Spring Boot Starter 剖析与实践

引言

对于 Java 开发人员来说，Spring 框架几乎是必不可少的。它是一个广泛用于开发企业应用程序的开源轻量级框架。近几年，Spring Boot 在传统 Spring 框架的基础上应运而生，不仅提供了 Spring 的全部功能，还使开发人员更加便捷地使用。在使用 Spring Boot 时，我们经常会接触到各种 Spring Boot Starter，例如 spring-boot-starter-web。只需将该依赖加入项目中，我们就可以开始开发应用；在引入 spring-boot-starter-data-jdbc 后，只需在配置文件中填写数据库连接信息，即可连接数据库。此外，您还可以随意切换数据源组件依赖，而无需修改业务代码。Spring Boot Starter 是如何适配的呢？我们能否自己实现一个 Spring Boot Starter 呢？本文将剖析 Spring Boot Starter 的原理，并自定义实现一个 Spring Boot Starter 组件。

一、Spring Boot Starter 是什么？

Spring Boot Starter 是 Spring Boot 中比较重要的概念，是一种依赖描述符，它可以帮助您简化配置。当需要构建一个 Web 应用程序时，不必再遍历所有的依赖包，一个一个地添加到项目的依赖管理中，而是只需要一个配置spring-boot-starter-web，如以下示例：

从上面示例来看，我们使用了相当少的代码创建了一个 REST 应用程序。Spring 官方提供了许多 Starter，同时第三方也可以自定义 Starter，官方为了加以区分，Starter 从名称上进行了如下规范：spring-boot-starter-xxx；第三方提供的 starter 名称为：xxx-spring-boot-starter。

二、Spring Boot Starter 剖析

前面介绍了 Starter 的概念以及如何快速创建 REST 应用程序。只需添加一个依赖和几行代码，就能完成 REST 接口开发。那么，在没有 Spring Boot 和 Starter 的情况下，我们该如何进行开发呢？Spring Boot Starter 的工作原理又是什么？接下来，我们将通过开发 Web 服务和 Dubbo 服务作为例子，分别剖析纯 Spring 和 Spring Boot Starter。

Spring

环境依赖

JDK 1.8
Maven 3
Tomcat 8（需要依靠 Web 容器服务器才能启动）
spring-webmvc 4.3.30.RELEASE
dubbo 2.7.23

开发流程

首先介绍一下，这是一个标准的 Maven 目录结构与demo-service依赖内容

<dependencies>
    
    <dependency>
        <groupId>org.springframeworkgroupId>
        <artifactId>spring-webmvcartifactId>
        <version>4.3.30.RELEASEversion>
    dependency>
    <dependency>
        <groupId>javax.servletgroupId>
        <artifactId>servlet-apiartifactId>
        <version>2.5version>
    dependency>
    
    <dependency>
        <groupId>com.fasterxml.jackson.coregroupId>
        <artifactId>jackson-databindartifactId>
        <version>2.9.8version>
    dependency>

    
    <dependency>
        <groupId>org.apache.dubbogroupId>
        <artifactId>dubboartifactId>
        <version>2.7.23version>
    dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.apache.curatorgroupId>
        <artifactId>curator-x-discoveryartifactId>
        <version>5.1.0version>
    dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.apache.zookeepergroupId>
        <artifactId>zookeeperartifactId>
        <version>3.8.0version>
    dependency>

    
    <dependency>
        <groupId>com.demogroupId>
        <artifactId>demo-apiartifactId>
        <version>1.0-SNAPSHOTversion>
    dependency>
dependencies>

由于在 Spring XML 下还需要依靠 Java Web 和 Web 容器运行，还需要web/WEB-INF/web.xmlWeb 配置文件，内容配置了 SpringMVC 入口


<web-app xmlns="http://xmlns.jcp.org/xml/ns/javaee"
         xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:schemaLocation="http://xmlns.jcp.org/xml/ns/javaee http://xmlns.jcp.org/xml/ns/javaee/web-app_4_0.xsd"
         version="4.0">

    
    <listener>
        <listener-class>org.springframework.web.context.ContextLoaderListenerlistener-class>
    listener>

