【C++专题】C++ sizeof 使用规则及陷阱分析

 
摘要:鉴于sizeof为各大软件公司笔试、面试必考题,现收集sizeof的各种用法,尽量做到全面理解,其中例子希望能举一反三。提示:下文例子都经过Visual C++ 6.0验证,平台为win32 Windows. 如在其他平台或编译器上运行有不同结果,请自行查看原因。
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目录
一、什么是sizeof
二、sizeof用法
三、基本数据类型的sizeof
四、复杂数据类型的sizeof及其数据对齐问题
五、class类型的sizeof特别探讨
六、总结
一、什么是sizeof

首先看一下sizeof在msdn上的定义:

The sizeof keyword gives the amount of storage, in bytes, associated with a variable or a type (including aggregate types). This keyword returns a value of type size_t.

看到return这个字眼,是不是想到了函数?错了,sizeof不是一个函数,你见过给一个函数传参数,而不加括号的吗?sizeof可以,所以sizeof不是函数。网上有人说sizeof是一元操作符,但是我并不这么认为,因为sizeof更像一个特殊的宏,它是在编译阶段求值的。举个例子:

1  cout<<sizeof(int)<<endl; // 32位机上int长度为4
2  cout<<sizeof(1==2)<<endl; // == 操作符返回bool类型,相当于 cout<<sizeof(bool)<<endl;

在编译阶段已经被翻译为:

1  cout<<4<<endl;
2  cout<<1<<endl;

这里有个陷阱,看下面的程序:

1  int a = 0;
2  cout<<sizeof(a=3)<<endl;
3  cout<<a<<endl;

输出为什么是4,0而不是期望中的4,3???就在于sizeof在编译阶段处理的特性。由于sizeof不能被编译成机器码,所以sizeof作用范围内,也就是()里面的内容也不能被编译,而是被替换成类型。=操作符返回左操作数的类型,所以a=3相当于int,而代码也被替换为:

int a = 0;
 cout<<4<<endl;
 cout<<a<<endl;

1 cout << sizeof("abcd") << endl;//5

"abcd"返回是字符串类型

所以,sizeof是不可能支持链式表达式的,这也是和一元操作符不一样的地方。

结论:不要把sizeof当成函数,也不要看作一元操作符,把他当成一个特殊的编译预处理。

二、sizeof的用法

sizeof有两种用法:
 
    (1)sizeof(object) 或 sizeof object 
    也就是对对象使用sizeof,也可以写成sizeof object 的形式。例如:

(2)sizeof(typename)
    也就是对类型使用sizeof,注意这种情况下写成sizeof typename是非法的。下面举几个例子说明一下:

1  int i = 2;
2  cout<<sizeof(i)<<endl; // sizeof(object)的用法,合理
3  cout<<sizeof i<<endl; // sizeof object的用法,合理
4  cout<<sizeof 2<<endl; // 2被解析成int类型的object, sizeof object的用法,合理
5  cout<<sizeof(2)<<endl; // 2被解析成int类型的object, sizeof(object)的用法,合理
6  cout<<sizeof(int)<<endl;// sizeof(typename)的用法,合理
7  cout<<sizeof int<<endl; // 错误!对于操作符,一定要加()

可以看出,加()是永远正确的选择。

结论:不论sizeof要对谁取值,最好都加上()。

三、基本数据类型的sizeof

(1)C++内置数据类型

32位C++中的基本数据类型,

  bool char short int(short) int long int(long) float double long double
sizeof 1 1 2 4 4 4 8 10

char,short int(short),int,long int(long),float,double, long double大小分别是:1,2,4,4,4,8, 10。

考虑下面的代码:

1  cout<<sizeof(unsigned int) == sizeof(int)<<endl; // 相等,输出 1

unsigned影响的只是最高位bit的意义,数据长度不会被改变的。

结论:unsigned不能影响sizeof的取值。

(2)自定义数据类型

typedef可以用来定义C++自定义类型。考虑下面的问题:

1  typedef short WORD;
2  typedef long DWORD;
3  cout<<(sizeof(short) == sizeof(WORD))<<endl; // 相等,输出1
4  cout<<(sizeof(long) == sizeof(DWORD))<<endl; // 相等,输出1

结论:自定义类型的sizeof取值等同于它的类型原形。

(3)函数类型

考虑下面的问题:

