C语言-数据类型

笔记 C语言

C语言数据类型

原文内容：https://wangdoc.com/clang/types.html
C 语言的每一种数据，都是有类型（type）的，编译器必须知道数据的类型，才能操作数据。所谓“类型”，就是相似的数据所拥有的共同特征，那么一旦知道某个值的数据类型，就能知道该值的特征和操作方式。

基本数据类型有三种：字符（char）、整数（int）和浮点数（float）。复杂的类型都是基于它们构建的。

字符类型

字符类型指的是单个字符，类型声明使用char关键字。

char c = 'B';

上面示例声明了变量c是字符类型，并将其赋值为字母B。

C 语言规定，字符常量必须放在单引号里面。

在计算机内部，字符类型使用一个字节（8位）存储。C 语言将其当作整数处理，所以字符类型就是宽度为一个字节的整数。每个字符对应一个整数（由 ASCII 码确定），比如B对应整数66。

字符类型在不同计算机的默认范围是不一样的。一些系统默认为-128到127，另一些系统默认为0到255。这两种范围正好都能覆盖0到127的 ASCII 字符范围。

只要在字符类型的范围之内，整数与字符是可以互换的，都可以赋值给字符类型的变量。

char c = 66;
// 等同于
char c = 'B';

上面示例中，变量c是字符类型，赋给它的值是整数66。这跟赋值为字符B的效果是一样的。

两个字符类型的变量可以进行数学运算。

char a = 'B'; // 等同于 char a = 66;
char b = 'C'; // 等同于 char b = 67;

printf("%d\n", a + b); // 输出 133

上面示例中，字符类型变量a和b相加，视同两个整数相加。占位符%d表示输出十进制整数，因此输出结果为133。

单引号本身也是一个字符，如果要表示这个字符常量，必须使用反斜杠转义。

char t = '\'';

上面示例中，变量t为单引号字符，由于字符常量必须放在单引号里面，所以内部的单引号要使用反斜杠转义。

这种转义的写法，主要用来表示 ASCII 码定义的一些无法打印的控制字符，它们也属于字符类型的值。

\a：警报，这会使得终端发出警报声或出现闪烁，或者两者同时发生。
\b：退格键，光标回退一个字符，但不删除字符。
\f：换页符，光标移到下一页。在现代系统上，这已经反映不出来了，行为改成类似于\v。
\n：换行符。
\r：回车符，光标移到同一行的开头。
\t：制表符，光标移到下一个水平制表位，通常是下一个8的倍数。
\v：垂直分隔符，光标移到下一个垂直制表位，通常是下一行的同一列。
\0：null 字符，代表没有内容。注意，这个值不等于数字0。

转义写法还能使用八进制和十六进制表示一个字符。

\nn：字符的八进制写法，nn为八进制值。
\xnn：字符的十六进制写法，nn为十六进制值。

char x = 'B';
char x = 66;
char x = '\102'; // 八进制
char x = '\x42'; // 十六进制

上面示例的四种写法都是等价的。

整数类型

简介

整数类型用来表示较大的整数，类型声明使用int关键字。

int a;

上面示例声明了一个整数变量a。

不同计算机的int类型的大小是不一样的。比较常见的是使用4个字节（32位）存储一个int类型的值，但是2个字节（16位）或8个字节（64位）也有可能使用。它们可以表示的整数范围如下。

16位：-32,768 到 32,767。
32位：-2,147,483,648 到 2,147,483,647。
64位：-9,223,372,036,854,775,808 到 9,223,372,036,854,775,807。

signed，unsigned

C 语言使用signed关键字，表示一个类型带有正负号，包含负值；使用unsigned关键字，表示该类型不带有正负号，只能表示零和正整数。

对于int类型，默认是带有正负号的，也就是说int等同于signed int。由于这是默认情况，关键字signed一般都省略不写，但是写了也不算错。

signed int a;
// 等同于
int a;

int类型也可以不带正负号，只表示非负整数。这时就必须使用关键字unsigned声明变量。

unsigned int a;

整数变量声明为unsigned的好处是，同样长度的内存能够表示的最大整数值，增大了一倍。比如，16位的signed int最大值为32,767，而unsigned int的最大值增大到了65,535。

unsigned int里面的int可以省略，所以上面的变量声明也可以写成下面这样。

unsigned a;

