostname()
{return getenv("HOSTNAME");
}
void getpwd()
{getcwd(pwd,sizeof(pwd));
}void Interact(char* cline,int size)
{getpwd();printf(LEFT"%s@%s %s"RIGHT""LABLE" ",getusername(),gethostname(),pwd);char* s = fgets(cline,size,stdin);(void)s;assert(s);commandline[strlen(cline) - 1] = '\0';
}
int splitstring(char cline[],char* _argv[])
{if(strcmp(cline,"") == 0) return 0;int i = 0;_argv[i++] = strtok(cline,DELIM);while(_argv[i++] = strtok(NULL,DELIM));return i - 1;
}void NormalExcute(char* _argv[])
{pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return;}else if (id == 0){//子进程执行命令execvpe(_argv[0],_argv,environ);exit(EXIT_CODE);}else{int status = 0;pid_t rid = waitpid(id,&status,0);if(rid == id){last_code = WEXITSTATUS(status);}}
}int BuildCommand(char* _argv[],int _argc)
{if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0],"cd") == 0){chdir(_argv[1]);getpwd();sprintf(getenv("PWD"),"%s",pwd);return 1;}else if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0],"export") == 0){strcpy(myenv,_argv[1]);putenv(myenv);return 1;}else if(_argc == 2 && strcmp(_argv[0],"echo") == 0){if(strcmp(_argv[1],"$?") == 0){printf("%d\n",last_code);last_code = 0;}else if(*_argv[1] == '$'){char* val = getenv(_argv[1] + 1);if(val) printf("%s\n",val);}else {printf("%s\n",_argv[1]);}return 1;}if(_argc > 0 && strcmp(_argv[0],"ls") == 0){_argv[_argc++] = "--color";_argv[_argc] = NULL;}return 0;
}
int main()
{while(!quit){//2.交互问题，解决命令行Interact(commandline,sizeof(commandline));//3.子串分割问题，解析命令行int argc = splitstring(commandline,argv);if(argc == 0) continue;//4.指令的判断(内建命令和普通命令)int n = BuildCommand(argv,argc);//5.普通命令的执行if(!n) NormalExcute(argv);}return 0;
}

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