 1  int f1(){return 0;};
 2  double f2(){return 0.0;}
 3  void f3(){}
 4 
 5  cout<<sizeof(f1())<<endl; // f1()返回值为int,因此被认为是int
 6  cout<<sizeof(f2())<<endl; // f2()返回值为double,因此被认为是double
 7  cout<<sizeof(f3())<<endl; // 错误!无法对void类型使用sizeof
 8  cout<<sizeof(f1)<<endl;  // 错误!无法对函数指针使用sizeof   
 9  cout<<sizeof*f2<<endl;  // *f2,和f2()等价,因为可以看作object,所以括号不是必要的。被认为是double
10 

结论:对函数使用sizeof,在编译阶段会被函数返回值的类型取代

(4)、指针问题

考虑下面问题:
 
 cout<<sizeof(string*)<<endl; // 4
 cout<<sizeof(int*)<<endl; // 4
 cout<<sizof(char****)<<endl; // 4

可以看到,不管是什么类型的指针,大小都是4的,因为指针就是32位的物理地址。

结论:只要是指针,大小就是4。(64位机上要变成8也不一定)。

C++中的指针表示实际内存的地址。和C不一样的是,C++中取消了模式之分,也就是不再有small,middle,big,取而代之的是统一的flat。flat模式采用32位实地址寻址,而不再是c中的 segment:offset模式。举个例子,假如有一个指向地址 f000:8888的指针,如果是C类型则是8888(16位, 只存储位移,省略段),far类型的C指针是f0008888(32位,高位保留段地址,地位保留位移),C++类型的指针是f8888(32位,相当于段地址*16 + 位移,但寻址范围要更大)。

(5)、数组问题

考虑下面问题:

 1  char a[] = "abcdef";
 2  char b[] = {'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f'};
 3  int c[20] = {3, 4};
 4  char d[2][3] = {"aa", "bb"};
 5  
 6 
 7  cout<<sizeof(a)<<endl; // 7, 表示字符串
 8  cout<<sizeof(b)<<endl; // 6, 仅表示字符数组
 9  cout<<sizeof(c)<<endl; // 80
10  cout<<sizeof(d)<<endl; // 6
11 
1   cout << sizeof(*a) << endl;//1
2   cout << sizeof(*b) << endl;//1
3   cout << sizeof(*c) << endl;//4
4   cout << sizeof(*d) << endl;//3

特别如果字符数组表示字符串的话,数组末自动插入的'\0',在sizeof时不能遗漏

数组a的大小在定义时未指定,编译时给它分配的空间是按照初始化的值确定的,也就是7。c是多维数组,占用的空间大小是各维数的乘积,也就是6。可以看出,数组的大小就是他在编译时被分配的空间,也就是各维数的乘积*数组元素的大小。

结论:数组的大小是各维数的乘积*数组元素的大小。

这里有一个陷阱:

1  int *d = new int[10];

3  cout<<sizeof(d)<<endl; // 4

d是我们常说的动态数组,但是他实质上还是一个指针,所以sizeof(d)的值是4。

再分析下面的多维数组问题:

1  double* (*a)[3][6];
2  
3  cout<<sizeof(a)<<endl;  // 4
4  cout<<sizeof(*a)<<endl;  // 72
5  cout<<sizeof(**a)<<endl; // 24
6  cout<<sizeof(***a)<<endl; // 4
7  cout<<sizeof(****a)<<endl; // 8

很费解的多维数组定义,改用typedef定义如下:

1    typedef (double *) ArrType [3][6];
2    ArrType * a;

现在是不是很清晰了?(关于typedef用法的探讨,请见文章)

1    typedef (double *) ArrType [3][6];
2    ArrType * a;
3
4    cout << sizeof(a) << endl;//4
5    cout << sizeof(*a) << endl;// double * [3][6] : 3*6*sizeof(double *) = 72 
6    cout << sizeof(**a) << endl;// double * [6] :  6*sizeof(double *) = 24
7    cout << sizeof(***a) << endl;// sizeof(double *) = 4
8    cout << sizeof(****a) << endl;// sizeof(double) = 8

a是一个很奇怪的定义,他表示一个指向 double*[3][6]类型数组的指针,此3×6数组中存储的是指向double的指针。既然是指针,所以sizeof(a)就是4

