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client-go Informer共享缓存被污染?——多Namespace监听冲突、SharedIndexInformer并发陷阱与修复Checklist

第一章:client-go Informer共享缓存污染问题全景概览

Informer 是 client-go 的核心组件,其设计初衷是通过 Reflector + DeltaFIFO + Indexer 构建本地只读缓存,降低对 Kubernetes API Server 的压力并提升响应性能。然而在多控制器共用同一 SharedInformerFactory 实例的场景下,若不同控制器注册了相同资源类型但指定了不同的 ResyncPeriod、Namespace 限制或自定义 Transform 函数,极易引发共享缓存污染——即一个控制器的缓存状态意外影响其他控制器的业务逻辑。

典型污染表现包括:

  • 某控制器因 namespace 过滤未生效,导致监听到非目标命名空间对象,触发误处理;
  • 不同控制器对同一资源类型注册了冲突的 AddEventHandler,事件回调相互干扰;
  • 自定义 Transform 函数(如字段裁剪、标签注入)被全局应用,破坏其他控制器依赖的原始对象结构;
  • ResyncPeriod 不一致导致缓存周期性重建行为错位,引发短暂性数据不一致。

以下代码演示了高风险的共享注册模式:

// ❌ 危险:同一 SharedInformerFactory 被多个控制器复用,但配置不隔离
factory := informers.NewSharedInformerFactory(clientset, 30*time.Second)
// 控制器A:仅监听 default 命名空间
informerA := factory.Core().V1().Pods().Informer()
informerA.AddEventHandler(&controllerAHandler{})

// 控制器B:错误地复用同一 factory,却试图通过 Transform 过滤 kube-system
informerB := factory.Core().V1().Pods().Informer()
informerB.AddEventHandler(&controllerBHandler{})
// ⚠️ 此 Transform 将作用于所有 Pod Informer 实例,污染 controllerA 缓存
informerB.SetTransform(func(obj interface{}) (interface{}, error) {
    pod, ok := obj.(*corev1.Pod)
    if !ok { return obj, nil }
    if pod.Namespace == "kube-system" { return nil, nil } // 删除操作影响全局
    return obj, nil
})

关键事实表明:SharedInformerFactory 中的每个 Informer 实例共享底层 DeltaFIFO 和 Indexer,SetTransformAddEventHandler 等方法调用并非作用域隔离,而是直接修改共享结构体字段。因此,任何对 Informer 实例的配置变更都具备跨控制器副作用

风险维度 是否可隔离 说明
EventHandler 多个 handler 共享同一事件队列
Transform 函数 全局覆盖,后注册者生效
Namespace 限制 Informer 层面无 namespace 隔离能力
ResyncPeriod 影响 SharedIndexInformer 全局 resync 定时器

第二章:多Namespace监听冲突的根源剖析与实证复现

2.1 SharedInformerFactory中Namespace过滤机制的源码级解读

SharedInformerFactory 通过 withNamespace() 方法实现细粒度命名空间过滤,其本质是构造带 NamespaceSelectorListOptions

过滤逻辑入口

public SharedInformerFactory withNamespace(String namespace) {
    this.namespace = Objects.requireNonNull(namespace, "namespace must not be null");
    return this;
}

该方法仅缓存 namespace 字符串,并不立即生效——真正注入过滤逻辑发生在 sharedIndexInformerFor() 构建阶段。

ListOptions 构建关键路径

阶段 关键操作 触发条件
Informer 创建 listOptions.setFieldSelector("metadata.namespace=" + namespace) withNamespace() 被调用后
Watch 初始化 Watch.createWatch(..., listOptions) startAllRegisteredInformers()

数据同步机制

// 在 DefaultSharedIndexInformer#list() 中实际应用
if (namespace != null) {
    options.setFieldSelector("metadata.namespace=" + namespace); // ⚠️ 仅支持 fieldSelector,不支持 labelSelector 过滤 namespace
}

fieldSelector 是 Kubernetes API 原生支持的 server-side 过滤方式,避免客户端全量拉取后过滤,显著降低网络与内存开销。

graph TD
    A[withNamespace(ns)] --> B[缓存 ns 字符串]
    B --> C[sharedIndexInformerFor]
    C --> D[构建ListOptions]
    D --> E[注入fieldSelector]
    E --> F[Server-Side Filtering]

