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  • 2021-07-30 10:56:05

    1.同步和互斥:

    同步(直接制约关系):指的是完成同一任务的伙伴进程间,因需要协调它们的工作而等待、传递信息等。(z(进程1)和m(进程2)需要完成买东西的任务,z把钱给了m,m才能去买东西。)

    互斥(间接制约关系):指的是两个进程因需要同一个互斥资源(资源只能给一个进程使用)而产生的制约关系。(z(进程1)和m(进程2)都需要使用打印机,只能z用完才能给m。)

    2.信号量机制

    信号量机制包括信号量和P、V操作。

    (1)信号量S是一个整型变量(信号量可以看做是资源)。

    (2)    P操作就是当S的值大于等于1时,让信号量S的值减1(S=S-1);当信号量的值小于0时,需要等待其它进程操作,使得S的值大于等于1。(可以理解为,没有资源就不可以执行程序)。

     (3)  V 操作就是讲S的值加1;(S=S+1)(可以理解为使用完释放资源)。

    3.使用信号量实现进程(线程)互斥

    假设有信号量mutex,我们设置它的初始值是1;(mutex = 1表示刚开始资源的数量为1)

    假设有两个线程:线程1和线程2,使用以下方法实现互斥:

    线程1:
    P(mutex);//初始时mutex的值为1,因此这条操作会执行mutex = mutex-1;现在mutex = 0;
    f1();
    V(mutex);//在执行这个之前mutex=0。这条操作执行mutex = mutex+1;现在mutex = 1;
    
    线程2:
    P(mutex);//当在执行f1()的时候,mutex的值为0,因此处于等待资源状态,等到f1()执行完,mutex=1,可执行f2();
    f2();
    V(mutex);
    

    上面的方法,使得每次只有一个进程(线程)可以执行。

    4.使用信号量实现进程(线程)同步:

    假设有信号量synch,我们设置它的初始值是0;(synch = 0表示刚开始资源的数量为0)

    假设有两个线程:线程1和线程2,使用以下方法实现同步:

    线程1:
    f1();
    V(synch);//在这之前synch的值为0,执行这个操作后synch=1;
    
    线程2:
    P(synch);//在不执行f1()之前,synch=0,等待资源。执行完线程1,synch=1可以执行f2();
    f2();

    上边的操作可以实现进程(线程)之间的同步,使得f2()在f1()之后进行。

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    千次阅读 2020-03-11 16:56:31
    信号量(Semaphores)机制 信号量实现互斥的基本原理 为实现实现进程的互斥与同步,多个进程通过相互传递信号进行合作,迫使某个进程收到信号自动的暂停执行(阻塞等待),直到他收到唤醒信号。 类比:一堆人排队...

    信号量(Semaphores)机制

    信号量实现互斥的基本原理

    为实现实现进程的互斥与同步,多个进程通过相互传递信号进行合作,迫使某个进程收到信号自动的暂停执行(阻塞等待),直到他收到唤醒信号。在这里插入图片描述
    类比:一堆人排队看病。第一个来的人看见亮绿灯,直接进去,第二个看到里面亮红灯,睡觉休息。看好病的认出来灯变成绿灯,但是都睡着了,要去叫醒下一个病人。

    信号量定义
    • Value:资源数,目类比为——诊所一次性可以接待的人

      • 若value为1,表示访问临界资源,则是处理互斥情况
      • 若value大于1,表示访问非临界资源,处理的是进程同步问题
    • L:list of process,进程链表,链接所有的等待的进行进程。就是上图的排队看病的病人。在这里插入图片描述

    定义信号量的两个原子操作(Atomic Operation)——每个病人必须都会的能力
    1. wait(S)/P(S),整型信号量——判断诊所有没有人和睡觉的能力
    • 使信号量的值减一(申请一个单位的资源)
    • 判定条件(根据信号量决定自己的具体执行)
      • 如果信号量的值为负数,其绝对值代表正在排队等待,陷入阻塞的进程。同时系统资源已经分配完毕,进程自己阻塞在S的队列上,等待阻塞;
      • 如果信号量的值为正数,其意义为诊所还可以再治疗一个人;资源尚有剩余,可以直接仅需占用资源无需等待
    s = s - 1;
    //申请占用一个资源 
    if s < 0
    //占用之后小于零,说明已经没有资源使用
    then begin 
      进程阻塞
      进程进入S.L队列等待
    end
    

