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進(jìn)程管理機(jī)制

4.1 進(jìn)程(process)的概念

現(xiàn)代操作系統(tǒng)的重要特點(diǎn)是程序的并發(fā)執(zhí)行,及系統(tǒng)所擁有的資源被共享和系統(tǒng)的用戶隨機(jī)地使用。這三個(gè)特點(diǎn)是互相聯(lián)系和互相依賴的,它們是互相獨(dú)立的用戶如何使用有限的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的反映。通常,操作系統(tǒng)的重要任務(wù)之一是使用戶充分、有效地利用系統(tǒng)資源。采用一個(gè)什么樣的概念,來描述計(jì)算機(jī)程序的執(zhí)行過程和作為資源分配的基本單位才能充分反映操作系統(tǒng)的執(zhí)行并發(fā)、資源共享及用戶隨機(jī)的特點(diǎn)呢?這個(gè)概念就是進(jìn)程。為了講清進(jìn)程的概念,以及引入進(jìn)程概念的必要性等,下面將從操作系統(tǒng)的特點(diǎn)講起。

4.1.1 程序的并發(fā)執(zhí)行

4.1.1.1 程序的順序執(zhí)行

 程序
是一個(gè)在時(shí)間上按嚴(yán)格次序前后相繼的操作序列,是一個(gè)靜態(tài)的概念。
 
一個(gè)具有獨(dú)立功能的程序獨(dú)占處理機(jī)直至得到最終結(jié)果的過程稱為程序的順序執(zhí)行

 順序執(zhí)行的特征
 ¨         順序性:程序順序執(zhí)行時(shí),其執(zhí)行過程可看做一系列嚴(yán)格按程序規(guī)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程,也就是每執(zhí)行一條指令,系統(tǒng)就從
上一個(gè)執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)執(zhí)行狀態(tài),且上一條指令的執(zhí)行結(jié)束是下一條指令執(zhí)行開始的充分必要條件;
 
¨         封閉性程序執(zhí)行得到的結(jié)果由給定的初始條件決定,不受外界因素的影響;
 
¨         可再現(xiàn)性:順序執(zhí)行的最終結(jié)果可再現(xiàn)是說它與執(zhí)行速度無關(guān)。只要輸入的初始條件相同,則無論何時(shí)重復(fù)執(zhí)行該程序都會得到相同的結(jié)果。

4.1.1.2 多道程序系統(tǒng)中程序執(zhí)行環(huán)境的變化
  
多道程序設(shè)計(jì)是指允許多個(gè)程序同時(shí)進(jìn)入內(nèi)存并運(yùn)行。
   多道程序設(shè)計(jì)的根本目的是提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。
   多道程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn):獨(dú)立性; 隨機(jī)性, 資源共享性。

  
  
多道程序設(shè)計(jì)例子。

4.1.1.3 程序的并發(fā)執(zhí)行 

   所謂并發(fā)執(zhí)行,是為了增強(qiáng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的處理能力和提高資源利用率所采取的一種同時(shí)操作技術(shù)。
  
現(xiàn)在的操作系統(tǒng)多為并發(fā)執(zhí)行,具有許多新的特征。引入并發(fā)執(zhí)行的目的是為了提高資源利用率。
  
   程序的并發(fā)執(zhí)行可進(jìn)一步分為兩種:
  

第一種是多道程序系統(tǒng)的程序執(zhí)行環(huán)境變化所引起的多道程序的并發(fā)執(zhí)行。
  
第二種并發(fā)執(zhí)行是在某道程序的幾個(gè)程序段中(例如幾個(gè)程序),包含著一部分可以同時(shí)執(zhí)行或順序顛倒執(zhí)行的代碼。


  (1) 并發(fā)執(zhí)行的特征
 ¨         間斷性:一個(gè)程序可能走到中途停下來,失去原有的時(shí)序關(guān)系;
 
¨         失去封閉性:共享資源,受其他程序的控制邏輯的影響。
 
¨         失去可再現(xiàn)性:失去封閉性 >失去可再現(xiàn)性;外界環(huán)境在程序的兩次執(zhí)行期間發(fā)生變化,失去原有的可重復(fù)特征 。