既然a是指向double*[3][6]类型的指针:
   *a就表示一个double*[3][6]的多维数组类型,因此sizeof(*a)=3*6*sizeof(double*)=72。
   **a表示一个double*[6]类型的数组,所以sizeof(**a)=6*sizeof(double*)=24。
   ***a就表示其中的第一个元素,也就是double*了,所以sizeof(***a)=4。
   ****a,就是一个double了,所以sizeof(****a)=sizeof(double)=8

(6)、向函数传递数组的问题。

考虑下面的问题:

 1 #include <iostream>
 2 using namespace std;
 3 
 4 int Sum(int i[])
 5 {
 6  int sumofi = 0;
 7  for (int j = 0; j < sizeof(i)/sizeof(int); j++) //实际上,sizeof(i) = 4
 8  {
 9   sumofi += i[j];
10  }
11  return sumofi;
12 }
13 
14 int main()
15 {
16  int allAges[6] = {21, 22, 22, 19, 34, 12};
17  cout<<Sum(allAges)<<endl;
18  system("pause");
19  return 0;
20 }
21 
22 

Sum的本意是用sizeof得到数组的大小,然后求和。但是实际上,传入自函数Sum的,只是一个int 类型的指针,所以sizeof(i)=4,而不是24,所以会产生错误的结果。解决这个问题的方法使是用指针或者引用。

使用指针的情况:

 1 int Sum(int (*i)[6])
 2 {
 3  int sumofi = 0;
 4  for (int j = 0; j < sizeof(*i)/sizeof(int); j++) //sizeof(*i) = 24
 5  {
 6   sumofi += (*i)[j];
 7  }
 8  return sumofi;
 9 }
10 
11 int main()
12 {
13  int allAges[] = {21, 22, 22, 19, 34, 12};
14  cout<<Sum(&allAges)<<endl;
15  system("pause");
16  return 0;
17 }
18 
19 

在这个Sum里,i是一个指向i[6]类型的指针,注意,这里不能用int Sum(int (*i)[])声明函数,而是必须指明要传入的数组的大小,不然sizeof(*i)无法计算。但是在这种情况下,再通过sizeof来计算数组大小已经没有意义了,因为此时大小是指定为6的。

使用引用的情况和指针相似:

 1 int Sum(int (&i)[6])
 2 {
 3  int sumofi = 0;
 4  for (int j = 0; j < sizeof(i)/sizeof(int); j++)
 5  {
 6   sumofi += i[j];
 7  }
 8  return sumofi;
 9 }
10 
11 int main()
12 {
13  int allAges[] = {21, 22, 22, 19, 34, 12};
14  cout<<Sum(allAges)<<endl;
15  system("pause");
16  return 0;
17 }
18 

这种情况下sizeof的计算同样无意义,所以用数组做参数,而且需要遍历的时候,函数应该有一个参数来说明数组的大小,而数组的大小在数组定义的作用域内通过sizeof求值。因此上面的函数正确形式应该是:

 1 #include <iostream>
 2 using namespace std;
 3 
 4 int Sum(int *i, unsigned int n)
 5 {
 6  int sumofi = 0;
 7  for (int j = 0; j < n; j++)
 8  {
 9   sumofi += i[j];
10  }
11  return sumofi;
12 }
13 
14 int main()
15 {
16  int allAges[] = {21, 22, 22, 19, 34, 12};
17  cout<<Sum(i, sizeof(allAges)/sizeof(int))<<endl;
18  system("pause");
19  return 0;
20 }
21 
22 

(7)、C风格字符串与C++风格字符串类(String)的sizeof和strlen

考虑下面的问题:

 1 #include <string>
 2 using namespace std;
 3 
 4  char a[] = "abcdef";
 5  char b[20] = "abcdef";
 6  string s = "abcdef";
 7  
 8  cout<<strlen(a)<<endl;  // 6,字符串长度
 9  cout<<sizeof(a)<<endl;  // 7,字符串容量
10  cout<<strlen(b)<<endl;  // 6,字符串长度
11  cout<<sizeof(b)<<endl;  // 20,字符串容量
12  //cout<<strlen(s)<<endl;  // 错误!s不是一个字符指针。
13  cout<<sizeof(s)<<endl;  // 16, 这里不代表字符串的长度,而是string类的大小
14 
15  a[1] = '\0';
16  cout<<strlen(a)<<endl;  // 1
17  cout<<sizeof(a)<<endl;  // 7,sizeof是恒定的,因为是前面已经固定分配过7个单元,虽然现在字符串变为空串
18 

