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为什么perf_event_array不能用map.Lookup()?——Go中读取tracepoint事件的正确姿势(含ringbuf替代方案)

第一章:perf_event_array的底层限制与设计哲学

perf_event_array 是 Linux 内核中用于高效分发性能事件采样数据的核心数据结构,其本质是一个 per-CPU 的环形缓冲区数组,由 struct perf_event_array 封装,服务于 perf_event_open() 系统调用创建的监控实例。它并非通用容器,而是在高吞吐、低延迟场景下权衡空间、时间与安全性的产物。

内存布局的刚性约束

每个 CPU 上的 perf_event_array 缓冲区在初始化时即通过 alloc_pages_node() 分配连续物理页(通常为 1–4 页),且大小固定不可动态扩容。用户通过 ioctl(PERF_EVENT_IOC_SET_OUTPUT) 指定输出目标时,内核会校验目标 buffer 是否属于同一 NUMA 节点——跨节点绑定将直接返回 -EINVAL。这一设计规避了锁竞争与内存拷贝开销,但也意味着多线程监控不同 CPU 时需显式管理 buffer 绑定关系。

事件分发的无锁机制

内核在 perf_output_begin() 中采用原子递增 rb->user_page->data_head 实现生产者端无锁写入,消费者(如 perf-read 工具)则通过 mmap() 映射 rb->user_page 并轮询 data_tail 字段读取新样本。关键逻辑如下:

// 用户态读取循环示例(简化)
struct perf_event_mmap_page *header = mmap(...);
while (running) {
    __u64 head = __atomic_load_n(&header->data_head, __ATOMIC_ACQUIRE);
    __u64 tail = __atomic_load_n(&header->data_tail, __ATOMIC_RELAX);
    if (head == tail) continue;
    // 解析 [tail, head) 区间内的 perf_event_header 结构体
    __atomic_store_n(&header->data_tail, head, __ATOMIC_RELEASE);
}

安全边界与截断行为

当采样速率超过缓冲区吞吐能力时,内核不会阻塞或丢弃事件,而是设置 PERF_RECORD_LOST 记录并跳过后续样本,确保实时性优先。可通过 /proc/sys/kernel/perf_event_max_sample_rate 限制全局采样频率,防止 DoS 攻击。

限制维度 典型值/行为 触发后果
单 buffer 大小 2^12 ~ 2^21 字节(页对齐) mmap() 失败或 ENOMEM
最大监控事件数 RLIMIT_MEMLOCK 限制 perf_event_open() 返回 -EPERM
采样精度上限 默认 1000000 Hz(受 perf_event_max_sample_rate 约束) 超频采样被静默降频

第二章:Go中eBPF Map读取机制深度解析

2.1 perf_event_array与BPF_MAP_TYPE_PERF_EVENT_ARRAY的内核语义差异

perf_event_array 是内核中用于管理性能事件文件描述符数组的通用结构,而 BPF_MAP_TYPE_PERF_EVENT_ARRAY 是其面向eBPF的受限映射抽象,二者语义存在本质隔离。

核心差异维度

  • 访问权限:前者可被任意内核子系统直接操作;后者仅允许eBPF程序通过 bpf_perf_event_output() 安全写入
  • 内存模型:前者无隐式同步;后者强制使用 per-CPU ring buffer + __percpu 内存布局
  • 生命周期绑定:前者独立于BPF程序;后者在map销毁时自动解绑所有关联perf event

ring buffer写入接口示意

// eBPF侧唯一合法写入方式
long bpf_perf_event_output(
    struct pt_regs *ctx,
    struct bpf_map *map,     // 必须为 BPF_MAP_TYPE_PERF_EVENT_ARRAY
    u64 flags,               // 如 BPF_F_CURRENT_CPU
    void *data,              // 用户数据(≤PAGE_SIZE)
    u32 size                 // 实际拷贝长度
);

该调用触发内核 perf_event_output_forward(),将数据原子写入当前CPU对应的ring buffer,并唤醒用户态perf_read()。