  (2)
并發(fā)執(zhí)行的條件
達(dá)到封閉性和可再現(xiàn)性
  并發(fā)執(zhí)行失去封閉性的原因是共享資源的影響,去掉這種影響就行了。1966年,由Bernstein給出并發(fā)執(zhí)行的條件。
 
¨         程序 P(i) 針對共享變量的讀集和寫集 R(i)W(i)
 
¨         條件:任意兩個(gè)程序P(i)P(j),有:
 
²        R(i)ÇW(j)=F;
 
²        W(i)ÇR(j)=F;
 
²        W(i)ÇW(j)=F;

 
前兩條保證一個(gè)程序的兩次讀之間數(shù)據(jù)不變化;最后一條保證寫的結(jié)果不丟掉。
 (3) 并發(fā)執(zhí)行產(chǎn)生的影響:導(dǎo)致資源共享和資源競爭,從而改變程序的執(zhí)行速度。

4.1.2 進(jìn)程的定義

1. 進(jìn)程的定義
  
一個(gè)具有一定獨(dú)立功能的程序在一個(gè)數(shù)據(jù)集合上的一次動態(tài)執(zhí)行過程。

2. 進(jìn)程與程序的區(qū)別
 
(1) 進(jìn)程是一個(gè)動態(tài)的概念,而程序則一個(gè)是靜態(tài)的概念。程序是指令的有序集合,沒有任何執(zhí)行的含義。而進(jìn)程 則強(qiáng)調(diào)執(zhí)行過程,它動態(tài)的被創(chuàng)建,并被調(diào)度執(zhí)行后消亡。
 (2)
進(jìn)程具有并行特性,而程序沒有。
 (3)
進(jìn)程是競爭計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的基本單位,從而其并行性受到系統(tǒng)自己的制約。這里,制約就是對進(jìn)程獨(dú)立性和異步性的限制。
 (4)
不同的進(jìn)程可以包含同一程序,只要該程序所對應(yīng)的數(shù)據(jù)集不同。

4.1.3 作業(yè)和進(jìn)程的關(guān)系

作業(yè)是用戶需要計(jì)算機(jī)完成某項(xiàng)任務(wù)時(shí)要求計(jì)算機(jī)所作工作的集合。一個(gè)作業(yè)的完成要經(jīng)過作業(yè)提交、作業(yè)收容作業(yè)執(zhí)行作業(yè)完成四個(gè)階段。而進(jìn)程則是已提交完畢的程序的執(zhí)行過程的描述,是資源分配的基本單位。其主要的區(qū)別與關(guān)系如下:

 (1) 作業(yè)是用戶向計(jì)算機(jī)提交任務(wù)的任務(wù)實(shí)體。在用戶向計(jì)算機(jī)提交作業(yè)之后,系統(tǒng)將它放入外存中的作業(yè)等待隊(duì)列中等待執(zhí)行,而進(jìn)程則是完成用戶任務(wù)的執(zhí)行實(shí)體,是向系統(tǒng)申請分配資源的基本單位。任一進(jìn)程,只要它被創(chuàng)建,總有相應(yīng)的部分存在于內(nèi)存中。

 (2) 一個(gè)作業(yè)可由多個(gè)進(jìn)程組成。且必須至少由一個(gè)進(jìn)程組成,但反過來不成立。

 (3) 作業(yè)的概念主要用在批處理系統(tǒng)中。像UNIX這樣的分時(shí)系統(tǒng)中,則沒有作業(yè)概念。而進(jìn)程的概念則用在幾乎所有的多道程序系統(tǒng)中。 

4.2 進(jìn)程的描述

4.2.1 進(jìn)程控制塊(PCB,process control block

  
 
  進(jìn)程控制塊PCB集中反映一個(gè)進(jìn)程的動態(tài)特征。在進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行時(shí),由于資源共享,帶來各進(jìn)程之間的相互制約。顯然,為了反映這些制約關(guān)系和資源共享關(guān)系,在創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程時(shí),應(yīng)首先創(chuàng)建其PCB,然后才能根據(jù)PCB中信息對進(jìn)程實(shí)施有效的管理和控制。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程完成其功能時(shí)之后,系統(tǒng)則釋放PCB,進(jìn)程也隨之消亡。