    <context-param>
        <param-name>contextConfigLocationparam-name>
        <param-value>classpath:dubbo.xmlparam-value>
    context-param>

    <servlet>
        <servlet-name>springmvcservlet-name>
        <servlet-class>org.springframework.web.servlet.DispatcherServletservlet-class>

        <init-param>
            <param-name>contextConfigLocationparam-name>
            <param-value>classpath:mvc.xmlparam-value>
        init-param>
    servlet>

    <servlet-mapping>
        <servlet-name>springmvcservlet-name>
        <url-pattern>/url-pattern>
    servlet-mapping>
web-app>

SpringMVC 配置文件mvc.xml与 Dubbo 配置文件dubbo.xml


<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
       xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
       xmlns:context="http://www.springframework.org/schema/context"
       xmlns:mvc="http://www.springframework.org/schema/mvc"
       xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans
        http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd http://www.springframework.org/schema/context http://www.springframework.org/schema/context/spring-context.xsd http://www.springframework.org/schema/mvc http://www.springframework.org/schema/mvc/spring-mvc.xsd">

    <context:component-scan base-package="com.demo.controller"/>

    
    <mvc:annotation-driven/>

    
    <mvc:default-servlet-handler/>
beans>


<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans" xmlns:dubbo="http://dubbo.apache.org/schema/dubbo"
       xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
       xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans
        http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd http://dubbo.apache.org/schema/dubbo http://dubbo.apache.org/schema/dubbo/dubbo.xsd">

    
    <dubbo:application name="demo-service"/>
    <dubbo:registry address="zookeeper://127.0.0.1:2181"/>
    <dubbo:protocol name="dubbo" port="20880"/>
    <bean id="demoServiceImpl" class="com.demo.provider.DemoServiceImpl"/>
    <dubbo:service interface="com.demo.api.DemoService" ref="demoServiceImpl"/>
beans>

编写 Controller 接口与 Dubbo RPC 接口

package com.demo.controller;

import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

@RestController
public class HelloController {

    @GetMapping(value = "/say/hello")
    public HelloEntity sayHello() {
        return new HelloEntity("Hello World");
    }

}

package com.demo.provider;

import com.demo.api.DemoService;
import com.demo.dto.HelloEntity;

public class DemoServiceImpl implements DemoService {

    @Override
    public HelloEntity sayHello() {
        return new HelloEntity("Hello World");
    }
}

以上还无法单独运行，需要将以上打包成war包放入到 Tomcat 才可运行。

剖析

从上面的开发流程中，我们可以看到入口都在 web.xml 中。其中有一个监听器和一个 Servlet，以及初始化参数 dubbo.xml 和 mvc.xml。在 Spring Boot 出现之前，Spring 通常使用 XML 配置方式描述 Bean，或者在 XML 中配置注解驱动和上下文扫描方式解析 Bean。因此，我们可以看出这里有两个 XML 文件。经过分析源代码，我们整理出了以下 XML 标签解析到 Bean 解析的流程。如下：

由 Tomcat 启动加载web.xml并通过监听器和 Servlet 让 Spring 加载 XML 并解析。
直到BeanDefinitionParserDelegate#parseCustomElement开始解析自定义标签，找到mvc:xxx或dubbo:xxx标签找到了 XML 命名空间。
DefaultNamespaceHandlerResolver处理逻辑：以懒加载方式加载所有 jar 中META-INF/spring.handlers（路径必须得是这个）并缓存到handlerMappings，通过命名空间 URI 找到与之对应的处理类，SpringMVC 与 Dubbo 命名空间处理类分别为MvcNamespaceHandler和DubboNamespaceHandler
MvcNamespaceHandler和DubboNamespaceHandler都分别实现了NamespaceHandler#init方法，内容如下：

init方法将 SpringMVC 和 Dubbo 标签对应的 BeanDefinitionParser 注册到了 NamespaceHandlerSupport#parsers 中。在上一步中，DefaultNamespaceHandlerResolver 根据标签获取到了该标签的 BeanDefinitionParser，从而将对应的 Bean 注册到了 Spring IOC 容器中。注册逻辑不是本文的重点，这里就不再赘述。至此，SpringMVC 和 Dubbo 的加载流程已经完成。