字符类型char也可以设置signed和unsigned。

signed char c; // 范围为 -128 到 127
unsigned char c; // 范围为 0 到 255

注意，C 语言规定char类型默认是否带有正负号，由当前系统决定。这就是说，char不等同于signed char，它有可能是signed char，也有可能是unsigned char。这一点与int不同，int就是等同于signed int。

整数的子类型

如果int类型使用4个或8个字节表示一个整数，对于小整数，这样做很浪费空间。另一方面，某些场合需要更大的整数，8个字节还不够。为了解决这些问题，C 语言在int类型之外，又提供了三个整数的子类型。这样有利于更精细地限定整数变量的范围，也有利于更好地表达代码的意图。

short int（简写为short）：占用空间不多于int，一般占用2个字节（整数范围为-32768～32767)。
long int（简写为long）：占用空间不少于int，至少为4个字节。
long long int（简写为long long）：占用空间多于long，至少为8个字节。

short int a;
long int b;
long long int c;

上面代码分别声明了三种整数子类型的变量。

默认情况下，short、long、long long都是带符号的（signed），即signed关键字省略了。它们也可以声明为不带符号（unsigned），使得能够表示的最大值扩大一倍。

unsigned short int a;
unsigned long int b;
unsigned long long int c;

C 语言允许省略int，所以变量声明语句也可以写成下面这样。

short a;
unsigned short a;

long b;
unsigned long b;

long long c;
unsigned long long c;

不同的计算机，数据类型的字节长度是不一样的。确实需要32位整数时，应使用long类型而不是int类型，可以确保不少于4个字节；确实需要64位的整数时，应该使用long long类型，可以确保不少于8个字节。另一方面，为了节省空间，只需要16位整数时，应使用short类型；需要8位整数时，应该使用char类型。

整数类型的极限值

有时候需要查看，当前系统不同整数类型的最大值和最小值，C 语言的头文件limits.h提供了相应的常量，比如SCHAR_MIN代表 signed char 类型的最小值-128，SCHAR_MAX代表 signed char 类型的最大值127。

为了代码的可移植性，需要知道某种整数类型的极限值时，应该尽量使用这些常量。

SCHAR_MIN，SCHAR_MAX：signed char 的最小值和最大值。
SHRT_MIN，SHRT_MAX：short 的最小值和最大值。
INT_MIN，INT_MAX：int 的最小值和最大值。
LONG_MIN，LONG_MAX：long 的最小值和最大值。
LLONG_MIN，LLONG_MAX：long long 的最小值和最大值。
UCHAR_MAX：unsigned char 的最大值。
USHRT_MAX：unsigned short 的最大值。
UINT_MAX：unsigned int 的最大值。
ULONG_MAX：unsigned long 的最大值。
ULLONG_MAX：unsigned long long 的最大值。

整数的进制

C 语言的整数默认都是十进制数，如果要表示八进制数和十六进制数，必须使用专门的表示法。

八进制使用0作为前缀，比如017、0377。

int a = 012; // 八进制，相当于十进制的10

十六进制使用0x或0X作为前缀，比如0xf、0X10。

int a = 0x1A2B; // 十六进制，相当于十进制的6699

有些编译器使用0b前缀，表示二进制数，但不是标准。

int x = 0b101010;

注意，不同的进制只是整数的书写方法，不会对整数的实际存储方式产生影响。所有整数都是二进制形式存储，跟书写方式无关。不同进制可以混合使用，比如10 + 015 + 0x20是一个合法的表达式。

printf()的进制相关占位符如下。

%d：十进制整数。
%o：八进制整数。
%x：十六进制整数。
%#o：显示前缀0的八进制整数。
%#x：显示前缀0x的十六进制整数。
%#X：显示前缀0X的十六进制整数。

int x = 100;
printf("dec = %d\n", x); // 100
printf("octal = %o\n", x); // 144
printf("hex = %x\n", x); // 64
printf("octal = %#o\n", x); // 0144
printf("hex = %#x\n", x); // 0x64
printf("hex = %#X\n", x); // 0X64

浮点数类型

任何有小数点的数值，都会被编译器解释为浮点数。所谓“浮点数”就是使用 m * b^e 的形式，存储一个数值，m是小数部分，b是基数（通常是2），e是指数部分。这种形式是精度和数值范围的一种结合，可以表示非常大或者非常小的数。