    進(jìn)程控制塊的內(nèi)容包括:
  進(jìn)程描述信息: 進(jìn)程名或進(jìn)程標(biāo)識號:每個(gè)進(jìn)程都有唯一的進(jìn)程名或進(jìn)程標(biāo)識號。在識別一個(gè)進(jìn)程時(shí),進(jìn)程名或進(jìn)程標(biāo)識號代表該進(jìn)程。 用戶名或用戶標(biāo)識號:每個(gè)進(jìn)程都隸屬于某個(gè)用戶,用戶名或用戶標(biāo)識號有利于資源共享與保護(hù)。 家族關(guān)系:在有的系統(tǒng)中,進(jìn)程之間互成家族關(guān)系。

  進(jìn)程控制信息:
  進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài):說明進(jìn)程當(dāng)前處于何種狀態(tài)。進(jìn)程在活動期間可分為就緒態(tài)、執(zhí)行態(tài)和等待狀態(tài)。
  進(jìn)程優(yōu)先級(priority):進(jìn)程優(yōu)先級是選取進(jìn)程占有處理機(jī)的重要依據(jù)。與進(jìn)程優(yōu)先級有關(guān)的PCB表項(xiàng)還有:占有CPU時(shí)間,進(jìn)程優(yōu)先級偏移,占據(jù)內(nèi)存時(shí)間等。 程序  
  開始地址:程序開始地址規(guī)定該進(jìn)程的程序以此地址開始執(zhí)行。
  各種計(jì)時(shí)信息:給出進(jìn)程占有和利用資源的有關(guān)情況。
  通信信息:通信信息用來說明該進(jìn)程在執(zhí)行過程中與別的進(jìn)程所發(fā)生的信息交換情況。

  資源管理信息:
  占用內(nèi)存大小及其管理用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指針。
  在某些復(fù)雜系統(tǒng)中,還有對換或覆蓋用的有關(guān)信息。
  共享程序段大小及起始地址。
  輸入輸出設(shè)備的設(shè)備號,所要傳送的數(shù)據(jù)長度、緩沖區(qū)地址、緩沖區(qū)長度及所用設(shè)備的有關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指針等。
  指向文件系統(tǒng)的指針及有關(guān)標(biāo)識等。進(jìn)程可使用這些信息對文件系統(tǒng)進(jìn)行操作。

  CPU現(xiàn)場保護(hù)結(jié)構(gòu):寄存器值(通用、程序計(jì)數(shù)器PC、狀態(tài)PSW,地址包括棧指針)

閱讀資料:

1. PCB的組織方式
 
PCB的組織方式將處于同一狀態(tài)的進(jìn)程組織在一起。 鏈表:同一狀態(tài)的進(jìn)程其PCB成一鏈表,多個(gè)狀態(tài)對應(yīng)多個(gè)不同的鏈表
    各狀態(tài)的進(jìn)程形成不同的鏈表:就緒鏈表、阻塞鏈表


 
索引表:同一狀態(tài)的進(jìn)程歸入一個(gè)index表(由index指向PCB),多個(gè)狀態(tài)對應(yīng)多個(gè)不同的index表
   各狀態(tài)的進(jìn)行形成不同的索引表:就緒索引表、阻塞索引表

  PCB的組織

2. 進(jìn)程隊(duì)列

 
為了實(shí)現(xiàn)對進(jìn)程的管理,系統(tǒng)將所有進(jìn)程的PCB排成若干個(gè)隊(duì)列,稱為進(jìn)程隊(duì)列。
  進(jìn)程隊(duì)列通常系統(tǒng)中分成三類:就緒隊(duì)列, 等待隊(duì)列, 運(yùn)行隊(duì)列。