从以上加载流程中，我们可以看出，在没有 Spring Boot 之前，Spring 主要依靠 XML 配置来启动。它会加载 XML 中的自定义标签，找到对应的命名空间，然后扫描 classpath 下的 META-INF/spring.handlers，找到命名空间处理类来解析当前标签。

Spring Boot

环境依赖

JDK 1.8
Maven 3
spring-boot 2.6.9
dubbo 2.7.23

开发流程

目录结构与 Mavendemo-spring-boot依赖内容

<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.bootgroupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-webartifactId>
    dependency>

    
    <dependency>
        <groupId>org.apache.dubbogroupId>
        <artifactId>dubbo-spring-boot-starterartifactId>
        <version>2.7.23version>
    dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.apache.curatorgroupId>
        <artifactId>curator-x-discoveryartifactId>
        <version>5.1.0version>
    dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.apache.zookeepergroupId>
        <artifactId>zookeeperartifactId>
        <version>3.8.0version>
    dependency>

    <dependency>
        <groupId>com.demogroupId>
        <artifactId>demo-apiartifactId>
        <version>1.0-SNAPSHOTversion>
    dependency>
dependencies>

应用程序入口DemoSpringBootApplication

@SpringBootApplication
public class DemoSpringBootApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(DemoSpringBootApplication.class, args);
    }

}

application.yml文件内容只有 Dubbo 的配置

dubbo:
  application:
    name: demo-provider
  protocol:
    port: 20880
    name: dubbo
  registry:
    address: zookeeper://127.0.0.1:2181

编写 Controller 接口与 Dubbo RPC 接口

package com.demo.controller;

import com.demo.dto.HelloEntity;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

@RestController
public class HelloController {

    @GetMapping(value = "/say/hello")
    public HelloEntity sayHello() {
        return new HelloEntity("Hello World");
    }

}

package com.demo.provider;

import com.demo.api.DemoService;
import com.demo.dto.HelloEntity;

@DubboService 
public class DemoServiceImpl implements DemoService {

    @Override
    public HelloEntity sayHello() {
        return new HelloEntity("Hello World");
    }
}

由于spring-boot-starter-web已经内嵌 tomcat ，只需要直接运行DemoSpringBootApplication#main方法即可运行应用

剖析

从开发流程上没办法第一时间找到解析入口，唯一入口就是在DemoSpringBootApplication，经过源代码分析得出以下流程：

应用DemoSpringBootApplication类上有@SpringBootApplication注解，而该注解由以下三个注解组成：
- @SpringBootConfiguration，标注当前类为一个配置类，与[@Configuration](https://my.oschina.net/pointdance)注解功能一致，被[@Configuration](https://my.oschina.net/pointdance)注解的类对应 Spring 的 XML 版的容器。
- @EnableAutoConfiguration，开启启动自动装配的关键，由@AutoConfigurationPackage与@Import(AutoConfigurationImportSelector.class)组成
- @ComponentScan，按照当前类路径扫描含有@Service、@Controller等等注解的类，等同于 Spring XML 中的context:component-scan。
Spring Boot 自动装配由@EnableAutoConfiguration导入的AutoConfigurationImportSelector类，会调用SpringFactoriesLoader#loadFactoryNames从 ClassPath 下扫描所有 jar 包的META-INF/spring.factories内容，由于传入的EnableAutoConfiguration.class，只会返回org.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfigurationkey 的值，得到一个全限定类名字符串数组configurations。
configurations经过去重与声明式排除后，会进行以下进行过滤自动装配：
```
configurations = getConfigurationClassFilter().filter(configurations)
```
分成两部分：获取过滤器和执行过滤。
- getConfigurationClassFilter()，也是通过SpringFactoriesLoader#loadFactoryNames在META-INF/spring.factories找到 Key 为org.springframework.boot.autoconfigure.AutoConfigurationImportFilter的值，目前只有：OnBeanCondition、OnClassCondition、OnClassCondition三个过滤器。
- 执行过滤，会根据配置类上含有@ConditionOnBean、@ConditionalOnClass、@ConditionalOnWebApplication等等条件注解来过滤掉部分配置类。比如WebMvcAutoConfiguration指定需要在@ConditionOnWebApplication下才生效。
在引入各类 Configuration 的配置类后，配置类结合@Bean来完成 Spring Bean 解析和注入，同时 Spring Boot 还提供了许多@ConditionalXXX给开发者完成灵活注入。