语义对比表

特性 perf_event_array (内核结构) BPF_MAP_TYPE_PERF_EVENT_ARRAY (BPF map)
类型安全 强制校验map key为CPU ID,value为perf_event_fd
Ring buffer管理 手动分配/释放 自动按CPU创建、初始化、回收
数据可见性 全局共享 per-CPU隔离,避免锁竞争
graph TD
    A[eBPF程序] -->|bpf_perf_event_output| B(BPF_MAP_TYPE_PERF_EVENT_ARRAY)
    B --> C[Per-CPU ring buffer]
    C --> D[userspace perf_event_open fd]
    D --> E[perf_read syscall]

2.2 map.Lookup()在perf_event_array上的panic源码级溯源(v5.15+内核路径)

panic 触发点定位

perf_event_array 是 BPF 的 BPF_MAP_TYPE_PERF_EVENT_ARRAY 对应的 map 实现,其 lookup_elem 回调指向 perf_event_array_lookup()。v5.15+ 中该函数已移除空指针防护:

// kernel/bpf/perf_event.c
static void *perf_event_array_lookup(struct bpf_map *map, u32 key)
{
    struct bpf_array *array = container_of(map, struct bpf_array, map);
    struct perf_event *event;

    if (key >= array->map.max_entries)  // ✅ 边界检查存在
        return NULL;
    event = READ_ONCE(array->ptrs[key]);  // ❗未检查 event 是否为 NULL
    return &event->tp_target;             // panic: dereference of NULL
}

READ_ONCE() 仅保证原子读取,但若 array->ptrs[key]NULL(如事件被 perf_event_release_kernel() 清理后未置零),后续解引用 event->tp_target 将触发空指针 panic。

关键修复补丁逻辑

v5.15.11 后引入防御性检查:

补丁位置 旧逻辑 新逻辑
perf_event_array_lookup() 直接解引用 event->tp_target if (!event) return NULL;

数据同步机制

  • ptrs[] 数组由 perf_event_set_bpf_prog() 写入,由 perf_event_free_bpf_prog() 异步清零;
  • 缺少 smp_store_release() / smp_load_acquire() 配对,导致读端可能观察到部分写入的 NULL 指针。
graph TD
    A[用户调用 bpf_map_lookup_elem] --> B[进入 perf_event_array_lookup]
    B --> C{key < max_entries?}
    C -->|否| D[返回 NULL]
    C -->|是| E[READ_ONCE ptrs[key]]
    E --> F{event == NULL?}
    F -->|是| G[返回 NULL]
    F -->|否| H[返回 &event->tp_target]

2.3 Go libbpf-go与cilium/ebpf对perf_event_array的API封装策略对比

设计哲学差异

  • libbpf-go:严格映射 libbpf C API,暴露 PerfEventArray 的底层操作(如 Fd()Set()),要求用户手动管理 ring buffer 消费;
  • cilium/ebpf:提供高阶抽象 PerfReader,自动处理 mmap、事件解析与 goroutine 安全消费。

核心能力对比

特性 libbpf-go cilium/ebpf
Ring buffer 管理 手动 mmap + poll 自动 mmap + blocking Read
事件解析 原始字节流,需自行解包 内置 Record 结构体
并发安全 否(需外部同步) 是(内部 channel + mutex)

事件读取示例

// cilium/ebpf: 简洁阻塞式读取
reader, _ := ebpf.NewPerfReader(&ebpf.PerfReaderOptions{Map: perfMap})
for {
    record, err := reader.Read() // 自动处理 overflow、lost、sample
    if err != nil { break }
    fmt.Printf("CPU %d: %s", record.CPU, record.RawSample)
}

该调用隐式完成 mmap 区域轮询、事件头校验、样本长度验证及 ring buffer 移动指针更新,record.RawSample 已剥离 perf_event_header 开销。

2.4 实验验证:调用map.Lookup()触发-ENOTSUPP错误的完整复现流程

复现环境准备

  • 内核版本:Linux 5.15.0(未启用 CONFIG_BPF_JIT
  • BPF 程序类型:BPF_PROG_TYPE_SOCKET_FILTER
  • 映射类型:BPF_MAP_TYPE_HASH(但运行于不支持 lookup 的旧驱动上下文)

关键触发代码

// 在 eBPF 程序中调用(非用户态 libbpf)
u64 key = 0;
void *val = bpf_map_lookup_elem(&my_map, &key); // → 返回 -ENOTSUPP

bpf_map_lookup_elem() 在内核未注册对应 map ops 的 .map_lookup_elem 回调时,返回 -ENOTSUPP(而非 -EINVAL),常见于自定义 map 或早期硬件 offload 驱动。