 
4.2.2 進(jìn)程上下文
    進(jìn)程上下文是進(jìn)程執(zhí)行活動全過程的靜態(tài)描述。具體地說,進(jìn)程上下文包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中執(zhí)行該進(jìn)程有關(guān)地各種寄存器(例如通用寄存器、
程序計(jì)數(shù)器PC、程序狀態(tài)字寄存器PS,等)的值、程序段在經(jīng)過編譯之后形成的機(jī)器指令代碼集(或稱正文段)、數(shù)據(jù)集及各種堆棧值和PCB結(jié)構(gòu)。
    進(jìn)程上下文的例子時(shí)UNIX系統(tǒng)。在UNIX System V中,進(jìn)程上下文由用戶級上下文、寄存器上下文以及系統(tǒng)級上下文組成。
用戶級上下文:進(jìn)程的用戶地址空間(包括用戶棧各層次),包括用戶正文段、用戶數(shù)據(jù)段和用戶棧;寄存器級上下文:程序寄存器、
處理機(jī)狀態(tài)寄存器PS、棧指針、通用寄存器的值;
    系統(tǒng)級上下文:
    靜態(tài)部分(PCB和資源表格),核心棧;
動態(tài)部分:與寄存器上下文相關(guān)聯(lián)的。
     如下圖所示。
  進(jìn)程上下文
4.2.3 進(jìn)程空間
   任一進(jìn)程,都有一個(gè)自己的地址空間,把該空間稱為進(jìn)程空間虛空間。進(jìn)程空間的大小只與處理機(jī)的位數(shù)有關(guān)。程序的執(zhí)行都在進(jìn)程空間內(nèi)進(jìn)行。
用 戶程序、進(jìn)程的各種控制表格等都按一定的結(jié)構(gòu)排列在進(jìn)程空間中。  進(jìn)程空間被劃分為用戶空間和系統(tǒng)空間兩大部分。


圖   進(jìn)程空間示例

用戶程序在用戶空間內(nèi)執(zhí)行,而操作系統(tǒng)內(nèi)核程序則在進(jìn)程的系統(tǒng)空間內(nèi)執(zhí)行。

4.3 進(jìn)程狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換

4.3.1 進(jìn)程狀態(tài)
  
一個(gè)進(jìn)程的生命期可以劃分為一組狀態(tài),這些狀態(tài)刻劃了整個(gè)進(jìn)程。系統(tǒng)根據(jù)PCB結(jié)構(gòu)中的狀態(tài)值控制進(jìn)程。
  
執(zhí)行狀態(tài)一個(gè)進(jìn)程在并發(fā)執(zhí)行中,由于資源共享與競爭,處于執(zhí)行狀態(tài)。
  
²        用戶執(zhí)行狀態(tài)(用戶態(tài)) :進(jìn)程的用戶程序段在執(zhí)行時(shí)所處的狀態(tài)。
  
²        系統(tǒng)執(zhí)行狀態(tài)(系統(tǒng)態(tài)或核心態(tài)):進(jìn)程的系統(tǒng)程序段在執(zhí)行時(shí)所處的狀態(tài)。
       
等待狀態(tài):進(jìn)程則因等待某種事件發(fā)生而處于等待狀態(tài)。
       
就緒狀態(tài)進(jìn)程得到了除CPU之外的其他資源,只要由調(diào)度得到處理機(jī),便可立即投入執(zhí)行。
  ²        內(nèi)存就緒狀態(tài): 可以立即投入執(zhí)行。
  ²        外存就緒狀態(tài): 只有先成為內(nèi)存就緒狀態(tài)后,才可能被調(diào)度執(zhí)行。

4.3.2 進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換

    進(jìn)程的狀態(tài)反映進(jìn)程執(zhí)行進(jìn)程的變化。這些狀態(tài)隨著進(jìn)程的執(zhí)行和外界條件發(fā)生變化和轉(zhuǎn)換。下圖給出了有一個(gè)基本狀態(tài),即就緒狀態(tài)、執(zhí)行狀態(tài)與等待狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

  
圖  進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換

 