2.2 同一Informer实例跨Namespace ListWatch导致indexer脏写的真实案例

数据同步机制

Informer 的 ListWatch 若配置为跨 Namespace(如 namespace=""),其 DeltaFIFO 会将不同 Namespace 的同名资源(如 pod-a)视为同一 key,引发 indexer 覆盖写入。

关键代码片段

// 错误用法:共享 informer 实例,却监听全部 namespace
informer := kubeInformer.Core().V1().Pods().Informer()
// indexer key 生成逻辑(k8s.io/client-go/tools/cache.MetaNamespaceKeyFunc)
key, _ := cache.MetaNamespaceKeyFunc(obj) // 返回 "default/pod-a" 或 "prod/pod-a"

⚠️ 问题在于:若两个 Namespace 下存在同名 Pod,key 唯一性被破坏;后续 Replace() 操作会用后到的 prod/pod-a 覆盖 default/pod-a 的缓存条目。

脏写影响对比

场景 indexer 状态 客户端 Get(“default/pod-a”) 结果
正常(单 namespace) 存在 "default/pod-a" 返回 default 下的 Pod
脏写(跨 ns 共享 informer) "default/pod-a""prod/pod-a" 覆盖 返回 prod 下的 Pod(错误)

根本原因流程

graph TD
  A[ListWatch 全量获取] --> B[DeltaFIFO 接收 prod/pod-a]
  B --> C[Indexer 以 name+ns 为 key 存储]
  A --> D[随后接收 default/pod-a]
  D --> E[同名但 ns 不同 → key 冲突?不!MetaNamespaceKeyFunc 保证唯一]
  E --> F[但若误用 MetaNameKeyFunc 则触发脏写]

2.3 基于e2e测试验证LabelSelector与NamespaceSelector叠加失效场景

LabelSelectorNamespaceSelector 同时配置于 NetworkPolicy 或 ClusterPolicy 时,部分 Kubernetes 版本(如 v1.24–v1.26)存在逻辑短路:若 NamespaceSelector 匹配为空,则整个选择器被跳过,导致 LabelSelector 不生效。

失效复现步骤

  • 部署跨命名空间的 Pod A(ns-a, app=backend)和 Pod B(ns-b, app=frontend
  • 应用策略:同时指定 namespaceSelector: {matchLabels: {env: prod}}podSelector: {matchLabels: {app: backend}}
  • ns-b 中发起 curl,预期拒绝但实际成功

核心验证代码片段

# policy.yaml
apiVersion: networking.k8s.io/v1
kind: NetworkPolicy
metadata:
  name: mixed-selector-test
  namespace: ns-a
spec:
  podSelector:
    matchLabels: {app: backend}  # 仅作用于 ns-a 内 Pod
  namespaceSelector:            # 本应限制策略作用域,但可能被忽略
    matchLabels: {env: prod}
  policyTypes: [Ingress]

逻辑分析:Kubernetes API Server 在 policy.Spec.NamespaceSelector 为非空时,应将策略作用域限制在匹配命名空间内;但 pkg/networking/apis/networking/validation.goValidateNetworkPolicy 对双 selector 的联合校验缺失,导致 podSelector 在错误命名空间中被误执行。

组件 行为表现 是否触发失效
v1.25.9 NamespaceSelector 匹配失败 → 跳过整条规则
v1.27.0+ 引入 selectorScope 检查,强制双 selector 共同生效
graph TD
  A[Apply NetworkPolicy] --> B{Has namespaceSelector?}
  B -->|Yes| C[Filter target namespaces]
  B -->|No| D[Apply to current namespace]
  C --> E{Match any namespace?}
  E -->|No| F[Drop entire policy - BUG]
  E -->|Yes| G[Proceed with podSelector]

2.4 多Namespace监听下Reflector resync周期错位引发的缓存不一致实验

数据同步机制

Kubernetes Reflector 为每个 ListWatch 实例独立维护 resyncPeriod,多 Namespace 监听时若未对齐周期,将导致各 namespace 缓存更新时间点分散。

关键复现条件

  • 同一 Informer 注册多个 Namespace 的 SharedIndexInformer
  • Reflector 启动时间偏移 > resyncPeriod / 2
  • 资源在 resync 窗口内发生变更

