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JAVA主流架構(gòu)教程：入門與實踐指南

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Java 架構(gòu)

本文全面介绍了JAVA主流架构教程，涵盖了从基础概念到常见架构模式的详细讲解。文章深入探讨了MVC、MVP、MVVM等经典架构模式，并结合Spring框架、RESTful架构等主流技术进行了实例分析。此外，还详细介绍了Java架构的发展历程及其未来趋势。通过本文，读者可以全面掌握Java架构设计的原则和最佳实践。

Java架构概述

Java架构的基本概念

Java架构是指构建和组织Java应用程序的结构和模式。它涵盖了从简单的控制台应用程序到复杂的分布式系统的所有方面。Java架构的目标是提供一种灵活而强大的方法来构建、部署和维护Java应用程序，同时确保系统具有可扩展性、可维护性和可重用性。

Java架构的核心组件包括：

应用程序服务：提供基本功能，如网络通信、图形用户界面和其他服务。
中间件服务：介于应用程序和服务之间，提供消息传递、远程过程调用（RPC）、事务管理等功能。
持久层：负责数据存储和持久化，包括数据库访问、文件系统操作等。
用户界面层：负责与用户交互，包括Web界面、图形用户界面（GUI）等。
业务逻辑层：负责实现业务逻辑和规则，保证应用程序的功能性和一致性。

为什么学习Java架构

学习Java架构对于Java开发者来说至关重要，主要因为以下几点：

提高开发效率：通过使用成熟的架构模式和框架，开发者可以更快地构建稳定可靠的软件。
增强代码可维护性：合理设计的架构可以降低代码的复杂度，便于维护和升级。
提升系统性能：优良的架构设计能够更好地利用硬件资源，提高应用程序的响应速度和并发处理能力。
促进团队协作：统一的架构标准有助于团队成员之间的沟通和协作，减少开发过程中的误解和冲突。
适应性更强：良好的架构设计使得系统可以更轻松地适应业务需求的变化和技术进步。

Java架构的发展历程

Java架构的发展历程可以追溯到Java语言诞生之初。从最初的简单Java应用程序到现在的复杂分布式系统，Java架构经历了许多演变和改进。以下是Java架构的一些重要阶段：

Java SE：Java SE（Standard Edition）提供了基础的Java应用程序开发功能，包括类库和虚拟机。最早的Java应用程序大多基于Java SE构建。
Java EE：Java EE（Enterprise Edition）在Java SE的基础上增加了用于构建企业级应用程序的功能，如JDBC、JMS、EJB等。Java EE成为构建大规模企业应用的标准。
Java ME：Java ME（Micro Edition）专注于嵌入式和移动设备上的Java开发。Java ME使得开发者能够在这些资源受限的设备上运行Java程序。
Spring框架：Spring框架的出现促进了Java架构的发展。Spring提供了依赖注入（DI）和面向切面的编程（AOP），使开发更简洁和模块化。
微服务架构：微服务架构将应用程序拆分为多个小型、独立的服务，每个服务负责一个特定的功能。这使得系统更加灵活、可扩展。
无服务器架构：无服务器架构专注于将业务逻辑部署到云端，自动管理服务器的生命周期。这减少了运维负担，提高了开发效率。

常见的Java架构模式

MVC（Model-View-Controller）模式

MVC（Model-View-Controller）是一种广泛使用的架构模式，用于分离应用程序的不同关注点。MVC模式将应用程序分为三个核心组件：

Model：模型组件负责处理应用程序的数据逻辑。它包含业务逻辑、状态以及相关的业务规则。
View：视图组件负责呈现用户界面。它从模型组件中获取数据并以用户友好的方式展示。
Controller：控制器组件负责处理用户输入并根据输入调用模型和视图组件。控制器充当模型和视图之间的桥梁。

示例代码

下面是一个简单的MVC模式的示例，使用Java编写：

// Model
public class Student {
    private String name;
    private int age;

    public Student(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
}

// View
public class StudentView {
    public void printStudentDetails(Student student) {
        System.out.println("Name: " + student.getName());
        System.out.println("Age: " + student.getAge());
    }
}

// Controller
public class StudentController {
    private Student model;
    private StudentView view;

    public StudentController(Student model, StudentView view) {
        this.model = model;
        this.view = view;
    }

    public void setStudentName(String name) {
        model.setName(name);
    }

    public void setStudentAge(int age) {
        model.setAge(age);
    }

    public void updateView() {
        view.printStudentDetails(model);
    }
}

// Main
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Student model = new Student("John Doe", 25);
        StudentView view = new StudentView();
        StudentController controller = new StudentController(model, view);

        controller.updateView();

        controller.setStudentName("Jane Doe");
        controller.setStudentAge(30);
        controller.updateView();
    }
}