4.4 進(jìn)程控制

   進(jìn)程和處理機(jī)管理的一個(gè)重要任務(wù)是進(jìn)程控制。

   進(jìn)程控制,系統(tǒng)使用一些具有特定功能的程序段來創(chuàng)建、撤消進(jìn)程以及完成進(jìn)程各狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換,從而達(dá)到多進(jìn)程高效率并發(fā)執(zhí)行和協(xié)調(diào)、實(shí)現(xiàn)資源共享的目的。一般,我們把系統(tǒng)態(tài)下執(zhí)行的某些具有持定功能的程序段稱為原語。

   原語可分為兩類:

 ²        機(jī)器指令級的:其特點(diǎn)是執(zhí)行期間不允許中斷,它是一個(gè)不可分割的基本單位。

 ²        功能級的:其特點(diǎn)是作為原語的程序段不允許并發(fā)執(zhí)行。

  用于進(jìn)程控制的原語有創(chuàng)建原語,撤消原語,阻塞原語,喚醒原語等。
 
 
4.4.1 進(jìn)程的創(chuàng)建和撤銷
 
 
1. 創(chuàng)建
 
  進(jìn)程創(chuàng)建方式有以下幾種:
1)由系統(tǒng)程序模塊統(tǒng)一創(chuàng)建,例如在批處理系統(tǒng)中,由操作系統(tǒng)的作業(yè)調(diào)度程序?yàn)橛米鳂I(yè)創(chuàng)建相應(yīng)的進(jìn)程以完成用戶作業(yè)所要求的功能。
2)由父進(jìn)程創(chuàng)建,例如在層次結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中,父進(jìn)程創(chuàng)建子進(jìn)程以完成并行工作。
 
  由系統(tǒng)統(tǒng)一創(chuàng)建的進(jìn)程之間的關(guān)系是平等的,它們之間一般不存在資源繼承關(guān)系。而在父進(jìn)程創(chuàng)建的進(jìn)程之間則存在隸屬關(guān)系,且互相構(gòu)成樹型結(jié)構(gòu)的。屬于某個(gè)家族的一個(gè)進(jìn)程可以繼承其父進(jìn)程所擁有的資源。另外,無論是哪一種方式創(chuàng)建進(jìn)程,在系統(tǒng)生成時(shí),都必須由操作系統(tǒng)創(chuàng)建一部分承擔(dān)系統(tǒng)資源分配和管理工作的系統(tǒng)進(jìn)程。
  無論是系統(tǒng)創(chuàng)建方式還是父進(jìn)程創(chuàng)建方式,都必須調(diào)用創(chuàng)建原語來實(shí)現(xiàn)。創(chuàng)建原語掃描系統(tǒng)的PCB鏈表,在找到一定PCB鏈表之后,填入調(diào)用者提供的有關(guān)參數(shù),最后形成代表進(jìn)程的PCB結(jié)構(gòu)。這些參數(shù)包括:進(jìn)程名、進(jìn)程優(yōu)先級P0、進(jìn)程正文段起始地址d0、資源清單R0等。

創(chuàng)建原語流圖



   2. 進(jìn)程撤消

 
   進(jìn)程撤消
或稱為“終止”,exit;或主程序返回:C中的main()。調(diào)用exit()可終止進(jìn)程。
  
   以下幾種情況導(dǎo)致進(jìn)程被撤消:

 
  (1)該進(jìn)程已完成所要求的功能而正常終止。
 
(2)由于某種錯(cuò)誤導(dǎo)致非正常終止。
  (3)祖先進(jìn)程要求撤消某個(gè)子進(jìn)程。
 
  無論哪一種情況導(dǎo)致進(jìn)程被撤消,進(jìn)程都必須釋放它所占用的各種資源和PCB結(jié)構(gòu)本身,以利于資源的有效利用。當(dāng)然,一個(gè)進(jìn)程所占有的某些資源在使用結(jié)束時(shí)可能早已釋放。

  另外,當(dāng)一個(gè)祖先進(jìn)程撤消某個(gè)子進(jìn)程時(shí),還需審查該子進(jìn)程是否還有自己的子孫進(jìn)程,若有的話,還需撤消其于孫進(jìn)程的PCB結(jié)構(gòu)和釋放它們所占有的資源(為什么?)。