记住:String是class类型。(关于class类型的sizeof请参见第五节)

strlen是寻找从指定地址开始,到出现的第一个0之间的字符个数,他是在运行阶段执行的,而sizeof是得到数据的大小,在这里是得到字符串的容量。所以对同一个对象而言,sizeof的值是恒定的。string是C++类型的字符串,他是一个类,所以sizeof(s)表示的并不是字符串的长度,而是类string的大小。strlen(s)根本就是错误的,因为strlen的参数是一个字符指针,如果想用strlen得到s字符串的长度,应该使用sizeof(s.c_str()),因为string的成员函数c_str()返回的是字符串的首地址。实际上,string类提供了自己的成员函数来得到字符串的容量和长度,分别是Capacity()和Length()。string封装了常用了字符串操作,所以在C++开发过程中,最好使用string代替C类型的字符串。

STL中的String类:
   string的sizeof和平台相关的,string类最简单的可以近似认为是包含两个数据成员:char *指针成员( 表示字符数组)和 int成员(表示字符串长度)。但是事实上并不是这样定义的,可能还有其他数据成员,如编译器插入指针vptr等。因此根据不同的实现,可以查看String类的定义中如何定义。比如在我现在机器上,sizeof(string) = 16

四、复杂数据类型中sizeof及其数据对齐问题

(1)、union的sizeof问题与cpu的对界

考虑下面问题:(默认对齐方式)

 1  union u //8对齐
 2  {
 3   double a;
 4   int b;
 5  };
 6 
 7  union u2 //4对齐
 8  {
 9   char a[13];
10   int b;
11  };
12 
13  union u3 //1对齐
14  {
15   char a[13];
16   char b;
17  };
18 
19  cout<<sizeof(u)<<endl;  // 8
20  cout<<sizeof(u2)<<endl;  // 16
21  cout<<sizeof(u3)<<endl;  // 13
22 

都知道union的大小取决于它所有的成员中,占用空间最大的一个成员的大小。所以对于u来说,大小就是最大的double类型成员a了,所以sizeof(u)=sizeof(double)=8。但是对于u2和u3,最大的空间都是char[13]类型的数组,为什么u3的大小是13,而u2是16呢?关键在于u2中的成员int b。由于int类型成员的存在,使u2的对齐方式变成4(4字节对齐),也就是说,u2的大小必须在4的对界上,所以占用的空间变成了16(最接近13的对界)。

结论:复合数据类型,如union,struct,class的对齐方式为成员中对齐方式最大的成员的对齐方式。

编译器对界:
    首先解释下CPU对界问题,32的C++采用8位对界来提高运行速度,所以编译器会尽量把数据放在它的对界上以提高内存命中率。
   通过程序可以改变编译器对界,使用#pragma pack(x)宏可以改变编译器的对界方式,默认是8。
    编译器对界与实际对界判决原则:
   C++固有类型的对界取编译器对界方式(默认或指定)与自身大小中较小的一个.
   例如,指定编译器按2对界,int类型的大小是4,则int的对界为2和4中较小的2。
   在默认的对界方式下,因为几乎所有的数据类型都不大于默认的对界方式8(除了long double),所以所有的固有类型的对界方式可以认为就是类型自身的大小。

更改一下上面的程序:

 1 #pragma pack(2)
 2  union u2
 3  {
 4   char a[13];
 5   int b;
 6  };
 7 
 8  union u3
 9  {
10   char a[13];
11   char b;
12  };
13  #pragma pack(8)
14 
15  cout<<sizeof(u2)<<endl;  // 14
16  cout<<sizeof(u3)<<endl;  // 13
17 
18     
19 

由于手动更改对界方式为2,所以int的对界也变成了2,u2的对界取成员中最大的对界,也是2了,所以此时sizeof(u2)=14。

结论:C++固有类型的对界取编译器对界方式与自身大小中较小的一个。

(2)、struct的sizeof问题

因为对齐问题使结构体的sizeof变得比较复杂,看下面的例子:(默认对齐方式下)

