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gRPC流式响应OOM事故复盘:客户端未限速消费+服务端未启用WriteBufferSize,单连接吃光2GB内存

第一章:gRPC流式响应OOM事故全景概述

某日,生产环境多个微服务节点在持续运行约12小时后陆续触发JVM OOM Killer,堆内存使用率飙升至98%以上,GC频率激增但无法回收,最终进程被强制终止。事故期间,所有依赖gRPC双向流(stream StreamResponse from StreamRequest)的实时指标推送服务均出现延迟陡增与连接中断,监控系统显示服务端堆内io.grpc.internal.GrpcUtil$ReadableBufferInputStreamio.netty.buffer.CompositeByteBuf实例数超常增长——单节点峰值达230万+,远超正常值(

事故核心特征

  • 所有异常服务均采用ServerStreamObserver异步写入流式响应,但未对客户端消费速率做背压控制;
  • 客户端存在偶发性长时间阻塞(如日志同步卡顿、磁盘I/O等待),导致gRPC流缓冲区持续堆积;
  • Netty底层ChannelOutboundBuffer中待发送的ByteBuf对象未被及时释放,形成内存泄漏链。

关键诊断步骤

  1. 使用jcmd <pid> VM.native_memory summary确认本地内存无异常,锁定为Java堆问题;
  2. 通过jmap -histo:live <pid> | grep -E "(CompositeByteBuf|ReadableBufferInputStream|ArrayList)"发现前3类对象占堆72%;
  3. 抓取堆转储后用Eclipse MAT分析,发现ServerCallStreamObserverImpl持有大量未完成的WriteQueue任务,其pendingWrites队列长度达18万+。

流式响应内存模型缺陷

gRPC Java默认启用PerMessageDeflateEncoder压缩,但压缩上下文(Deflater)与每个ByteBuf强绑定,当流写入速度远高于网络写出速度时:

// ❌ 危险模式:无背压检查的连续write
responseObserver.onNext(buildLargeResponse()); // 每次生成1MB+ protobuf消息
// 若客户端每秒仅消费2条,而服务端每秒推送20条 → 缓冲区指数级膨胀

应对措施验证表

措施 是否缓解OOM 验证方式
设置server.stream.maxMessageSize=4MB 仅限制单条大小,不解决累积问题
启用ServerCallStreamObserver#isReady()轮询写入 客户端卡顿时自动暂停推送,缓冲区稳定在
替换为ForkJoinPool.commonPool()执行序列化 CPU密集型操作迁移无效,瓶颈在IO缓冲区

根本解法在于将流式写入改造为响应式背压模型,后续章节将展开具体实现。

第二章:gRPC流式通信内存模型深度解析

2.1 流式响应的缓冲区生命周期与内存分配路径(含Go runtime堆栈追踪实践)

流式响应中,http.ResponseWriter 的底层 bufio.Writer 缓冲区生命周期紧密耦合于 HTTP handler 执行周期。

缓冲区初始化时机

func (h *streamHandler) ServeHTTP(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    // 此时 http.Server 已为 w 初始化 *bufio.Writer(通常 4KB)
    fw := w.(http.Flusher)
    bw := reflect.ValueOf(w).Elem().FieldByName("w").Interface().(*bufio.Writer)
    // ⚠️ 非导出字段访问仅用于调试分析
}

*bufio.Writerhttp.response.writeHeader 后首次写入时惰性分配,底层数组由 runtime.mallocgc 分配于堆上。

内存分配关键路径

  • bufio.Writer.Write()bufio.fill()make([]byte, size)
  • len(p) > b.Available(),触发扩容:b.buf = append(b.buf[:0], p...) → 新堆分配
阶段 分配位置 触发条件
初始缓冲区 第一次 Write 调用
动态扩容 数据超当前容量且不可复用
写入完成释放 GC 回收 handler 返回后无引用
graph TD
    A[Handler 开始] --> B[bufio.Writer 懒初始化]
    B --> C{Write 数据 ≤ 缓冲区剩余空间?}
    C -->|是| D[直接拷贝至 buf]
    C -->|否| E[调用 append 分配新底层数组]
    D & E --> F[Flush 或 WriteHeader 触发实际 TCP 写入]
    F --> G[handler 返回 → 缓冲区对象待 GC]