模拟代码片段

// 启动两个不同 namespace 的 reflector,周期均为 30s,但 staggered 启动
reflectorA := NewReflector(
    &cache.ListWatch{...}, 
    &corev1.Pod{}, 
    storeA, 
    30*time.Second, // resyncPeriod
)
reflectorB := NewReflector(
    &cache.ListWatch{...}, 
    &corev1.Pod{}, 
    storeB, 
    30*time.Second,
)
// ⚠️ reflectorB 延迟 18s 启动 → 与 reflectorA 的 resync 时间错开 18s

逻辑分析:resyncPeriod 是从 Reflector.Run() 调用时刻开始计时的绝对周期。错位启动导致两缓存每 30s 的全量比对窗口不重叠,中间出现长达 18s 的“单边 stale 窗口”。

错位影响对比

指标 对齐周期(理想) 错位 18s(实测)
最大缓存偏差时长 0s 18s
全量 reconcile 频次 同步触发 异步触发
graph TD
    A[reflectorA resync: t=0s,30s,60s] --> C[storeA 更新]
    B[reflectorB resync: t=18s,48s,78s] --> D[storeB 更新]
    C --> E[缓存差异窗口: [30s,48s)]
    D --> E

2.5 通过pprof+trace定位Indexer并发写入竞争点的调试实践

数据同步机制

Indexer采用多协程并行解析文档并写入内存索引(map[string]*Doc),但未加锁保护,导致 fatal error: concurrent map writes

复现与采集

# 启动服务并启用pprof与trace
go run -gcflags="-l" main.go --cpuprofile=cpu.pprof --trace=trace.out
# 模拟高并发写入
ab -n 1000 -c 50 http://localhost:8080/index

-gcflags="-l" 禁用内联便于追踪函数边界;--trace 生成精细时序事件,含 goroutine 创建/阻塞/抢占。

分析竞态路径

graph TD
    A[goroutine-1] -->|Write key=A| B[mapassign_faststr]
    C[goroutine-2] -->|Write key=B| B
    B --> D[panic: concurrent map writes]

关键修复

// 原危险代码
indexer.docs[key] = doc // 非线程安全

// 修复后:使用sync.Map
var docs sync.Map // 替代 map[string]*Doc
docs.Store(key, doc) // 原子写入

sync.Map 专为高读低写场景优化,避免全局锁,Store 内部按 key 分片加锁,显著降低争用。

第三章:SharedIndexInformer并发安全陷阱深度解析

3.1 DeltaFIFO与Indexer间非原子性操作引发的缓存撕裂现象

数据同步机制

DeltaFIFO 负责接收事件流(Added/Updated/Deleted),而 Indexer 提供对象快照查询。二者通过 Replace()QueueAction() 协同,但无事务封装

关键竞态点

Replace() 批量更新 Indexer 时,若中途被 DeltaFIFO.Pop() 触发的 Process() 并发读取,将导致:

  • Indexer 中部分新对象已写入,部分仍为旧状态
  • 查询返回混合版本的对象视图 → 缓存撕裂
// Replace 方法片段(简化)
func (i *Indexer) Replace(list []interface{}, resourceVersion string) error {
    i.lock.Lock()
    defer i.lock.Unlock()
    i.items = make(map[string]interface{}) // 清空旧缓存
    for _, obj := range list {
        key, _ := i.KeyFunc(obj) 
        i.items[key] = obj // 逐个写入 —— 非原子!
    }
    i.resourceVersion = resourceVersion
    return nil
}

i.items 重建是循环赋值过程,无中间一致性保障;并发 GetByKey() 可能命中未更新的 key 或 stale value。

影响对比

场景 Indexer 状态 查询结果一致性
Replace 前 完整旧快照 强一致
Replace 中 混合新/旧对象 撕裂:部分新、部分旧
Replace 后 完整新快照 强一致
graph TD
    A[DeltaFIFO.Receive Event] --> B{Replace?}
    B -->|Yes| C[Lock Indexer]
    C --> D[Clear items map]
    D --> E[Iterate & insert objects]
    E --> F[Update resourceVersion]
    E --> G[Unlock]
    B -->|No| H[Pop → Process → GetByKey]
    H --> I[可能读到半更新状态]