浮点数的类型声明使用float关键字，可以用来声明浮点数变量。

float c = 10.5;

上面示例中，变量c的就是浮点数类型。

float类型占用4个字节（32位），其中8位存放指数的值和符号，剩下24位存放小数的值和符号。float类型至少能够提供（十进制的）6位有效数字，指数部分的范围为（十进制的）-37到37，即数值范围为10^-37到10³⁷。

有时候，32位浮点数提供的精度或者数值范围还不够，C 语言又提供了另外两种更大的浮点数类型。

double：占用8个字节（64位），至少提供13位有效数字。
long double：通常占用16个字节。

注意，由于存在精度限制，浮点数只是一个近似值，它的计算是不精确的，比如 C 语言里面0.1 + 0.2并不等于0.3，而是有一个很小的误差。

if (0.1 + 0.2 == 0.3) // false

C 语言允许使用科学计数法表示浮点数，使用字母e来分隔小数部分和指数部分。

double x = 123.456e+3; // 123.456 x 10^3
// 等同于
double x = 123.456e3;

上面示例中，e后面如果是加号+，加号可以省略。注意，科学计数法里面e的前后，不能存在空格。

另外，科学计数法的小数部分如果是0.x或x.0的形式，那么0可以省略。

0.3E6
// 等同于
.3E6

3.0E6
// 等同于
3.E6

布尔类型

C 语言原来并没有为布尔值单独设置一个类型，而是使用整数0表示伪，所有非零值表示真。

int x = 1;
if (x) {
  printf("x is true!\n");
}

上面示例中，变量x等于1，C 语言就认为这个值代表真，从而会执行判断体内部的代码。

C99 标准添加了类型_Bool，表示布尔值。但是，这个类型其实只是整数类型的别名，还是使用0表示伪，1表示真，下面是一个示例。

_Bool isNormal;

isNormal = 1;
if (isNormal)
  printf("Everything is OK.\n");

头文件stdbool.h定义了另一个类型别名bool，并且定义了true代表1、false代表0。只要加载这个头文件，就可以使用这几个关键字。

#include <stdbool.h>

bool flag = false;

上面示例中，加载头文件stdbool.h以后，就可以使用bool定义布尔值类型，以及false和true表示真伪。

字面量的类型

字面量（literal）指的是代码里面直接出现的值。

int x = 123;

上面代码中，x是变量，123就是字面量。

编译时，字面量也会写入内存，因此编译器必须为字面量指定数据类型，就像必须为变量指定数据类型一样。

一般情况下，十进制整数字面量（比如123）会被编译器指定为int类型。如果一个数值比较大，超出了int能够表示的范围，编译器会将其指定为long int。如果数值超过了long int，会被指定为unsigned long。如果还不够大，就指定为long long或unsigned long long。

小数（比如3.14）会被指定为double类型。

字面量后缀

有时候，程序员希望为字面量指定一个不同的类型。比如，编译器将一个整数字面量指定为int类型，但是程序员希望将其指定为long类型，这时可以为该字面量加上后缀l或L，编译器就知道要把这个字面量的类型指定为long。

int x = 123L;

上面代码中，字面量123有后缀L，编译器就会将其指定为long类型。这里123L写成123l，效果也是一样的，但是建议优先使用L，因为小写的l容易跟数字1混淆。

八进制和十六进制的值，也可以使用后缀l和L指定为 Long 类型，比如020L和0x20L。

int y = 0377L;
int z = 0x7fffL;

如果希望指定为无符号整数unsigned int，可以使用后缀u或U。

int x = 123U;

L和U可以结合使用，表示unsigned long类型。L和U的大小写和组合顺序无所谓。

int x = 123LU;

对于浮点数，编译器默认指定为 double 类型，如果希望指定为其他类型，需要在小数后面添加后缀f（float）或l（long double）。

科学计数法也可以使用后缀。

1.2345e+10F
1.2345e+10L

总结一下，常用的字面量后缀有下面这些。

f和F：float类型。
l和L：对于整数是long int类型，对于小数是long double类型。
ll和LL：Long Long 类型，比如3LL。
u和U：表示unsigned int，比如15U、0377U。

u还可以与其他整数后缀结合，放在前面或后面都可以，比如10UL、10ULL和10LLU都是合法的。

下面是一些示例。

int           x = 1234;
long int      x = 1234L;
long long int x = 1234LL

unsigned int           x = 1234U;
unsigned long int      x = 1234UL;
unsigned long long int x = 1234ULL;

float x       = 3.14f;
double x      = 3.14;
long double x = 3.14L;