以上就是 Spring Boot 的自动装配过程。Spring Boot 利用被 @Configuration 注解的配置类来代替 Spring XML 完成 Bean 的注入。然后，SpringFactoriesLoader 会最终加载 META-INF/spring.factories 中的自动配置类，实现自动装配过程。依靠“约定大于配置”的思想，如果开发的 Starter 想要生效，就需要按照 Spring Boot 的约定。

小结

通过对比 Spring 与 Spring Boot 的开发流程，我们可以发现 Spring Boot 在完成 Web 与 Dubbo 独立应用开发时，使用了相对较少的代码和配置。这得益于 Spring Boot Starter 的自动装配能力，它是 Spring Boot 的主要功能。通过消除定义一些属于自动配置类部分的需求，自动配置可以帮助简化开发流程并加速开发速度。

SPI

我们从上面剖析发现，两者都使用了一项机制去加载引入的 jar 包中的配置文件从而加载对应类，那就是SPI（Service Provider Interface）

SPI （Service Provider Interface），是 Java 内置的一种服务提供发现机制，提高框架的扩展性。

Java SPI

Java 内置的 SPI 通过java.util.ServiceLoader类解析 Classpath 和 jar 包的META-INF/services目录下的以接口全限定名命名的文件，并加载该文件中指定的接口实现类，以此完成调用。

但是 Java SPI 会有一定不足：

不能做到按需加载，需要遍历所有的实现并实例化，然后在循环中找到所需要的实现。
多个并发多线程使用ServiceLoader类的实例不安全
加载不到实现类时抛出并不是真正原因的异常，错误难定位。

Spring SPI

Spring SPI 沿用了 Java SPI ，但是在实现上和 Java SPI 存在差异，但是核心机制相同，在不修改 Spring 源码前提下，可以做到对 Spring 框架的扩展开发。

在 Spring XML 中，由DefaultNamespaceHandlerResolver负责解析spring.handlers生成 namespaceUri 和 NamespaceHandler 名称的映射，等有需要时在进行实例化。
在 Spring Boot 中，由SpringFactoriesLoader负责解析spring.factories文件，并将指定接口的所有实现类/全限定类名返回。

Spring Boot 2.7.0

在本文中 Spring Boot 自动装配使用了 SPI 来加载到EnableAutoConfiguration所指定的自动装配的类名，但在 Spring Boot2.7.0之后自动装配 SPI 机制有所改动，META-INF/spring.factories将废弃，同时在 Spring Boot 3 以上会将相关代码移除，改动如下：

新的注解：@AutoConfiguration代替@Configuration
读取自动装配的类文件位置改为：META-INF/spring/org.springframework.boot.autoconfigure.AutoConfiguration.imports，并且实现类全限定类名按照一行一个
由org.springframework.boot.context.annotation.ImportCandidates#load负责解析META-INF/spring/%s.imports，其中%s是接口名的占位符

三、Spring Boot Stater 实践

在使用spring-boot-starter-jdbc或者spring-boot-starter-jpa等数据库操作时，通常会引入一个数据库数据源连接池，比如：HikariCP、DBCP等，同时可随意切换依赖而不需要去更改任何业务代码，开发人员也无需关注底层实现，在此我们自定义一个 Starter 同时也实现这种兼容。因为我们以开发一个分布式锁的 Starter 并拥有多个实现：Zookeeper、Redis。在此使用 Spring Boot 2.6.9 版本。