2.2 ClientConn.WriteBufferSize与SendMsg内存拷贝机制源码级剖析(基于gRPC-Go v1.60+)

写缓冲区初始化路径

ClientConn 构建时通过 defaultWriteBufSize = 32 * 1024 初始化 WriteBufferSize,该值可被 WithWriteBufferSize() 显式覆盖:

// grpc/clientconn.go:327
if cc.dopts.writeBufSize > 0 {
    cc.buf = &buffer{size: cc.dopts.writeBufSize} // 实际生效的写缓冲区
}

cc.buftransport.Stream 写入前的预分配缓冲区,用于暂存序列化后的帧数据,避免高频小包直接 syscall。

SendMsg 的三段式拷贝链

调用 SendMsg() 后,数据经历以下内存流转:

  • 序列化 → proto.Marshal 输出 []byte(堆分配)
  • 缓冲区写入 → 若 len(data) ≤ cc.buf.Available(),则 copy(cc.buf.b[cc.buf.w:], data)(零分配)
  • 网络发送 → cc.buf.Flush() 触发 writevWrite() 系统调用

拷贝开销对比表

场景 是否触发额外拷贝 触发条件 典型开销
小消息(≤4KB) data 直接 copy 到预分配 buf.b O(n) memcpy
大消息(>32KB) 超出 buf.size,回退至 io.Copy + bytes.Reader 额外 heap alloc + 2×memcpy

核心流程图

graph TD
    A[SendMsg msg] --> B[proto.Marshal msg]
    B --> C{len ≤ buf.Available?}
    C -->|Yes| D[copy to buf.b]
    C -->|No| E[alloc bytes.Reader + io.Copy]
    D --> F[buf.Flush → writev]
    E --> F

2.3 流控缺失场景下TCP接收窗口与应用层缓冲区的级联放大效应(Wireshark+pprof联合验证)

当TCP层未启用TCP_WINDOW_CLAMP且应用层读取滞后时,内核接收窗口持续通告较大值(如64KB),诱使对端高速发包;而用户态缓冲区(如Go bufio.Reader)若未及时消费,数据堆积在堆内存中,触发GC压力与延迟毛刺。

数据同步机制

典型失配链路:

  • 内核sk_receive_queue → 应用read()调用频率低 → 用户缓冲区持续膨胀

关键诊断信号

工具 观测指标 异常阈值
Wireshark TCP Window Size字段持续≥65535 >90%报文满足
pprof heap runtime.mallocgc调用栈中bytes.makeSlice占比高 >40%采样帧
// 模拟流控缺失下的缓冲区膨胀
conn, _ := net.Dial("tcp", "127.0.0.1:8080")
reader := bufio.NewReaderSize(conn, 4096) // 固定小缓冲区
for i := 0; i < 1000; i++ {
    buf := make([]byte, 64*1024) // 每次分配大块,但仅读少量
    reader.Read(buf[:128])       // 实际只消费128B → 剩余64KB悬停在用户空间
}

该循环导致buf对象长期驻留堆中,pprof显示runtime.mallocgc高频调用;同时Wireshark捕获到服务端持续通告win=65535,形成“内核宽窗→应用慢读→内存雪崩”正反馈环。

graph TD
    A[TCP接收窗口通告] -->|过大且恒定| B[对端高速注入]
    B --> C[内核sk_receive_queue积压]
    C --> D[应用read()调用稀疏]
    D --> E[用户缓冲区持续扩容]
    E --> F[heap增长→GC STW加剧延迟]
    F --> A

2.4 Go GC对流式长连接中大对象驻留的延迟回收影响(GODEBUG=gctrace=1实测对比)

在长连接服务(如WebSocket网关)中,单次接收的Protobuf消息常达2–10 MiB。这类大对象若持续复用(如sync.Pool未命中后直接分配),会落入Go的大对象分配路径(>32 KiB → heapAlloc → mheap.largealloc),绕过span缓存,且GC标记阶段需扫描完整内存块,显著拖慢STW。

GODEBUG实测关键指标

启用 GODEBUG=gctrace=1 后观察到:

  • 大对象密集场景下:gc N @t seconds %: X+Y+Z msmark assist 时间(Y)飙升至 8–15ms(正常
  • 每次GC后 scvg 触发延迟,heap_idle 持续高于 heap_inuse,说明大块未及时归还OS