溢出

每一种数据类型都有数值范围，如果存放的数值超出了这个范围（小于最小值或大于最大值），需要更多的二进制位存储，就会发生溢出。大于最大值，叫做向上溢出（overflow）；小于最小值，叫做向下溢出（underflow）。

一般来说，编译器不会对溢出报错，会正常执行代码，但是会忽略多出来的二进制位，只保留剩下的位，这样往往会得到意想不到的结果。所以，应该避免溢出。

unsigned char x = 255;
x = x + 1;

printf("%d\n", x); // 0

上面示例中，变量x加1，得到的结果不是256，而是0。因为x是unsign char类型，最大值是255（二进制11111111），加1后就发生了溢出，256（二进制100000000）的最高位1被丢弃，剩下的值就是0。

再看下面的例子。

unsigned int ui = UINT_MAX;  // 4,294,967,295
ui++;
printf("ui = %u\n", ui); // 0
ui--;
printf("ui = %u\n", ui); // 4,294,967,295

上面示例中，常量UINT_MAX是 unsigned int 类型的最大值。如果加1，对于该类型就会溢出，从而得到0；而0是该类型的最小值，再减1，又会得到UINT_MAX。

溢出很容易被忽视，编译器又不会报错，所以必须非常小心。

for (unsigned int i = n; i >= 0; --i) // 错误

上面代码表面看似乎没有问题，但是循环变量i的类型是 unsigned int，这个类型的最小值是0，不可能得到小于0的结果。当i等于0，再减去1的时候，并不会返回-1，而是返回 unsigned int 的类型最大值，这个值总是大于等于0，导致无限循环。

为了避免溢出，最好方法就是将运算结果与类型的极限值进行比较。

unsigned int ui;
unsigned int sum;

// 错误
if (sum + ui > UINT_MAX) too_big();
else sum = sum + ui;

// 正确
if (ui > UINT_MAX - sum) too_big();
else sum = sum + ui;

上面示例中，变量sum和ui都是 unsigned int 类型，它们相加的和还是 unsigned int 类型，这就有可能发生溢出。但是，不能通过相加的和是否超出了最大值UINT_MAX，来判断是否发生了溢出，因为sum + ui总是返回溢出后的结果，不可能大于UINT_MAX。正确的比较方法是，判断UINT_MAX - sum与ui之间的大小关系。

下面是另一种错误的写法。

unsigned int i = 5;
unsigned int j = 7;

if (i - j < 0) // 错误
  printf("negative\n");
else
  printf("positive\n");

上面示例的运算结果，会输出positive。原因是变量i和j都是 unsigned int 类型，i - j的结果也是这个类型，最小值为0，不可能得到小于0的结果。正确的写法是写成下面这样。

if (j > i) // ....

sizeof 运算符

sizeof是 C 语言提供的一个运算符，返回某种数据类型或某个值占用的字节数量。它的参数可以是数据类型的关键字，也可以是变量名或某个具体的值。

// 参数为数据类型
int x = sizeof(int);

// 参数为变量
int i;
sizeof(i);

// 参数为数值
sizeof(3.14);

上面的第一个示例，返回得到int类型占用的字节数量（通常是4或8）。第二个示例返回整数变量占用字节数量，结果与前一个示例完全一样。第三个示例返回浮点数3.14占用的字节数量，由于浮点数的字面量一律存储为 double 类型，所以会返回8，因为 double 类型占用的8个字节。

sizeof运算符的返回值，C 语言只规定是无符号整数，并没有规定具体的类型，而是留给系统自己去决定，sizeof到底返回什么类型。不同的系统中，返回值的类型有可能是unsigned int，也有可能是unsigned long，甚至是unsigned long long，对应的printf()占位符分别是%u、%lu和%llu。这样不利于程序的可移植性。