3.2 SharedProcessor分发事件时goroutine竞态与handler执行顺序失控验证

数据同步机制

SharedProcessor 使用 sync.Map 存储多个 Handler,但事件分发时未对 handler 列表加锁:

// 伪代码:并发调用时存在读写竞争
for _, h := range p.handlers { // 非原子遍历
    go h.OnAdd(obj) // 并发启动 goroutine
}

p.handlers 是切片,若另一 goroutine 正在 appendclear,将触发 panic 或漏处理。

竞态复现关键路径

  • 多个 informer 同时注册 handler
  • 事件批量到达(如 list-watch 响应)
  • p.handlerLock.RLock() 仅保护注册/注销,不保护分发时的遍历

执行顺序失控证据

场景 实际执行序 预期序
注册 A→B→C 后触发事件 C, A, B A, B, C
并发 OnAdd 调用 无序 依赖注册顺序
graph TD
    A[Event arrives] --> B{For each handler}
    B --> C[Launch goroutine]
    B --> D[Launch goroutine]
    C --> E[Handler A runs]
    D --> F[Handler B runs]
    E & F --> G[无序完成]

3.3 Indexer.Add/Update/Delete方法在高并发下的锁粒度缺陷实测分析

数据同步机制

Indexer 默认采用全局读写锁(sync.RWMutex)保护整个内部 map,导致 Add/Update/Delete 操作串行化,即使操作不同 key 也相互阻塞。

高并发瓶颈复现

压测场景:100 goroutines 并发操作 10k 不同 key(Update 占 70%),QPS 仅 1.2k,P99 延迟达 48ms。

// indexer.go 片段(简化)
func (i *Indexer) Update(obj interface{}) error {
    i.lock.Lock()           // ❌ 全局锁,非 key 粒度
    defer i.lock.Unlock()
    key, _ := i.keyFunc(obj)
    i.items[key] = obj      // 实际更新仅需单 key 锁
    return nil
}

i.locksync.Mutex,锁覆盖整个 i.items map;keyFunc 计算开销小,但锁持有时间包含 GC 扫描、interface{} 赋值等,实测平均持锁 12μs/次。

优化对比(局部锁改造后)

方案 QPS P99 延迟 锁冲突率
全局锁(原生) 1,200 48 ms 92%
分段哈希锁(16段) 8,900 5.3 ms 11%
graph TD
    A[goroutine A: Update key-A] --> B[acquire global lock]
    C[goroutine B: Update key-B] --> B
    B --> D[update items map]
    D --> E[release lock]

第四章:生产级修复Checklist与防御式编程实践

4.1 Namespace隔离方案:按命名空间拆分Informer实例的代码模板与资源开销评估

核心实现逻辑

为实现细粒度 namespace 隔离,需为每个目标命名空间独立构造 SharedInformerFactory 实例,并通过 WithNamespace() 显式限定作用域:

// 为 default 命名空间创建专用 Informer
defaultInformer := informers.NewSharedInformerFactoryWithOptions(
    clientset, 
    resyncPeriod,
    informers.WithNamespace("default"), // 关键:仅监听该 ns
)
podInformer := defaultInformer.Core().V1().Pods().Informer()

此方式避免了全局 Informer 全量同步后在 EventHandler 中手动过滤 namespace 的 CPU 与内存冗余开销;每个 Informer 仅缓存所属 namespace 的对象,降低 watch payload 与本地 cache 占用。

资源开销对比(单节点 100 个 namespace)

维度 全局 Informer + 过滤 按 namespace 拆分(100 实例)
内存占用(估算) ~1.2 GB ~380 MB
Watch 连接数 1 100
事件处理延迟 高(需遍历全量 cache) 低(cache 精简、无过滤开销)

数据同步机制

  • 每个 namespace Informer 独立建立 watch 连接,服务端按 namespace 做 etcd 范围查询,天然减少网络传输量;
  • SharedIndexInformer 的 indexers 仅索引本 namespace 对象,索引构建与查找复杂度显著下降。

4.2 缓存净化策略:基于UID校验与Generation比对的Pre-Process Hook实现

缓存一致性是分布式读写场景的核心挑战。本节实现一个轻量、可插拔的预处理钩子(Pre-Process Hook),在业务逻辑执行前完成缓存有效性裁决。

数据同步机制

Hook 在请求进入业务层前拦截,依据两个关键维度决策是否跳过缓存:

  • UID 校验:验证客户端身份与缓存元数据绑定关系,防越权访问;
  • Generation 比对:比对缓存中 gen 版本号与上游配置中心最新值,识别数据陈旧。

执行流程

def pre_process_hook(request: Request) -> bool:
    uid = request.headers.get("X-User-ID")
    cached = cache.get(f"user:{uid}")  # 命中缓存
    if not cached:
        return False  # 缓存未命中,走DB
    if cached["uid"] != uid or cached["gen"] < config.get_latest_gen(uid):
        cache.delete(f"user:{uid}")  # 主动净化
        return False
    return True  # 允许直用缓存

逻辑分析:cached["uid"] != uid 防止缓存污染;cached["gen"] < ... 确保 generation 单调递增语义。config.get_latest_gen() 从 etcd/ZooKeeper 获取实时版本,毫秒级延迟可控。

策略对比

策略 响应延迟 一致性保障 实现复杂度
TTL 过期
UID + Generation
graph TD
    A[Request] --> B{Pre-Process Hook}
    B -->|UID match & gen ≥ latest| C[Use Cache]
    B -->|Mismatch| D[Delete Cache & Load DB]

4.3 并发加固方案:Indexer读写分离封装与sync.Map替代方案压测对比

数据同步机制

为缓解 Indexer 高频写入导致的锁争用,设计读写分离封装:写操作经 sync.RWMutex 保护写队列,读操作直接访问只读快照(原子指针切换)。

type Indexer struct {
    mu      sync.RWMutex
    data    map[string]*Item // 写时复制的目标
    snapshot atomic.Value     // 指向只读 map[string]*Item
}

func (i *Indexer) Write(key string, item *Item) {
    i.mu.Lock()
    newMap := make(map[string]*Item)
    for k, v := range i.data {
        newMap[k] = v
    }
    newMap[key] = item
    i.data = newMap
    i.snapshot.Store(i.data) // 原子发布新快照
    i.mu.Unlock()
}

逻辑分析:每次写入触发一次浅拷贝,避免读阻塞;atomic.Value 确保快照切换无锁且线程安全。i.data 仅在写锁内更新,读路径全程无锁。

压测对比结果

方案 QPS(16核) 99%延迟(ms) GC压力
原始 map + RWMutex 28,500 12.7
sync.Map 41,200 8.3
读写分离封装 39,800 6.1 极低

性能权衡决策

  • sync.Map 省去手动管理,但存在 key 类型限制与遍历开销;
  • 读写分离封装可控性更强,适合需定制快照语义的场景(如带版本回溯的索引)。

4.4 可观测性增强:Informer缓存一致性断言工具与Prometheus指标埋点规范

数据同步机制

Informer 的 SharedInformer 通过 Reflector + DeltaFIFO + Indexer 实现本地缓存,但缓存与 etcd 状态可能存在短暂不一致。为此设计轻量级断言工具 CacheConsistencyProbe

// 断言本地缓存与ListWatch响应的一致性
func (p *CacheConsistencyProbe) AssertSynced(ctx context.Context, informer cache.SharedIndexInformer) error {
    // 获取当前缓存对象数量
    cached := informer.GetStore().List()
    // 触发一次强制List(绕过缓存)
    objList, err := p.client.List(ctx, &metav1.ListOptions{ResourceVersion: "0"})
    if err != nil { return err }
    if len(cached) != len(objList.Items) {
        return fmt.Errorf("cache skew: cached=%d, live=%d", len(cached), len(objList.Items))
    }
    return nil
}

逻辑分析ResourceVersion: "0" 强制从 etcd 全量拉取最新状态;GetStore().List() 访问 indexer 内存快照;比对长度是低成本一致性基线校验。参数 ctx 支持超时控制,避免 probe 阻塞健康检查。

指标埋点规范

统一使用以下 Prometheus 命名前缀与标签:

指标名 类型 标签 说明
k8s_informer_cache_hits_total Counter informer_type, namespace 缓存命中次数
k8s_informer_sync_duration_seconds Histogram informer_type, result 同步耗时分布(success/fail)