MVP（Model-View-Presenter）模式

MVP（Model-View-Presenter）模式是对MVC模式的一种变体，旨在进一步分离应用程序的逻辑。MVP模式的组件包括：

Model：模型组件与MVC中的模型组件相同，负责处理数据逻辑。
View：视图组件与MVC中的视图组件相同，负责呈现用户界面。
Presenter：展示器组件作为视图和模型之间的中间人。它处理用户输入，然后将数据传递给视图进行展示。

示例代码

下面是一个简单的MVP模式的示例，使用Java编写：

// Model
public class StudentModel {
    private String name;
    private int age;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
}

// View
public interface StudentView {
    void printDetails(String name, int age);
}

public class ConsoleView implements StudentView {
    @Override
    public void printDetails(String name, int age) {
        System.out.println("Name: " + name);
        System.out.println("Age: " + age);
    }
}

// Presenter
public class StudentPresenter {
    private StudentModel model;
    private StudentView view;

    public StudentPresenter(StudentModel model, StudentView view) {
        this.model = model;
        this.view = view;
    }

    public void loadStudentDetails() {
        String name = model.getName();
        int age = model.getAge();
        view.printDetails(name, age);
    }
}

// Main
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        StudentModel model = new StudentModel();
        model.setName("John Doe");
        model.setAge(25);

        StudentView view = new ConsoleView();
        StudentPresenter presenter = new StudentPresenter(model, view);

        presenter.loadStudentDetails();

        model.setName("Jane Doe");
        model.setAge(30);
        presenter.loadStudentDetails();
    }
}

MVVM（Model-View-ViewModel）模式

MVVM（Model-View-ViewModel）模式在MVP模式的基础上进一步改进，使视图和ViewModel更解耦。MVVM模式的组件包括：

Model：模型组件与MVC和MVP中的模型组件相同，负责处理数据逻辑。
View：视图组件与MVC和MVP中的视图组件相同，负责呈现用户界面。
ViewModel：视图模型组件充当模型和视图之间的适配器。它从模型组件中获取数据并转换为视图可以使用的格式。

示例代码

下面是一个简单的MVVM模式的示例，使用Java编写：

// Model
public class StudentModel {
    private String name;
    private int age;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
}

// View
public interface StudentView {
    void printDetails(String name, int age);
}

public class ConsoleView implements StudentView {
    @Override
    public void printDetails(String name, int age) {
        System.out.println("Name: " + name);
        System.out.println("Age: " + age);
    }
}

// ViewModel
public class StudentViewModel {
    private StudentModel model;
    private StudentView view;

    public StudentViewModel(StudentModel model, StudentView view) {
        this.model = model;
        this.view = view;
    }

    public void loadStudentDetails() {
        String name = model.getName();
        int age = model.getAge();
        view.printDetails(name, age);
    }

    public void setName(String name) {
        model.setName(name);
        loadStudentDetails();
    }

    public void setAge(int age) {
        model.setAge(age);
        loadStudentDetails();
    }
}

// Main
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        StudentModel model = new StudentModel();
        model.setName("John Doe");
        model.setAge(25);

        StudentView view = new ConsoleView();
        StudentViewModel viewModel = new StudentViewModel(model, view);

        viewModel.loadStudentDetails();

        model.setName("Jane Doe");
        model.setAge(30);
        viewModel.loadStudentDetails();
    }
}

RESTful架构

REST（Representational State Transfer）是一种架构风格，用于构建Web服务。REST架构基于HTTP协议，通过资源的URL进行操作。RESTful架构的特点包括：

客户端-服务器架构：客户端和服务器之间分离，各自处理自己的一部分功能。
无状态：每个请求都是独立的，服务器不保存客户端的状态。
按需代码：客户端可以下载和执行服务器提供的代码（如JavaScript）。
分层系统：可以有多个中间层，客户端不知道这些中间层的存在。
统一接口：使用HTTP方法来操作资源，如GET、POST、PUT、DELETE等。