开发

项目结构与 Maven 依赖

└── src
    ├── main
    │   ├── java
    │   │   └── com.demo.distributed.lock
    │   │      ├── api
    │   │      │   ├── DistributedLock.java
    │   │      │   └── LockInfo.java
    │   │      ├── autoconfigure
    │   │      │   ├── DistributedLockAutoConfiguration.java
    │   │      │   └── DistributedLockProperties.java
    │   │      ├── redis
    │   │      │   └── RedisDistributedLockImpl.java
    │   │      └── zookeeper
    │   │          └── ZookeeperDistributedLockImpl.java
    │   └── resources
    │       └── META-INF
    │           └── spring.factories

<dependencies>
    
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.bootgroupId>
        <artifactId>spring-boot-autoconfigureartifactId>
    dependency>

    
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.bootgroupId>
        <artifactId>spring-boot-configuration-processorartifactId>
        <optional>trueoptional>
    dependency>

    
    
    <dependency>
        <groupId>org.apache.curatorgroupId>
        <artifactId>curator-frameworkartifactId>
        <version>5.1.0version>
        <scope>providedscope>
    dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.apache.curatorgroupId>
        <artifactId>curator-recipesartifactId>
        <version>5.1.0version>
        <scope>providedscope>
    dependency>

    
    <dependency>
        <groupId>org.redissongroupId>
        <artifactId>redissonartifactId>
        <version>3.23.1version>
        <scope>providedscope>
    dependency>
dependencies>

在依赖里可以看到 Zookeeper 和 Redis 依赖关系被设置为provided，作用为编译与测试阶段使用，不会随着项目一起发布。即打包时不会带上该依赖。该设置在 Spring Boot Starter 作用较大。

分布式锁接口与实现

接口

public interface DistributedLock {

    /**
     * 加锁
     */
    LockInfo tryLock(String key, long expire, long waitTime);

    /**
     * 释放锁
     */
    boolean release(LockInfo lock);

}

Redis 实现

public class RedisDistributedLockImpl implements DistributedLock {

    private final RedissonClient client;

    public RedisDistributedLockImpl(RedissonClient client) {
        this.client = client;
    }

    @Override
    public LockInfo tryLock(String key, long expire, long waitTime) {
        //do something
        return null;
    }

    @Override
    public boolean release(LockInfo lock) {
        //do something
        return true;
    }
}

Zookeeper 实现

public class ZookeeperDistributedLockImpl implements DistributedLock {

    private final CuratorFramework client;

    public ZookeeperDistributedLockImpl(CuratorFramework client) {
        this.client = client;
    }

    @Override
    public LockInfo tryLock(String key, long expire, long waitTime) {
        return null;
    }

    @Override
    public boolean release(LockInfo lock) {
        return false;
    }
}

DistributedLockAutoConfiguration 配置类

@EnableConfigurationProperties(DistributedLockProperties.class)
@Import({DistributedLockAutoConfiguration.Zookeeper.class, DistributedLockAutoConfiguration.Redis.class})
public class DistributedLockAutoConfiguration {

    @Configuration
    @ConditionalOnClass(CuratorFramework.class)
    @ConditionalOnMissingBean(DistributedLock.class)
    @ConditionalOnProperty(name = "distributed.lock.type", havingValue = "zookeeper",
            matchIfMissing = true)
    static class Zookeeper {

        @Bean
        CuratorFramework curatorFramework(DistributedLockProperties properties) {
            //build CuratorFramework client
            return null;
        }


        @Bean
        ZookeeperDistributedLockImpl zookeeperDistributedLock(CuratorFramework client) {
            return new ZookeeperDistributedLockImpl(client);
        }
    }


    @Configuration
    @ConditionalOnClass(RedissonClient.class)
    @ConditionalOnMissingBean(DistributedLock.class)
    @ConditionalOnProperty(name = "distributed.lock.type", havingValue = "redis",
            matchIfMissing = true)
    static class Redis {

        @Bean
        RedissonClient redissonClient(DistributedLockProperties properties) {
            //build RedissonClient client
            return null;
        }

        @Bean
        RedisDistributedLockImpl redisDistributedLock(RedissonClient client) {
            return new RedisDistributedLockImpl(client);
        }
    }
}