典型问题代码片段

// ❌ 错误:每次解析都新建大结构体,无复用
func handleStream(conn net.Conn) {
    for {
        var msg pb.LargeEvent // ~4MiB struct → 直接分配到堆
        if err := proto.Unmarshal(buf, &msg); err != nil { /* ... */ }
        process(&msg) // 引用延长生命周期
    }
}

逻辑分析:pb.LargeEvent 超出32 KiB阈值,触发runtime.mheap_.largealloc;其字段含大量嵌套slice/map,GC需递归扫描指针图,导致mark assist时间线性增长。GODEBUG=gctrace=1 输出中assist项突增即为此征兆。

优化对照表

方案 GC mark assist均值 内存常驻率 备注
原始大对象分配 12.3 ms 78% gctrace 显示频繁 assist
sync.Pool + 预分配 0.4 ms 22% Pool Get/Return 管理生命周期
mmaped ring buffer 0.1 ms 零拷贝+手动内存管理
graph TD
    A[流式连接接收] --> B{消息大小 >32KiB?}
    B -->|Yes| C[分配至mheap.large]
    B -->|No| D[分配至mcache span]
    C --> E[GC Mark阶段全量扫描]
    E --> F[assist time ↑ STW ↑]
    D --> G[快速span复用]

2.5 单连接2GB内存耗尽的临界条件建模与复现脚本(含memory profiler火焰图生成)

内存压测建模核心假设

单TCP连接在长连接场景下,若持续接收未消费的序列化消息(如Protobuf流),且应用层未触发recv()或消费缓冲区,内核socket接收队列(sk_rmem_alloc)与用户态Python对象引用链将协同膨胀。

复现脚本关键逻辑

# mem_leak_simulator.py
import socket
import time
from memory_profiler import profile

@profile
def simulate_2gb_burst():
    s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    s.connect(('127.0.0.1', 8080))  # 服务端持续send(2GB伪数据)
    time.sleep(30)  # 阻塞等待内核缓冲区填满
    s.close()

逻辑分析:脚本不调用recv(),迫使数据滞留在内核sk_receive_queue及Python socket对象关联的_io.BytesIO临时缓冲中;@profile标注使memory_profiler捕获每行内存增量。time.sleep(30)确保内核RWIN窗口饱和,触达2GB临界点。

火焰图生成命令

python -m memory_profiler -o mem.log mem_leak_simulator.py
python -m memory_profiler --png mem.log  # 输出 flamegraph.png
组件 贡献内存占比 触发条件
sk_receive_queue ~65% net.core.rmem_max=2147483648
bytes对象 ~28% 未释放的recv()返回值引用
socket._io ~7% Python socket封装开销

第三章:客户端限速消费的工程化落地

3.1 基于context.Deadline与time.Ticker的流式消费节流器设计与压测验证

在高吞吐消息消费场景中,需防止下游服务过载。本节设计一个轻量级节流器:结合 context.WithDeadline 控制单次消费周期上限,用 time.Ticker 实现恒定速率触发。

核心节流逻辑

func NewThrottler(qps int) *Throttler {
    return &Throttler{
        ticker: time.NewTicker(time.Second / time.Duration(qps)),
        done:   make(chan struct{}),
    }
}

func (t *Throttler) Acquire(ctx context.Context) error {
    select {
    case <-t.ticker.C:
        return nil
    case <-ctx.Done():
        return ctx.Err() // 触发 Deadline 超时退出
    }
}

time.Second / time.Duration(qps) 精确计算间隔;ctx.Done() 保障超时可取消,避免 goroutine 泄漏。

压测关键指标(1000 QPS 场景)

指标 说明
P95 延迟 12ms 节流引入的可控开销
CPU 占用率 3.2% 对比无节流下降47%
错误率 0% 全部请求被正确节流

数据同步机制

节流器与消费者解耦,通过 channel 传递令牌,支持横向扩展。

3.2 使用buffered channel + backpressure signal实现消费者速率自适应调节

核心机制:双通道协同控制

消费者通过 dataCh 接收任务,同时监听 signalCh 中的背压信号(如 struct{ throttle bool }),动态调整拉取节奏。

代码示例:自适应消费者循环

for {
    select {
    case item := <-dataCh:
        process(item)
    case sig := <-signalCh:
        if sig.throttle {
            time.Sleep(100 * time.Millisecond) // 主动降频
        }
    }
}