错误路径分析

graph TD
    A[bpf_map_lookup_elem] --> B{map->ops->map_lookup_elem ?}
    B -- NULL --> C[return -ENOTSUPP]
    B -- valid --> D[execute lookup logic]

验证结果摘要

条件 是否触发 -ENOTSUPP
CONFIG_BPF_JIT=n, CONFIG_BPF_SYSCALL=y
BPF_MAP_TYPE_ARRAY + JIT disabled ❌(有默认实现)
自定义 map 未实现 .map_lookup_elem

2.5 替代路径推演:为什么必须绕过通用Map接口直连perf_event_open系统调用

当高精度内核事件采样需规避 BPF Map 的间接开销与容量限制时,直连 perf_event_open 成为必要选择。

核心动因

  • BPF Map 抽象层引入额外内存拷贝与哈希查找延迟(μs 级)
  • 固定大小 Ring Buffer 映射无法动态适配突发事件流
  • bpf_perf_event_output() 要求预注册 map,丧失运行时事件类型灵活性

关键系统调用原型

int perf_event_open(struct perf_event_attr *attr,
                    pid_t pid, int cpu, int group_fd, unsigned long flags);

attr->type = PERF_TYPE_HARDWARE 指定硬件计数器;pid = 0 监控当前进程;flags = PERF_FLAG_FD_CLOEXEC 防止子进程继承句柄;返回的 fd 可直接 mmap() 获取环形缓冲区。

性能对比(1M events/s 场景)

路径 平均延迟 内存占用 动态事件支持
BPF Map + output() 840 ns 16 MB
perf_event_open + mmap() 210 ns 4 MB
graph TD
    A[用户空间程序] -->|syscall| B[perf_event_open]
    B --> C[内核perf subsystem]
    C --> D[硬件PMU/软件事件源]
    D --> E[Ring Buffer mmap区域]
    E --> F[无锁批量读取]

第三章:tracepoint事件采集的正确实践范式

3.1 tracepoint绑定与perf_event_array索引映射的生命周期管理

tracepoint 与 perf_event_array 的映射并非静态注册,而是在 eBPF 程序加载、附加(attach)及卸载(detach)时动态建立与销毁。

映射建立时机

当调用 bpf_prog_attach() 绑定到 tracepoint 时,内核执行:

// kernel/trace/bpf_trace.c
int bpf_probe_register(struct bpf_raw_event_map *btp, struct bpf_prog *prog) {
    // btp->prog = prog; ← 关键赋值
    // perf_event_array 索引由 btp->index 记录,与 map fd 关联
    return 0;
}

btp->index 指向 perf_event_array 中预留槽位,该槽位在 bpf_map_update_elem() 写入 perf event fd 后才激活。

生命周期关键阶段

  • ✅ 加载:bpf_prog_load() 分配 btf_id 并预留 tracepoint hook
  • ✅ 附加:bpf_prog_attach() 建立 btp → prog + btp → array[index] 双向引用
  • ❌ 卸载:bpf_prog_detach() 清空 btp->prog,并触发 array[index]put_event() 释放

引用计数保障

实体 所属对象 计数器字段 作用
tracepoint hook struct bpf_raw_event_map refcnt 防止 prog detach 时 map 提前释放
perf_event_array 元素 struct bpf_array elem->refcnt 确保 event close 不破坏活跃 tracepoint
graph TD
    A[prog_load] --> B[attach to tracepoint]
    B --> C[bind btp→prog & btp→array[index]]
    C --> D[perf_event_array[index] = event_fd]
    D --> E[detach: drop refcnts → GC]

3.2 Go协程安全的perf event ring buffer轮询与mmap页解析实现

核心挑战

perf event ring buffer 在多协程并发轮询时面临:

  • 共享 data_head/data_tail 的 ABA 问题
  • mmap 映射页跨页边界读取导致数据截断
  • 内核-用户态内存可见性未同步(需 atomic.LoadAcquire

协程安全轮询逻辑

// 使用 atomic.LoadAcquire 保证内存序,避免重排序
head := atomic.LoadAcquire(&rb.Header.DataHead).Uint64()
tail := atomic.LoadAcquire(&rb.Header.DataTail).Uint64()
if head == tail {
    return nil // 无新事件
}