示例代码

下面是一个简单的RESTful API的示例，使用Spring Boot编写：

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

@RestController
@RequestMapping("/api/student")
public class StudentController {
    @GetMapping
    public Student getStudent() {
        return new Student("John Doe", 25);
    }
}

public class Student {
    private String name;
    private int age;

    public Student(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }
}

Java主流框架介绍

Spring框架入门

Spring框架是由Rod Johnson在2003年创建的一个开源Java框架。它是一个强大的、轻量级的、企业级的Java框架。Spring框架的核心是控制反转（IoC）和依赖注入（DI），它帮助开发者更轻松地管理和组织应用代码，提高代码的可测试性。

依赖注入（DI）

依赖注入是Spring框架的核心概念之一，它允许开发者将对象的依赖关系从代码中解耦，从而提高代码的可维护性和可测试性。Spring框架提供了多种依赖注入方式，包括构造器注入、Setter方法注入和字段注入。

示例代码

下面是一个简单的Spring框架示例，使用依赖注入：

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Component;

@Component
public class StudentService {
    private StudentRepository studentRepository;

    @Autowired
    public StudentService(StudentRepository studentRepository) {
        this.studentRepository = studentRepository;
    }

    public void details() {
        // 使用studentRepository进行操作
    }
}

import org.springframework.stereotype.Component;

@Component
public class StudentRepository {
    public String getStudentName() {
        return "John Doe";
    }
}

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Component;

@Component
public class StudentController {
    private StudentService studentService;

    @Autowired
    public StudentController(StudentService studentService) {
        this.studentService = studentService;
    }

    public void details() {
        studentService.details();
    }
}

Spring Boot快速开发

Spring Boot是一个构建在Spring框架之上的框架，它简化了Spring应用的开发过程。Spring Boot提供了自动配置功能，使开发者可以快速创建独立的、生产级别的应用。

示例代码

下面是一个简单的Spring Boot应用示例，使用自动配置：

import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;

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

MyBatis持久层框架

MyBatis是一个持久层框架，它允许Java程序操作数据库。MyBatis通过XML映射文件或注解来描述Java程序和数据库之间的映射关系。

示例代码

下面是一个简单的MyBatis示例，使用XML映射文件：

<!-- StudentMapper.xml -->
<mapper namespace="com.example.StudentMapper">
    <select id="getStudent" resultType="com.example.Student">
        SELECT * FROM student WHERE id = #{id}
    </select>
</mapper>

import org.apache.ibatis.annotations.Mapper;
import org.apache.ibatis.annotations.Select;

@Mapper
public interface StudentMapper {
    @Select("SELECT * FROM student WHERE id = #{id}")
    Student getStudent(int id);
}

Hibernate对象关系映射框架

Hibernate是一个对象关系映射（ORM）框架，它允许Java对象与数据库中的表进行映射。Hibernate提供了自动持久化功能，简化了数据库操作。

示例代码

下面是一个简单的Hibernate示例，使用注解：

import javax.persistence.Entity;
import javax.persistence.GeneratedValue;
import javax.persistence.GenerationType;
import javax.persistence.Id;

@Entity
public class Student {
    @Id
    @GeneratedValue(strategy = GenerationType.IDENTITY)
    private int id;
    private String name;
    private int age;

    // Getter and Setter
}

import org.hibernate.Session;
import org.hibernate.SessionFactory;
import org.hibernate.cfg.Configuration;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        SessionFactory sessionFactory = new Configuration().configure().buildSessionFactory();
        Session session = sessionFactory.openSession();
        session.beginTransaction();

        Student student = new Student();
        student.setName("John Doe");
        student.setAge(25);
        session.save(student);

        session.getTransaction().commit();
        session.close();
    }
}

Struts MVC框架

Struts是另一个流行的Java MVC框架，它提供了一套完整的MVC架构，用于构建Web应用。Struts框架的优点包括强大的表单验证、拦截器、插件等特性。

示例代码

下面是一个简单的Struts示例，使用Struts标签：

<%@ taglib uri="http://struts.apache.org/tags-html" prefix="html" %>
<html>
<head>
    <title>Struts Example</title>
</head>
<body>
    <html:form action="hello">
        <html:text property="name" />
        <html:submit value="Submit" />
    </html:form>
</body>
</html>

import org.apache.struts.action.Action;
import org.apache.struts.action.ActionForm;
import org.apache.struts.action.ActionForward;
import org.apache.struts.action.ActionMapping;

public class HelloWorldAction extends Action {
    public ActionForward execute(
            ActionMapping mapping,
            ActionForm form,
            HttpServletRequest request,
            HttpServletResponse response) throws Exception {
        HelloWorldForm helloWorldForm = (HelloWorldForm) form;
        String name = helloWorldForm.getName();
        System.out.println("Hello " + name);
        return mapping.findForward("success");
    }
}