逻辑分析:dataCh 为带缓冲的 channel(如 make(chan Task, 128)),避免生产者阻塞;signalCh 为无缓冲或小缓冲 channel,由监控协程根据消费延迟/队列水位实时发送节流信号。time.Sleep 非阻塞核心逻辑,仅调节轮询密度。

背压信号决策依据

指标 阈值 动作
缓冲区填充率 >80% 发送 throttle=true
平均处理耗时 >200ms 启动退避策略
连续超时次数 ≥3 强制 sleep 500ms

graph TD A[Producer] –>|写入 buffered channel| B[dataCh] C[Monitor] –>|发送信号| D[signalCh] B –> E{Consumer} D –> E E –>|反馈延迟指标| C

3.3 客户端流控指标埋点与Prometheus监控看板构建(含QPS、lag_ms、buffer_full_rate)

核心指标语义定义

  • qps_total:客户端每秒成功提交的请求计数(Counter)
  • lag_ms:当前消费位点与最新日志位点的时间差(Gauge,单位毫秒)
  • buffer_full_rate:发送缓冲区满状态占比(Histogram 或 Gauge,取最近60s内满缓冲次数/总尝试次数)

埋点代码示例(Go)

// 初始化指标
qpsTotal := promauto.NewCounter(prometheus.CounterOpts{
    Name: "client_qps_total",
    Help: "Total number of processed requests per second",
})
lagMs := promauto.NewGauge(prometheus.GaugeOpts{
    Name: "client_lag_ms",
    Help: "Current consumer lag in milliseconds",
})
bufferFullRate := promauto.NewGauge(prometheus.GaugeOpts{
    Name: "client_buffer_full_rate",
    Help: "Ratio of buffer-full events in last 60s",
})

// 上报逻辑(在流控决策路径中调用)
qpsTotal.Inc()
lagMs.Set(float64(lag))
bufferFullRate.Set(float64(fullCount) / float64(totalAttempts))

逻辑分析qps_total 使用 Counter 类型确保单调递增,适配 Prometheus 的 rate() 函数;lag_ms 为瞬时状态,必须用 Gaugebuffer_full_rate 需在业务循环中按窗口统计后设值,避免直采瞬时布尔状态导致抖动。

Prometheus 查询示意

指标 PromQL 示例 用途
QPS rate(client_qps_total[1m]) 实时吞吐评估
Lag client_lag_ms 滞后告警阈值(如 >5000ms)
Buffer压力 client_buffer_full_rate > 0.1 触发降级或扩容
graph TD
    A[客户端SDK] -->|上报指标| B[Prometheus Pushgateway]
    B --> C[Prometheus Server]
    C --> D[Grafana看板]
    D --> E[QPS趋势图]
    D --> F[Lag热力图]
    D --> G[Buffer Full Rate告警面板]

第四章:服务端WriteBufferSize调优与防护体系

4.1 WriteBufferSize参数语义辨析及与http2.MaxFrameSize的协同关系(RFC7540对照解读)

WriteBufferSize 是 Go net/http 服务器侧用于控制写入缓冲区大小的关键参数,并非帧尺寸限制,而是底层 bufio.Writer 的缓冲容量;其影响的是 TCP 层数据攒批效率,而非 HTTP/2 帧结构合规性。

数据同步机制

WriteBufferSize < http2.MaxFrameSize(默认 16KB)时,单次 Write() 可能被拆分为多个 DATA 帧;若 WriteBufferSize ≥ MaxFrameSize,则更利于单帧承载完整逻辑消息——但需注意:RFC 7540 §6.5 明确要求 DATA 帧 payload ≤ SETTINGS_MAX_FRAME_SIZE,该限制由对端通告,不可绕过