DataHead 由内核原子更新,DataTail 由用户态控制;LoadAcquire 确保后续对 ring buffer 数据页的读取不会被重排到该加载之前,防止读到脏数据。

mmap页解析关键步骤

步骤 操作 安全保障
1. 页对齐检查 offset & (os.Getpagesize()-1) 避免跨页误读
2. 事件遍历 struct perf_event_header 动态解析 支持 PERF_RECORD_SAMPLE 等多种类型
3. 尾部提交 atomic.StoreRelease(&rb.Header.DataTail, newTail) 向内核通告已消费位置

数据同步机制

graph TD
    A[内核写入事件] -->|更新 data_head| B[用户态 atomic.LoadAcquire]
    B --> C[按 header.size 遍历事件]
    C --> D[校验 size ≤ 剩余可用字节]
    D --> E[atomic.StoreRelease 更新 data_tail]

3.3 事件解析失败的常见陷阱:sample_type、read_format与endianness协同校验

当 perf_event_open() 返回的样本数据无法被正确解析时,问题往往不在于单个字段,而在于三者间的隐式契约失效。

样本结构依赖链

  • sample_type 决定样本中包含哪些字段(如 PERF_SAMPLE_TID | PERF_SAMPLE_TIME
  • read_format 影响 perf_read() 返回的元数据布局(如 PERF_FORMAT_GROUP 改变计数器数组顺序)
  • endianness 则决定每个字段的字节序解释——若内核以小端写入,用户态却按大端读取,timeaddr 将彻底错位

典型校验失配示例

// 错误:假设内核返回小端,但未显式字节序转换
uint64_t sample_time;
read(fd, &sample_time, sizeof(sample_time)); // 若实际为le64,此处直接使用将出错

sample_time 在 perf event 中始终以内核原生字节序(通常为 little-endian)存储;若用户态运行于异构平台(如 ARM64 BE 模式),必须通过 le64toh() 显式转换,否则时间戳高位/低位颠倒,导致纳秒级时间乱序。

协同校验检查表

字段 依赖项 失效表现
pid/tid sample_type 启用 解析越界或为 0
read_format PERF_FORMAT_ID id 字段位置偏移错误
addr endianness + size 地址高位恒为 0 或溢出
graph TD
    A[sample_type] --> B{字段存在性}
    C[read_format] --> D{元数据封装方式}
    E[endianness] --> F{字节序解释}
    B & D & F --> G[联合校验失败→解析崩溃]

第四章:ringbuf作为现代替代方案的工程落地

4.1 BPF_MAP_TYPE_RINGBUF与perf_event_array的语义鸿沟与性能权衡

数据同步机制

BPF_MAP_TYPE_RINGBUF 基于无锁生产者/消费者环形缓冲区,内核侧写入零拷贝、用户侧 mmap() + poll() 直接消费;而 perf_event_array 依赖 perf ring buffer,需 perf_event_read() 系统调用触发数据提取,并隐含内核-用户态上下文切换开销。

关键差异对比

维度 RINGBUF perf_event_array
内存模型 单一共享 mmap 区域 每 CPU 独立 perf buffer
同步语义 弱序(需 __sync_synchronize() 强序(perf barrier 隐式保证)
用户态消费延迟 µs 级(poll() + read() 数十 µs(syscall + copy_to_user)
// ringbuf 示例:零拷贝提交
long *data = bpf_ringbuf_reserve(&ringbuf_map, sizeof(*data), 0);
if (data) {
    *data = 42;
    bpf_ringbuf_submit(data, 0); // 0 = no wake-up needed
}

bpf_ringbuf_reserve() 返回映射内存地址,submit() 仅更新消费者指针;参数 表示不唤醒用户态,由 poll() 自主轮询——体现异步解耦设计。

graph TD
    A[内核BPF程序] -->|bpf_ringbuf_submit| B[RINGBUF mmap区域]
    B --> C{用户态 poll()}
    C -->|就绪| D[直接 read/mmap 访问]
    A -->|perf_event_output| E[perf buffer per-CPU]
    E --> F[syscall: perf_event_read]
    F --> G[copy_to_user + context switch]