C 语言提供了一个解决方法，创造了一个类型别名size_t，用来统一表示sizeof的返回值类型。该别名定义在stddef.h头文件（引入stdio.h时会自动引入）里面，对应当前系统的sizeof的返回值类型，可能是unsigned int，也可能是unsigned long。

C 语言还提供了一个常量SIZE_MAX，表示size_t可以表示的最大整数。所以，size_t能够表示的整数范围为[0, SIZE_MAX]。

printf()有专门的占位符%zd或%zu，用来处理size_t类型的值。

printf("%zd\n", sizeof(int));

上面代码中，不管sizeof返回值的类型是什么，%zd占位符（或%zu）都可以正确输出。

如果当前系统不支持%zd或%zu，可使用%u（unsigned int）或%lu（unsigned long int）代替。

类型的自动转换

某些情况下，C 语言会自动转换某个值的类型。

赋值运算

赋值运算符会自动将右边的值，转成左边变量的类型。

（1）浮点数赋值给整数变量

浮点数赋予整数变量时，C 语言直接丢弃小数部分，而不是四舍五入。

int x = 3.14;

上面示例中，变量x是整数类型，赋给它的值是一个浮点数。编译器会自动把3.14先转为int类型，丢弃小数部分，再赋值给x，因此x的值是3。

这种自动转换会导致部分数据的丢失（3.14丢失了小数部分），所以最好不要跨类型赋值，尽量保证变量与所要赋予的值是同一个类型。

注意，舍弃小数部分时，不是四舍五入，而是整个舍弃。

int x = 12.99;

上面示例中，x等于12，而不是四舍五入的13。

（2）整数赋值给浮点数变量

整数赋值给浮点数变量时，会自动转为浮点数。

float y = 12 * 2;

上面示例中，变量y的值不是24，而是24.0，因为等号右边的整数自动转为了浮点数。

（3）窄类型赋值给宽类型

字节宽度较小的整数类型，赋值给字节宽度较大的整数变量时，会发生类型提升，即窄类型自动转为宽类型。

比如，char或short类型赋值给int类型，会自动提升为int。

char x = 10;
int i = x + y;

上面示例中，变量x的类型是char，由于赋值给int类型，所以会自动提升为int。

（4）宽类型赋值给窄类型

字节宽度较大的类型，赋值给字节宽度较小的变量时，会发生类型降级，自动转为后者的类型。这时可能会发生截值（truncation），系统会自动截去多余的二进制位，导致难以预料的结果。

int i = 321;
char ch = i; // ch 的值是 65 （321 - 256）

上面例子中，变量ch是char类型，宽度是8个二进制位。变量i是int类型，将i赋值给ch，后者只能容纳i（二进制形式为101000001，共9位）的后八位，前面多出来的二进制位被丢弃，保留后八位就变成了01000001（十进制的65，相当于字符A）。

浮点数赋值给整数类型的值，也会发生截值，浮点数的小数部分会被截去。

double pi = 3.14159;
int i = pi; // i 的值为 3

上面示例中，i等于3，pi的小数部分被截去了。

混合类型的运算

不同类型的值进行混合计算时，必须先转成同一个类型，才能进行计算。转换规则如下：

（1）整数与浮点数混合运算时，整数转为浮点数类型，与另一个运算数类型相同。

3 + 1.2 // 4.2

上面示例是int类型与float类型的混合计算，int类型的3会先转成float的3.0，再进行计算，得到4.2。

（2）不同的浮点数类型混合运算时，宽度较小的类型转为宽度较大的类型，比如float转为double，double转为long double。

（3）不同的整数类型混合运算时，宽度较小的类型会提升为宽度较大的类型。比如short转为int，int转为long等，有时还会将带符号的类型signed转为无符号unsigned。

下面例子的执行结果，可能会出人意料。

int a = -5;
if (a < sizeof(int)）
  do_something();

上面示例中，变量a是带符号整数，sizeof(int)是size_t类型，这是一个无符号整数。按照规则，signed int 自动转为 unsigned int，所以a会自动转成无符号整数4294967291（转换规则是-5加上无符号整数的最大值，再加1），导致比较失败，do_something()不会执行。

所以，最好避免无符号整数与有符号整数的混合运算。因为这时 C 语言会自动将signed int转为unsigned int，可能不会得到预期的结果。

整数类型的运算

两个相同类型的整数运算时，或者单个整数的运算，一般来说，运算结果也属于同一类型。但是有一个例外，宽度小于int的类型，运算结果会自动提升为int。

unsigned char a = 66;

if ((-a) < 0) printf("negative\n");
else printf("positive\n");