关键约束对照表

参数 来源 默认值 RFC 7540 约束角色
WriteBufferSize http.Server.WriteBufferSize 4KB 无直接定义,属实现优化层
http2.MaxFrameSize golang.org/x/net/http2 16KB 对应 SETTINGS_MAX_FRAME_SIZE(§6.5.2)
srv := &http.Server{
    WriteBufferSize: 8 * 1024, // 小于 MaxFrameSize(16KB),但大于典型TLS record size
}
// 此设置不会触发帧截断——帧边界由http2库根据SETTINGS协商结果强制执行
// 缓冲区仅影响:write系统调用频次、内核socket buffer填充节奏

逻辑分析:WriteBufferSize 仅作用于应用层到 TLS/HTTP/2 库之间的内存拷贝路径;真实帧划分由 http2.Framer 根据 MaxFrameSize 和流控窗口双重裁决,符合 RFC 7540 §4.1(流控制)与 §6.5(帧大小)的分层设计哲学。

4.2 基于连接粒度的动态WriteBufferSize配置策略(依据peer.Addr与负载特征实时调整)

数据同步机制

为适配不同对端网络质量与写入压力,系统在 net.Conn 建立后立即采集 peer.Addr().String() 并关联实时指标(如 RTT、待写缓冲区长度、最近5秒平均吞吐)。

动态缓冲区计算逻辑

func calcWriteBufferSize(addr string, rttMs, pending int, bps float64) int {
    base := 32 * 1024 // 默认基础值
    if strings.Contains(addr, ":8080") { // 内网高优先级节点
        return int(math.Min(float64(pending*2+base), 1024*1024))
    }
    if rttMs > 200 || bps < 1e5 { // 高延迟/低带宽链路
        return base / 2 // 降级为16KB,减少超时风险
    }
    return base * 2 // 默认64KB,平衡吞吐与内存开销
}

该函数依据地址标识、RTT、积压量与吞吐率三重信号决策;避免大缓冲在弱网下加剧丢包重传,又防止小缓冲在内网限制吞吐。

策略生效流程

graph TD
    A[新连接建立] --> B[提取peer.Addr]
    B --> C[上报实时负载指标]
    C --> D[调用calcWriteBufferSize]
    D --> E[设置conn.SetWriteBuffer]
地址模式 典型RTT 推荐BufferSize 触发条件
10.0.1.*:8080 1MB 内网服务直连
203.208.*:443 >300ms 16KB 跨国公网、高丢包率
192.168.*:3000 50–80ms 64KB 混合云默认场景

4.3 服务端流式响应内存熔断机制:基于runtime.ReadMemStats的主动拒绝策略

当流式接口(如 SSE、gRPC server streaming)持续输出大量数据时,未加约束的内存累积极易触发 OOM。我们采用 runtime.ReadMemStats 实时采样,构建轻量级内存熔断器。

熔断触发逻辑

  • 每次流式写入前检查 MemStats.Alloc 是否超过阈值(如 80% 的容器内存限制)
  • 若超限,立即返回 503 Service Unavailable 并关闭流
func shouldRejectStream() bool {
    var m runtime.MemStats
    runtime.ReadMemStats(&m)
    return m.Alloc > uint64(memLimitBytes*0.8) // memLimitBytes 来自环境变量或 cgroup
}

该函数无锁、低开销(Alloc 表示当前堆上活跃对象总字节数,比 SysTotalAlloc 更适合作为瞬时压力指标。

内存水位分级响应

水位区间 动作
正常流式输出
60%–80% 记录告警日志
> 80% 主动拒绝新流连接
graph TD
    A[流式请求到达] --> B{shouldRejectStream?}
    B -- true --> C[返回503 + 关闭HTTP流]
    B -- false --> D[执行WriteHeader/Flush]

4.4 gRPC中间件注入WriteBuffer限界器:拦截UnimplementedServerStreamInterceptor实践

在gRPC服务中,UnimplementedServerStreamInterceptor常被用作兜底拦截器,但其默认行为不参与流控。为实现精细化写缓冲控制,需在其调用链中注入WriteBufferLimiter中间件。

WriteBufferLimiter核心逻辑

func WriteBufferLimiter(maxBytes int) grpc.StreamServerInterceptor {
    return func(srv interface{}, ss grpc.ServerStream, info *grpc.StreamServerInfo, handler grpc.StreamHandler) error {
        limitedSS := &bufferLimitedStream{ss, maxBytes, 0}
        return handler(srv, limitedSS)
    }
}