4.2 cilium/ebpf中ringbuf.Reader的阻塞/非阻塞模式选型与背压控制

ringbuf.Reader 是 eBPF 用户态程序消费内核 ring buffer 数据的核心接口,其 I/O 模式直接影响数据吞吐与系统稳定性。

阻塞 vs 非阻塞语义

  • Read() 默认阻塞:无数据时挂起线程,适合低频、高可靠性场景
  • ReadNonBlocking() 显式非阻塞:立即返回 io.EOF 或部分数据,需配合轮询或 epoll

背压控制关键参数

参数 作用 典型值
ringbuf.Reader.ringSize 缓冲区页数(2^n) 64–1024
pollTimeout 非阻塞轮询间隔 10–100ms
batchSize 单次 Read() 最大事件数 32–256
// 启用非阻塞读 + epoll 监控,实现可控背压
fd, _ := unix.EpollCreate1(0)
unix.EpollCtl(fd, unix.EPOLL_CTL_ADD, r.FD(), &unix.EpollEvent{
    Events: unix.EPOLLIN,
    Fd:     int32(r.FD()),
})
// ... epoll_wait + ReadNonBlocking()

该模式下,ReadNonBlocking() 返回 n > 0 表示有数据可消费,n == 0 && err == nil 表示缓冲区空但未关闭,err == io.EOF 表示 ringbuf 被用户态主动关闭。结合 epoll 可避免忙等,同时通过调节 batchSizepollTimeout 实现动态背压。

4.3 tracepoint数据零拷贝传递:从bpf_ringbuf_output到Go端结构体反序列化

零拷贝核心机制

bpf_ringbuf_output() 将内核态 tracepoint 数据直接写入预分配的 ringbuf 内存页,用户态通过 mmap() 映射同一物理页,规避 copy_to_user 开销。

Go 端 ringbuf 消费示例

// ringbuf.NewReader 创建无锁读取器,自动处理生产者/消费者指针偏移
rb, _ := ringbuf.NewReader(objs.RingbufMap)
for {
    record, ok := rb.Read()
    if !ok { break }
    // 反序列化为 Go 结构体(需内存布局严格对齐)
    var event EventStruct
    binary.Read(bytes.NewReader(record.RawSample), binary.LittleEndian, &event)
}

record.RawSample 是 ringbuf 中连续内存片段;EventStruct 字段顺序、填充、对齐必须与 BPF C 端 struct 完全一致(推荐用 //go:packed + unsafe.Offsetof 校验)。

关键约束对比

维度 BPF 端(C) Go 端
内存对齐 __attribute__((packed)) struct{...} //go:packed
字节序 __builtin_bswap*() 或 LE binary.LittleEndian
数组边界 固定长度(如 [16]u8 [16]byte

数据同步机制

graph TD
    A[tracepoint 触发] --> B[bpf_ringbuf_output<br/>写入ringbuf]
    B --> C[Go mmap 区域<br/>指针原子更新]
    C --> D[ringbuf.Reader<br/>消费并解析]

4.4 生产环境迁移指南:ringbuf内存配额计算、溢出监控与panic防护机制

ringbuf内存配额计算公式

单消费者 ringbuf 最小安全配额(字节):

// size = align_up(2^N, page_size) × (max_event_size + sizeof(struct bpf_ringbuf_hdr))
// 示例:event_size=128B,页大小4KB → 单页容纳31个事件头+payload
#define RINGBUF_PAGE_SIZE 4096
#define MAX_EVENT_SIZE    128
#define HDR_SIZE          sizeof(struct bpf_ringbuf_hdr) // 8B
uint32_t min_pages = 32; // 保障至少1s突发流量缓冲
uint64_t quota = min_pages * RINGBUF_PAGE_SIZE;

逻辑分析:align_up(2^N, page_size) 确保页对齐;HDR_SIZE 为每个事件隐式开销;min_pages 需结合QPS与平均事件大小反推。

溢出监控与panic防护

  • 启用 bpf_ringbuf_output() 返回值校验,非零即溢出
  • 在eBPF程序中嵌入溢出计数器并映射到用户态
  • 设置内核 panic 阈值:/proc/sys/net/core/bpf_jit_limit 配合 ringbuf 全局限流
监控维度 推荐阈值 响应动作
ringbuf fill% >90% 持续5s 触发告警 + 自动扩容
丢包率 >0.1% 降级采样率 + 日志标记
panic触发次数 ≥3次/小时 暂停tracepoint注入
graph TD
  A[ringbuf write] --> B{是否可用空间 < HDR_SIZE?}
  B -->|是| C[返回-ENOSPC → 用户态计数+告警]
  B -->|否| D[写入事件+更新prod]
  C --> E[检查panic_threshold是否超限?]
  E -->|是| F[调用bpf_override_return阻断关键路径]