  撤消原語首先檢查PCB進(jìn)程鏈或進(jìn)程家族,尋找所要撤消的進(jìn)程是否存在。如果找到了所要撤消的進(jìn)程的PCB結(jié)構(gòu),則撤消原語釋放該進(jìn)程所占有的資源之后,把對應(yīng)的PCB結(jié)構(gòu)從進(jìn)程鏈或進(jìn)程家族中摘下并返回給PCB空隊(duì)列。如果被撤消的進(jìn)程有自己的子進(jìn)程,則撤消原語先撤消其子進(jìn)程的PCB結(jié)構(gòu)并釋放子進(jìn)程所占用的資源之后,再撤消當(dāng)前進(jìn)程的PCB結(jié)構(gòu)和釋放其資源。

             

                            圖  撤消原語流圖


4.4.2 進(jìn)程的阻塞和喚醒

   進(jìn)程的創(chuàng)建原語和撤消原語完成了進(jìn)程從無到有,從存在到消亡的變化。被創(chuàng)建后的進(jìn)程最初處于就緒狀態(tài),然后經(jīng)調(diào)度程序選中后進(jìn)入執(zhí)行狀態(tài)。有關(guān)進(jìn)程調(diào)度部分將放在下一章中詳述,這里主要介紹實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的執(zhí)行狀態(tài)到等待狀態(tài),又由等待狀態(tài)到就緒狀態(tài)轉(zhuǎn)換的兩種原語,即阻塞原語喚醒原語。


      1.
      
阻塞原語

 
   阻塞原語在一個(gè)進(jìn)程期待某一事件(例如鍵盤輸入數(shù)據(jù)、寫盤、其它進(jìn)程發(fā)來的數(shù)據(jù)等)發(fā)生,但發(fā)生條件尚不具備時(shí),被該進(jìn)程自己調(diào)用來阻塞自己。阻塞原語在阻塞一個(gè)進(jìn)程時(shí),由于該進(jìn)程正處于執(zhí)行狀態(tài),故應(yīng)先中斷處理機(jī)和保存該進(jìn)程的CPU現(xiàn)場。然后將被阻塞進(jìn)程置“阻塞”狀態(tài)后插入等待隊(duì)列中,再轉(zhuǎn)進(jìn)程調(diào)度程序選擇新的就緒進(jìn)程投入運(yùn)行。
     
      2.
      
喚醒原語


  
當(dāng)?shù)却?duì)列中的進(jìn)程所等待的事件發(fā)生時(shí),等待該事件的所有進(jìn)程都將被喚醒。顯然,一個(gè)處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程不可能自己喚醒自己(為什么?)喚醒一個(gè)進(jìn)程有兩種方法:一種是由系統(tǒng)進(jìn)程喚醒。另一種是由事件發(fā)生進(jìn)程喚醒。當(dāng)由系統(tǒng)進(jìn)程喚醒等待進(jìn)程時(shí),系統(tǒng)進(jìn)程統(tǒng)一控制事件的發(fā)生并將“事件發(fā)生”這一消息通知等待進(jìn)程。從而使得該進(jìn)程因等待事件已發(fā)生而進(jìn)入就緒隊(duì)列。等待進(jìn)程也可由事件發(fā)生進(jìn)喚醒。由事件發(fā)生進(jìn)程喚醒時(shí),事件發(fā)生進(jìn)程和被喚醒進(jìn)程之間是合作關(guān)系。因此,喚醒原語既可被系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)用,也可被事件發(fā)生進(jìn)程調(diào)用。我們稱調(diào)用喚醒原語的進(jìn)程為喚醒進(jìn)程。
   
    喚醒原語首先將被喚醒進(jìn)程從相應(yīng)的等待隊(duì)列中摘下,將被喚醒進(jìn)程置為就緒狀態(tài)之后,送入就緒隊(duì)列。在把被喚醒進(jìn)程送入就緒隊(duì)列之后,喚醒原語既可以返回原調(diào)用程序,也可以轉(zhuǎn)向進(jìn)程調(diào)度,以便讓調(diào)度程序有機(jī)會選擇一個(gè)合適的進(jìn)程執(zhí)行。

 

 
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