监控闭环流程

graph TD
    A[Informer事件] --> B[MetricsRecorder.OnAdd/OnUpdate]
    B --> C[打标:informer_type=deployment, ns=default]
    C --> D[上报至Prometheus Pushgateway]
    D --> E[AlertRule:sync_duration_seconds{quantile=\"0.99\"} > 30]

第五章:从Informer到Controller Runtime的演进思考

Informer 的原始设计与局限性

Kubernetes 早期生态中,Informer 是客户端核心抽象之一,封装了 List-Watch 机制、本地缓存(DeltaFIFO + Store)、事件分发(EventHandler)等逻辑。但开发者需手动构建 SharedInformerFactory、注册 EventHandler、处理资源版本冲突、实现 Reconcile 循环——例如在 v1.16 版本中,一个典型 Deployment 控制器需约 230 行样板代码,其中 67% 用于初始化 Informer 及其依赖项。

Controller Runtime 的抽象升级路径

Controller Runtime 将控制器生命周期标准化为 Reconciler 接口(仅含 Reconcile(context.Context, reconcile.Request) (reconcile.Result, error)),并内置 Manager、Cache、Client、Scheme 等组件。以下对比展示了关键演进:

维度 Informer 原生方式 Controller Runtime v0.15+
缓存初始化 手动 new SharedInformerFactory + AddEventHandler mgr.GetCache() 自动注入多层缓存(Indexer + Informer)
Client 能力 client-go RESTClient + Scheme 显式绑定 mgr.GetClient() 提供统一 CRUD + Status 子资源操作
错误重试 自行实现指数退避 + backoff.Retry Reconciler 返回 reconcile.Result{RequeueAfter: 30s} 即触发调度

实战案例:从零迁移一个 ConfigMap 驱动的 Nginx 配置热更新控制器

原 Informer 实现中,需监听 ConfigMap 变更并调用 kubectl exec -n nginx nginx-pod -- nginx -s reload。迁移后,仅需定义如下结构体并注册:

type NginxReconciler struct {
    client.Client
    Log logr.Logger
}

func (r *NginxReconciler) Reconcile(ctx context.Context, req ctrl.Request) (ctrl.Result, error) {
    var cm corev1.ConfigMap
    if err := r.Get(ctx, req.NamespacedName, &cm); err != nil {
        return ctrl.Result{}, client.IgnoreNotFound(err)
    }
    // 触发 reload 逻辑(含 Pod 列表获取、exec 执行、错误分类)
    return ctrl.Result{RequeueAfter: time.Minute}, nil
}

Controller Runtime 自动完成:ConfigMap Informer 注册、Namespace 作用域过滤、OwnerReference 追踪、Leader 选举(启用 --leader-elect 参数后)。

深度集成 Operator SDK 与 Webhook 支持

Controller Runtime 成为 Operator SDK 底座后,支持一键生成 Validating/Mutating Webhook Server。例如为 NginxIngress CRD 添加 TLS 字段校验:

# 生成的 webhook configuration
- name: nginxingresses.k8s.example.com
  rules:
  - operations: ["CREATE", "UPDATE"]
    apiGroups: ["k8s.example.com"]
    apiVersions: ["v1"]
    resources: ["nginxingresses"]

Webhook Server 启动时自动向 kube-apiserver 注册,并通过 cert-manager 签发证书——整个流程由 operator-sdk init --layout go-accelerator 初始化脚本驱动,无需手动编写 TLS Bootstrapping 逻辑。

调试能力的实质性增强

Controller Runtime 内置 structured logging(logr)、metrics 暴露(/metrics 端点)、健康检查端点(/healthz、/readyz),且所有 controller 默认启用 trace propagation。在生产集群中,可通过 Prometheus 查询 controller_runtime_reconcile_total{controller="nginx-reconciler"} 指标,并结合 Jaeger 追踪单次 Reconcile 的耗时分布(平均 42ms,P99 为 187ms)。

生态协同演进趋势

随着 Kubernetes v1.29 引入 Server-Side Apply 原生支持,Controller Runtime v0.17 已默认启用 SSA mode(client.Options{DryRun: false, FieldManager: "nginx-operator"}),避免客户端 patch 冲突;同时,社区正在推进 controller-runtime/client 对 CEL(Common Expression Language)策略引擎的深度集成,使 Reconcile 函数可直接声明式表达资源状态约束。

专注后端开发日常,从 API 设计到性能调优,样样精通。

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