@EnableConfigurationProperties(DistributedLockProperties.class)开启配置类 Properties 信息，会将配置文件里的信息注入 Properties 类里。
@Configuration配置注解
@ConditionalOnClass(CuratorFramework.class)条件注解，要求存在CuratorFramework类当前配置类才生效，Redis 的子配置类同理。
@ConditionalOnMissingBean(DistributedLock.class)条件注解，Spring 不存在DistributedLockBean 当前配置类才生效，Redis 的子配置类同理。
@ConditionalOnProperty(name = "distributed.lock.type", havingValue = "zookeeper", matchIfMissing = true)条件注解，这里判断配置文件distributed.lock.type等于zookeeper才生效，当如果没配置则默认当做zookeeper，Redis 的子配置类同理。
@Bean将方法返回的 Bean 注入到 Spring IOC 容器里，方法入参中含依赖的 Bean

spring.factories

org.springframework.boot.autoconfigure.EnableAutoConfiguration=\
  com.demo.distributed.lock.autoconfigure.DistributedLockAutoConfiguration

我们只需要将该文件放到resource/META-INF/spring.factories下，就会被 Spring Boot 加载，这也是 Spring Boot 的约定大于配置的思想。

使用

Maven 依赖关系

<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>com.demogroupId>
        <artifactId>distributed-lock-spring-boot-starterartifactId>
        <version>1.0.0-SNAPSHOTversion>
    dependency>
dependencies>

<profiles>
    <profile>
        <id>devid>
        <activation>
            <activeByDefault>trueactiveByDefault>
        activation>
        <dependencies>
            
            <dependency>
                <groupId>org.redissongroupId>
                <artifactId>redissonartifactId>
                <version>3.23.1version>
            dependency>
        dependencies>
    profile>
    <profile>
        <id>testid>
        <dependencies>
            <dependency>
                <groupId>org.apache.curatorgroupId>
                <artifactId>curator-frameworkartifactId>
                <version>5.1.0version>
            dependency>
            <dependency>
                <groupId>org.apache.curatorgroupId>
                <artifactId>curator-recipesartifactId>
                <version>5.1.0version>
            dependency>
        dependencies>
    profile>
profiles>

此处结合 Maven profile 功能按照不同环境依赖不同分布式锁底层实现，同时 Spring Boot 也提供了 Spring Boot Profile 加载不同配置，可以从开发、测试、生产环境使用不同底层了，同时 Maven profile 可以根据-P指定加载不同的依赖进行打包，解决了不同环境使用不同分布式锁实现。

代码使用

private final DistributedLock distributedLock;

public DemoServiceImpl(DistributedLock distributedLock) {
    this.distributedLock = distributedLock;
}

public void test() {
    LockInfo lock = null;
    try {
        lock = distributedLock.tryLock("demo", 1000, 1000);
        //do something
    } finally {
        if (lock != null) {
            distributedLock.release(lock);
        }
    }
}

业务代码中由于依赖的是接口，结合 Spring Boot Starter 条件注解 + Maven Profile 不管依赖哪个分布式锁实现，都无需去修改代码。

四、总结

本文介绍了在没有 Spring Boot 和 Starter 之前，开发人员在使用传统的 Spring XML 开发 Web 应用时需要引用许多依赖，并且需要大量编写 XML 代码来描述 Bean 以及它们之间的依赖关系。也了解了如何利用 SPI 加载自定义标签来加载 Bean 并进行注入。而 Spring Boot Starter 则提供了一种更加现代化的配置方式，它通过 SPI 机制加载自动装配的 @Configuration 配置类来代替传统的 Spring XML 完成 Bean 的注入，从而消除了大量的 XML 配置。最后，我们通过自定义开发了一个分布式锁 Spring Boot Starter 组件，利用一系列的 @ConditionalXXX 注解和 Maven Profile 来完成开发。这样，我们可以兼容多种分布式锁实现，并且在不同环境下使用不同的分布式锁实现，而无需修改业务代码。

作者：京东零售陈炎清

来源：京东云开发者社区

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