上面示例中，变量a是 unsigned char 类型，这个类型不可能小于0，但是-a不是 unsigned char 类型，会自动转为 int 类型，导致上面的代码输出 negative。

再看下面的例子。

unsigned char a = 1;
unsigned char b = 255;
unsigned char c = 255;

if ((a - 5) < 0) do_something();
if ((b + c) > 300) do_something();

上面示例中，表达式a - 5和b + c都会自动转为 int 类型，所以函数do_something()会执行两次。

函数

函数的参数和返回值，会自动转成函数定义里指定的类型。

int dostuff(int, unsigned char);

char m = 42;
unsigned short n = 43;
long long int c = dostuff(m, n);

上面示例中，参数变量m和n不管原来的类型是什么，都会转成函数dostuff()定义的参数类型。

下面是返回值自动转换类型的例子。

char func(void) {
  int a = 42;
  return a;
}

上面示例中，函数内部的变量a是int类型，但是返回的值是char类型，因为函数定义中返回的是这个类型。

类型的显式转换

原则上，应该避免类型的自动转换，防止出现意料之外的结果。C 语言提供了类型的显式转换，允许手动转换类型。

只要在一个值或变量的前面，使用圆括号指定类型(type)，就可以将这个值或变量转为指定的类型，这叫做“类型指定”（casting）。

(unsigned char) ch

上面示例将变量ch转成无符号的字符类型。

long int y = (long int) 10 + 12;

上面示例中，(long int)将10显式转为long int类型。这里的显示转换其实是不必要的，因为赋值运算符会自动将右边的值，转为左边变量的类型。

可移植类型

C 语言的整数类型（short、int、long）在不同计算机上，占用的字节宽度可能是不一样的，无法提前知道它们到底占用多少个字节。

程序员有时控制准确的字节宽度，这样的话，代码可以有更好的可移植性，头文件stdint.h创造了一些新的类型别名。

（1）精确宽度类型(exact-width integer type)，保证某个整数类型的宽度是确定的。

int8_t：8位有符号整数。
int16_t：16位有符号整数。
int32_t：32位有符号整数。
int64_t：64位有符号整数。
uint8_t：8位无符号整数。
uint16_t：16位无符号整数。
uint32_t：32位无符号整数。
uint64_t：64位无符号整数。

上面这些都是类型别名，编译器会指定它们指向的底层类型。比如，某个系统中，如果int类型为32位，int32_t就会指向int；如果long类型为32位，int32_t则会指向long。

下面是一个使用示例。

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

int main(void) {
  int32_t x32 = 45933945;
  printf("x32 = %d\n", x32);
  return 0;
}

上面示例中，变量x32声明为int32_t类型，可以保证是32位的宽度。

（2）最小宽度类型（minimum width type），保证某个整数类型的最小长度。

int_least8_t
int_least16_t
int_least32_t
int_least64_t
uint_least8_t
uint_least16_t
uint_least32_t
uint_least64_t

上面这些类型，可以保证占据的字节不少于指定宽度。比如，int_least8_t表示可以容纳8位有符号整数的最小宽度的类型。

（3）最快的最小宽度类型（fast minimum width type），可以使整数计算达到最快的类型。

int_fast8_t
int_fast16_t
int_fast32_t
int_fast64_t
uint_fast8_t
uint_fast16_t
uint_fast32_t
uint_fast64_t

上面这些类型是保证字节宽度的同时，追求最快的运算速度，比如int_fast8_t表示对于8位有符号整数，运算速度最快的类型。这是因为某些机器对于特定宽度的数据，运算速度最快，举例来说，32位计算机对于32位数据的运算速度，会快于16位数据。

（4）可以保存指针的整数类型。

intptr_t：可以存储指针（内存地址）的有符号整数类型。
uintptr_t：可以存储指针的无符号整数类型。

（5）最大宽度整数类型，用于存放最大的整数。

intmax_t：可以存储任何有效的有符号整数的类型。
uintmax_t：可以存放任何有效的无符号整数的类型。

上面的这两个类型的宽度比long long和unsigned long更大。

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