第五章:未来演进与可观测性架构思考

多云环境下的指标语义对齐实践

某金融级SaaS平台在接入AWS、Azure及自建OpenStack三套基础设施后,遭遇告警误触发率飙升至37%。根因分析发现:同一“CPU使用率”指标在Prometheus中为100 - (avg by(instance)(rate(node_cpu_seconds_total{mode="idle"}[5m])) * 100),而在Azure Monitor中直接暴露为Percentage CPU(已归一化),而OpenStack Ceilometer则返回原始cpu_util采样值(0–100浮点)。团队通过构建统一指标元数据注册中心(采用OpenMetrics规范+自定义x-semantic-id: cpu.utilization.normalized扩展标签),配合Envoy Sidecar注入标准化转换器,将异构指标在采集层完成语义对齐。落地后跨云告警准确率提升至99.2%,平均MTTR缩短41%。

分布式追踪的轻量化采样策略演进

在日均120亿Span的电商大促场景中,全量Jaeger上报导致后端存储成本超支210%。团队实施分层采样:对payment-service关键链路启用head-based全采样;对recommendation-service采用基于QPS动态阈值的tail-based采样(当P99延迟>800ms时自动提升采样率至100%);其余服务使用probabilistic固定0.1%采样。该策略通过OpenTelemetry Collector的memory_limiterfilter处理器实现,配置片段如下:

processors:
  memory_limiter:
    check_interval: 5s
    limit_mib: 1024
  filter:
    traces:
      include:
        match_type: strict
        services: ["payment-service"]

可观测性即代码的CI/CD集成

某车企IoT平台将SLO定义嵌入GitOps工作流:每个微服务仓库的/observability/slo.yaml文件声明P95 API延迟≤300ms、错误率≤0.5%。Argo CD同步时自动触发以下动作:① 生成Prometheus告警规则并注入Thanos Ruler;② 在Grafana中创建对应Dashboard并绑定ServiceMesh控制平面;③ 执行混沌工程实验(Chaos Mesh)验证SLO韧性。2023年Q4上线后,新服务SLO达标率从68%提升至94%,且故障注入平均耗时从47分钟压缩至9分钟。

AI驱动的异常根因推荐系统

某CDN厂商在边缘节点集群部署了基于LSTM的时序异常检测模型(输入:50+维度指标,输出:异常概率分值),但工程师仍需人工关联日志与追踪数据。团队构建三层推理引擎:第一层用Elasticsearch聚合异常时段的日志关键词TF-IDF向量;第二层调用OpenSearch的k-NN插件匹配历史故障模式;第三层通过Neo4j图数据库遍历服务依赖拓扑,定位传播路径。该系统在2024年春节流量峰值期间,成功将cache-hit-ratio骤降类故障的根因定位时间从平均22分钟缩短至3分14秒,准确率达89.7%。

架构演进阶段 核心能力 典型技术栈组合 生产环境落地周期
基础监控 单点指标采集+静态阈值告警 Zabbix + Grafana 2–3周
混合可观测 指标/日志/追踪三者关联分析 Prometheus + Loki + Tempo + Jaeger 6–8周
智能可观测 异常预测+根因自动推演+自愈编排 PyTorch + OpenSearch + Argo Workflows 12–16周
graph LR
A[生产环境事件] --> B{AI异常检测引擎}
B -->|高置信度| C[自动触发根因图谱分析]
B -->|低置信度| D[人工标注反馈闭环]
C --> E[生成修复建议]
E --> F[调用Ansible Playbook执行]
F --> G[验证SLO恢复状态]
G -->|失败| D
G -->|成功| H[更新知识图谱权重]

可观测性架构正从被动响应转向主动免疫,其核心驱动力已从工具链堆叠转向数据语义治理与智能决策闭环的深度耦合。

敏捷如猫,静默编码,偶尔输出技术喵喵叫。

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