实战案例解析

简单Web应用开发

一个简单的Web应用通常包括前端界面、后端逻辑和服务端数据库。下面是一个简单的Spring Boot应用示例，用于展示一个学生信息管理系统。

示例代码

import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

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

@RestController
public class StudentController {
    @GetMapping("/students")
    public List<Student> getStudents() {
        List<Student> students = new ArrayList<>();
        students.add(new Student("John Doe", 25));
        students.add(new Student("Jane Doe", 30));
        return students;
    }
}

public class Student {
    private String name;
    private int age;

    // Getter and Setter
}

CRUD操作实战

CRUD（Create、Read、Update、Delete）操作是任何Web应用程序的基本功能。下面是一个简单的Spring Boot应用示例，展示了如何实现CRUD操作。

示例代码

import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.jdbc.core.JdbcTemplate;

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

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.jdbc.core.JdbcTemplate;
import org.springframework.stereotype.Repository;

@Repository
public class StudentRepository {
    @Autowired
    private JdbcTemplate jdbcTemplate;

    public void create(Student student) {
        jdbcTemplate.update("INSERT INTO student (name, age) VALUES (?, ?)", student.getName(), student.getAge());
    }

    public List<Student> readAll() {
        return jdbcTemplate.query("SELECT * FROM student", new StudentRowMapper());
    }

    public void update(Student student) {
        jdbcTemplate.update("UPDATE student SET name = ?, age = ? WHERE id = ?", student.getName(), student.getAge(), student.getId());
    }

    public void delete(int id) {
        jdbcTemplate.update("DELETE FROM student WHERE id = ?", id);
    }

    private class StudentRowMapper implements RowMapper<Student> {
        @Override
        public Student mapRow(ResultSet rs, int rowNum) throws SQLException {
            Student student = new Student();
            student.setId(rs.getInt("id"));
            student.setName(rs.getString("name"));
            student.setAge(rs.getInt("age"));
            return student;
        }
    }
}

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.web.bind.annotation.*;

@RestController
public class StudentController {
    @Autowired
    private StudentRepository studentRepository;

    @PostMapping("/students")
    public void create(@RequestBody Student student) {
        studentRepository.create(student);
    }

    @GetMapping("/students")
    public List<Student> readAll() {
        return studentRepository.readAll();
    }

    @PutMapping("/students/{id}")
    public void update(@PathVariable int id, @RequestBody Student student) {
        student.setId(id);
        studentRepository.update(student);
    }

    @DeleteMapping("/students/{id}")
    public void delete(@PathVariable int id) {
        studentRepository.delete(id);
    }
}

缓存策略与应用

缓存是提高Web应用性能的重要手段。下面是一个简单的Spring Boot应用示例，使用Spring Cache实现缓存功能。

示例代码

import org.springframework.cache.annotation.EnableCaching;
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;

@SpringBootApplication
@EnableCaching
public class DemoApplication {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(DemoApplication.class, args);
    }
}

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

@RestController
public class StudentController {
    @GetMapping("/students")
    @Cacheable("students")
    public List<Student> getStudents() {
        // Simulate database query
        Thread.sleep(1000);
        List<Student> students = new ArrayList<>();
        students.add(new Student("John Doe", 25));
        students.add(new Student("Jane Doe", 30));
        return students;
    }
}

安全性与认证实践

安全性是Web应用的重要组成部分。下面是一个简单的Spring Boot应用示例，使用Spring Security实现基本的认证功能。

示例代码

import org.springframework.security.config.annotation.web.builders.HttpSecurity;
import org.springframework.security.config.annotation.web.configuration.EnableWebSecurity;
import org.springframework.security.config.annotation.web.configuration.WebSecurityConfigurerAdapter;

@EnableWebSecurity
public class SecurityConfig extends WebSecurityConfigurerAdapter {
    @Override
    protected void configure(HttpSecurity http) throws Exception {
        http
            .authorizeRequests()
                .antMatchers("/students").hasRole("USER")
                .and()
            .formLogin()
                .loginPage("/login")
                .permitAll()
                .and()
            .logout()
                .permitAll();
    }
}

import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

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

@RestController
public class StudentController {
    @GetMapping("/students")
    public List<Student> getStudents() {
        List<Student> students = new ArrayList<>();
        students.add(new Student("John Doe", 25));
        students.add(new Student("Jane Doe", 30));
        return students;
    }
}