该拦截器包装原始ServerStream,在每次SendMsg前校验累积写入量是否超限(maxBytes),超限时返回status.Errorf(codes.ResourceExhausted, "write buffer exceeded")

限界器注入时机

  • 必须置于UnimplementedServerStreamInterceptor之前注册,否则无法拦截未实现方法的流式响应;
  • 支持与grpc.StreamInterceptor链式组合,遵循注册顺序执行。
拦截器类型 执行顺序 是否可中断流
WriteBufferLimiter 早于兜底拦截器 ✅(资源超限时)
UnimplementedServerStreamInterceptor 最终兜底 ❌(仅返回Unimplemented状态)
graph TD
    A[Client Send] --> B[WriteBufferLimiter]
    B -->|buffer OK| C[Business Handler]
    B -->|buffer overflow| D[Return ResourceExhausted]
    C -->|unimplemented| E[UnimplementedServerStreamInterceptor]

第五章:事故根因归零与长期防御机制

从“救火式复盘”到“根因闭环”的范式迁移

2023年Q3,某电商中台遭遇持续47分钟的订单履约延迟,初步归因为数据库连接池耗尽。但深入追踪发现,真实根因是上游风控服务在灰度发布时未同步更新熔断阈值,导致下游调用陡增——而该服务的熔断配置被硬编码在启动脚本中,CI/CD流水线从未校验其变更。团队通过Git Blame定位到3个月前一次“临时修复”提交,最终将熔断参数移入配置中心,并接入Prometheus+Alertmanager实现阈值偏离自动告警。此过程强制要求所有服务配置项必须通过Schema校验并纳入GitOps流水线。

防御机制的三重固化路径

  • 流程固化:所有P1/P2级事故必须在24小时内启动RCA(Root Cause Analysis)会议,输出带时间戳的因果链图谱;
  • 代码固化:在CI阶段注入静态检查规则(如Semgrep规则集),禁止Thread.sleep(5000)、硬编码IP、未兜底的try-catch等高危模式;
  • 环境固化:生产环境禁止直接SSH登录,所有变更必须经由Argo CD声明式部署,且每次发布自动触发混沌工程探针(Chaos Mesh注入网络延迟验证熔断有效性)。

根因归零的量化验证标准

验证维度 合格阈值 检测方式
配置可追溯性 100%配置项关联Git提交哈希 配置中心API + Git历史比对
变更可观测性 任意变更在5分钟内出现在Grafana变更看板 Loki日志聚合 + Argo CD Webhook
防御有效性 模拟同类故障场景恢复时间≤30秒 Chaos Engineering自动化回归套件

构建自愈型防御矩阵

graph LR
A[实时指标异常] --> B{是否匹配已知模式?}
B -->|是| C[自动执行预设剧本:如扩容Pod/切换DNS/触发降级开关]
B -->|否| D[生成特征向量输入Anomaly Detection模型]
D --> E[模型判定为新根因]
E --> F[创建RCA工单并关联历史相似事件]
F --> G[知识库自动推送关联文档与修复建议]

知识沉淀的强制落地机制

所有RCA报告必须包含可执行的Checklist,例如:“验证Redis集群主从延迟redis-cli –latency -h {{ redis_host }}断言;该Playbook被嵌入每日巡检Job,失败时自动创建Jira任务并@责任人。2024年H1数据显示,同类根因复发率下降82%,平均MTTR从22分钟压缩至4.3分钟。

长期防御的组织保障设计

设立SRE赋能小组,每季度对全栈工程师进行“防御性编码”实战工作坊,使用真实事故数据构建CTF靶场——参与者需在限定时间内修复被注入漏洞的微服务代码,并通过自动化测试套件验证防御逻辑完整性。所有通关记录同步至个人OKR系统,作为晋升评审硬性指标。

技术债清零的滚动治理模型

建立技术债看板,按“影响范围×修复成本”四象限排序,每月由架构委员会评审TOP5债务项。2024年Q2重点治理了遗留的Spring Boot 1.5.x版本升级,过程中发现其内嵌Tomcat存在HTTP/2协议栈缺陷,进而推动全公司统一TLS握手超时策略标准化。该升级覆盖127个服务,全部通过金丝雀发布验证,期间无业务中断。

守护数据安全,深耕加密算法与零信任架构。

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