 1  struct s1
 2  {
 3   char a;
 4   double b;
 5   int c;
 6   char d; 
 7  };
 8 
 9  struct s2
10  {
11   char a;
12   char d;
13   int c;
14   double b;
15  };
16 
17  cout<<sizeof(s1)<<endl; // 24
18  cout<<sizeof(s2)<<endl; // 16
19 

这里数据对齐与struct中元素的顺序相关. 上面例子中只是改变了struct中成员的定义顺序

同样是两个char类型,一个int类型,一个double类型,但是因为对界问题,导致他们的大小不同。
   计算结构体大小可以采用元素摆放法,我举例子说明一下:首先,CPU判断结构体的对界,根据上一节的结论,s1和s2的对界都取最大的元素类型,也就是double类型的对界8。然后开始摆放每个元素。
    对于s1,首先把a放到8的对界,假定是0,此时下一个空闲的地址是1,但是下一个元素d是double类型,要放到8的对界上,离1最接近的地址是8了,所以d被放在了8,此时下一个空闲地址变成了16,下一个元素c的对界是4,16可以满足,所以c放在了16,此时下一个空闲地址变成了20,下一个元素d需要对界1,也正好落在对界上,所以d放在了20,结构体在地址21处结束。由于s1的大小需要是8的倍数,所以21-23的空间被保留,s1的大小变成了24。

对于s2,首先把a放到8的对界,假定是0,此时下一个空闲地址是1,下一个元素的对界也是1,所以b摆放在1,下一个空闲地址变成了2;下一个元素c的对界是4,所以取离2最近的地址4摆放c,下一个空闲地址变成了8,下一个元素d的对界是8,所以d摆放在8,所有元素摆放完毕,结构体在15处结束,占用总空间为16,正好是8的倍数。

   总结:这里计算sizeof既要考虑数据对齐(整体上最大元素的size对齐,满足之后还要满足struct中其他元素的对齐),又要考虑最节约存储空间的原则。

(3)、嵌套struct类定义中的sizeof

这里有个陷阱,对于结构体中的结构体成员,不要认为它的对齐方式就是他的大小,看下面的例子:

 1 struct s1
 2  {
 3   char a[8];
 4  };
 5 
 6  struct s2
 7  {
 8   double d;
 9  };
10 
11  struct s3
12  {
13   s1 s;
14   char a;
15  };
16 
17  struct s4  //s1为1对齐,大小为8
18  {
19 
20     s1 s;
21     double d;
22  };
23 
24  struct s5
25  {
26   s2 s;
27   char a; 
28  };
29 
30 
31 
32  cout << sizeof(s1) << endl; // 8
33  cout << sizeof(s2) << endl; // 8
34  cout << sizeof(s3) << endl; // 9
35  cout << sizeof(s4) << endl; // 16
36  cout << sizeof(s5) <<endl; //16

再考虑:

 1 struct s1
 2  {
 3   char a[9];
 4  };
 5 
 6  struct s2
 7  {
 8   double d;
 9  };
10 
11  struct s3
12  {
13   s1 s;
14   char a;
15  };
16 
17  struct s4 //s1为1对齐,大小为9
18  {
19 
20     s1 s;
21     double d;
22  };
23 
24  struct s5
25  {
26   s2 s;
27   char a; 
28  };
29 
30 
31 
32  cout << sizeof(s1) << endl; // 9
33  cout << sizeof(s2) << endl; // 8
34  cout << sizeof(s3) << endl; // 10
35  cout << sizeof(s4) << endl; // 24
36  cout << sizeof(s5) <<endl; //16

s1和s2大小虽然都是8,但是s1的对齐方式是1,s2是8(double),所以在s3和s4中才有这样的差异。

所以,在自己定义结构体的时候,如果空间紧张的话,最好考虑对齐因素来排列结构体里的元素。

(4)、位域结构体中的对齐问题。
               
    在结构体和类中,可以使用位域来规定某个成员所能占用的空间,所以使用位域能在一定程度上节省结构体占用的空间。不过考虑下面的代码:

 1 struct s1
 2  {
 3   int i: 8;
 4   int j: 4;
 5   double b;
 6   int a:3;
 7  };
 8 
 9  struct s2
10  {
11   int i;
12   int j;
13   double b;
14   int a;
15  };
16 
17  struct s3
18  {
19   int i;
20   int j;
21   int a;
22   double b;
23  };
24 
25  struct s4
26  {
27   int i: 8;
28   int j: 4;
29   int a:3;
30   double b;
31  };
32 
33  struct s4
34  {
35   double b;
36   int i: 8;
37   int j: 4;
38   int a:3;
39  };
40 
41  cout<<sizeof(s1)<<endl;  // 24
42  cout<<sizeof(s2)<<endl;  // 24
43  cout<<sizeof(s3)<<endl;  // 24
44  cout<<sizeof(s4)<<endl;  // 16
45  cout<<sizeof(s5)<<endl;  // 16
46 
47     
48 

可以看到,有double存在会干涉到位域(sizeof的算法参考上一节),所以使用位域的的时候,最好把float类型和double类型放在程序的开始或者最后。不要让double干扰你的位域

五、类class 中的sizeof特别探讨
   
   写在前面,本节假设你看过《Inside the C++ Object Model》,如果没有,最好了解类与对象在内存中map问题

这里引用《Inside the C++ Object Model》中的对象模型的内存镜像图:

(一)不考虑继承关系(单继承、多继承、虚继承等)
  (1)不带virtual函数时
            
        空类:

1 class A
2 {

4 };

6 cout << sizeof(A) << endl; // 1

空类总是返回1

 1 class B {
 2     private :
 3          int value;
 4         double a;
 5     public:
 6 
 7 };
 8 
 9 cout << sizeof(B) << endl; //16
10 

和struct一样,也要考虑对齐问题,以及成员的顺序
   因为成员函数不会分配空间,所以sizeof时只计算数据成员的大小
        
  (2)带virtual函数时
            单继承情况下,只要class中存在virtual函数,编译器在编译时就会自动插入一个指向虚函数表的指针vptr(大小为4字节). 不同的编译器vptr插入的位置可能不同,VC编译器插入vptr的位置一般是数据成员开始。

下例在MinGW Develper Studio2.05(gcc)下编译,VC 6.0编译器下结果为24  24, 我不太理解为什么...

 1 class A
 2 {
 3 public:
 4      virtual void foo() {}
 5 private:
 6      int m1;
 7      double m2;
 8 };
 9 
10 class B
11 {
12 public:
13      virtual void foo() {}
14 private:
15      double m2;
16      int m1;
17 };
18 
19 
20 cout << sizeof(A) << endl; // 16
21 cout << sizeof(B) << endl; // 24

(3)带static成员时

1 class A {
2     private :
3          int value;
4          double a;
5          static int CST;
6     public:
7 };

9 cout << sizeof(A) << endl; //16

因为static成员是分配在全局区为类的所有对象共享(VC编译器可能为了方便将其放入文字常量表), sizeof时不应该计入sttic成员

(二)继承关系下
   (1)单继承情况下
              总体上讲, 派生类中需要考虑基类子类型(subtype)的问题,派生对象要考虑基类子对象的问题。

 1 class A
 2 {
 3 public:
 4 
 5 private:
 6      int m1;
 7      double m2;
 8 };
 9 
10 class B : public A
11 {
12 public:
13 
14 private:
15      int m3;
16 };
17 
18 cout << sizeof(A) << endl; // 16
19 cout << sizeof(B) << endl; // 24
20 

同样,要考虑陷阱:基类对齐字节不等于大小,如下例:

 1 class A
 2 {
 3 public:
 4 
 5 private:
 6      char m1[8];
 7 
 8 };
 9 
10 class B : public A
11 {
12 public:
13 
14 private:
15      char m3;
16 };
17 
18 cout << sizeof(A) << endl; // 8
19 cout << sizeof(B) << endl; // 9
20 
21 
 1 class A
 2 {
 3 public:
 4 
 5 private:
 6      char m1[9];
 7 
 8 };
 9 
10 class B : public A
11 {
12 public:
13 
14 private:
15      int m3;
16 };
17 
18 cout << sizeof(A) << endl; // 9
19 cout << sizeof(B) << endl; // 16
20 
21 

同样道理,如果一直继承下去,考虑的问题同上。有虚函数不要忘记vptr指针

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