架构设计原则与最佳实践

SOLID原则

SOLID是面向对象设计的五大原则的缩写，它们分别为：

单一职责原则（SRP）：一个类只负责一个功能。
开闭原则（OCP）：软件实体应对扩展开放，对修改封闭。
里氏替换原则（LSP）：子类可以替换基类实例。
接口隔离原则（ISP）：客户端不应该依赖它不需要的接口。
依赖倒置原则（DIP）：依赖抽象类，而不是依赖具体类。

单元测试与集成测试

单元测试是对软件中的最小可测试单元进行检查和验证，主要测试代码的正确性。集成测试则是测试不同模块之间的接口是否能够正常工作。

示例代码

下面是一个简单的单元测试示例，使用JUnit：

import org.junit.jupiter.api.Test;
import static org.junit.jupiter.api.Assertions.*;

public class StudentRepositoryTest {
    @Test
    public void testGetStudent() {
        StudentRepository repo = new StudentRepository();
        Student student = repo.getStudent(1);
        assertEquals("John Doe", student.getName());
        assertEquals(25, student.getAge());
    }
}

日志与监控

日志记录和监控是确保应用程序正常运行的重要手段。下面是一个简单的日志记录示例，使用Log4j：

示例代码

import org.apache.log4j.Logger;

public class Main {
    private static final Logger logger = Logger.getLogger(Main.class);

    public static void main(String[] args) {
        logger.info("Application started");
        try {
            // Simulate an error
            throw new RuntimeException("Something went wrong");
        } catch (RuntimeException e) {
            logger.error("Error occurred", e);
        }
    }
}

性能优化与调优

性能优化通常涉及减少系统响应时间、提高吞吐量和资源利用率。下面是一些常见的性能优化技术：

代码优化：减少不必要的循环、减少对象的创建和销毁。
数据库优化：优化查询语句、添加索引、减少表扫描。
缓存使用：使用缓存来减少对数据库的访问。
负载均衡：使用负载均衡来分散请求，避免单点故障。
异步处理：使用异步处理来提高系统的响应速度。

示例代码

import org.springframework.cache.annotation.EnableCaching;
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;

@SpringBootApplication
@EnableCaching
public class DemoApplication {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(DemoApplication.class, args);
    }
}

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

@RestController
public class StudentController {
    @GetMapping("/students")
    @Cacheable("students")
    public List<Student> getStudents() {
        // Simulate database query
        Thread.sleep(1000);
        List<Student> students = new ArrayList<>();
        students.add(new Student("John Doe", 25));
        students.add(new Student("Jane Doe", 30));
        return students;
    }
}

深入理解与进阶指南

Java架构的未来趋势

Java架构的未来趋势包括以下几个方面：

微服务架构：微服务架构将应用程序拆分为多个小型、独立的服务，每个服务负责一个特定的功能。
无服务器架构：无服务器架构专注于将业务逻辑部署到云端，自动管理服务器的生命周期。
云原生应用：云原生应用利用微服务架构、容器化、自动伸缩、持续集成/持续部署等技术，实现快速部署和扩展。
函数即服务（FaaS）：函数即服务允许开发者编写和部署独立的函数，这些函数可以按需调用。

如何持续学习与成长

持续学习和成长对于Java架构师来说非常重要。以下是一些建议：

参加培训课程：可以参加慕课网上的Java架构课程。
阅读技术博客和书籍：关注技术博客，如Spring官方博客、Java开发者论坛等。
参与开源项目：通过参与开源项目，可以学习和实践最新的架构模式和技术。
编写技术博客和文章：通过撰写技术文章，可以更深入地理解技术细节并帮助他人。
参与社区活动：参加技术社区活动，如技术沙龙、技术大会等。

Java架构社区资源推荐

以下是一些推荐的Java架构社区资源：

Spring官方博客：Spring官方博客提供了最新的Spring框架信息和技术文章。
Java开发者论坛：Java开发者论坛是一个活跃的技术社区，提供了大量的技术讨论和资源。
Stack Overflow：Stack Overflow是一个问答网站，提供了大量的Java技术问题解答。
GitHub：GitHub是一个代码托管平台，提供了大量的Java开源项目。

这些资源可以帮助你更好地学习和实践Java架构，提升自己的技术水平。

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