    在这里插入图片描述
    2. signal(S)/V(S),整型变量——叫醒下一个人

    • 使信号量的值减一(归还一个单位的资源)
    • 判定条件 (根据信号量决定自己的具体执行)
      • 如果信号量的值为负数,说明仍旧有病人再睡觉等待,则要去叫醒下一个病人。即唤醒仍旧在排队等待的进程
      • 如果信号量的值为正数,说明没有病人在等待,无需叫醒别人,走就行了。
    s = s + 1;
    //结束占用,归还资源 
    if s <=0
    //s为零,说明仅仅只有一个一个进行排队,要叫醒它
    //s为负数,说明有不止一个在排队,
    then begin 
      唤醒队首进程;
      将进程从S.L阻塞队列中移除;
    end
    

    在这里插入图片描述

    1. S.value的初值标识系统中某种资源的数目,称之为资源信号量,执行wait(S)|P(S)操作是申请占用资源,但不是分配资源,分配资源是在执行时进行的;signal(S)|V(S)每一次操作,是释放一个单位的资源

    信号量机制的通用模式

    在这里插入图片描述

    wait,signal的注意事项

    1. wait和signal的执行时机:
      • wait:是在进入临界区的前的进入区,并不涉及到分配资源,分配资源,就意味着执行。
      • signal:是在退出临界区的退出区

    在这里插入图片描述

    1. 注意两个语句的判定条件是不一样的,都是先对临界资源数目进行操作。在这里插入图片描述
      wait判定条件是小于零,已经申请了一个资源,若此时还为0,说明就只有一个资源,刚好你取了,所以要去执行。所以判定条件是小于零。
      在这里插入图片描述
      signal(S)判定条件是小于等于0。signal是否唤醒的条件是有唤醒的对象,资源符号量的正数表示有资源,非正数表示有人在排队。

    信号量的类型

    1. 信号量分为:互斥信号量和资源信号量
    • 互斥信号量的初始化为1,主要用于使用共享资源的约束关系。
    • 资源信号量的初始化为大于1的整数,主要用于进程之间存在一定的逻辑关系,需要再执行次序上进行协调。
    1. wait(S)操作用于申请资源,执行者会主动陷入阻塞状态
    2. signal(S)操作用于释放资源,执行者会主动唤醒处于阻塞状态的其他进程,其他进程被动唤醒。

    注意

    在一个多道程序系统之间,进程之间存在着不同关系,可以大致划分为两大类:其中同步指的是进程之间存在一定的逻辑关系,需要在执行次序上协调:互斥是指进程间在使用共享资源方面上的约束关系。解决上述两个问题常用的方法是信号量机制。

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  • uCos中的信号量机制

    千次阅读 2020-08-19 22:20:49
    今天老师上课讲到了uC/OS中的信号量机制,所以我想要结合[《μC/OS-III源码分析笔记》]和中国大学MOOC-电子科技大学[《嵌入式系统及应用》]PPT写一篇笔记对这部分的内容进行总结。

    1. 背景

    前段时间老师上课讲到了uC/OS中的信号量机制,所以我想要结合《μC/OS-III源码分析笔记》和中国大学MOOC-电子科技大学《嵌入式系统及应用》PPT写一篇笔记对这部分的内容进行总结。

    2. 概述

    2.1. 主要机制及应用

    Figure 1. 模型 \text{Figure 1. 模型} Figure 1. 模型

    • 在单处理器平台上,嵌入式操作系统内核提供的同步、互斥与通信机制
      主要包括:
      • 信号量(semaphore),用于互斥与同步。
      • 事件(组)(event group),用于同步。
      • 邮箱(mailbox)、消息队列(message queue),用于消息通信。
      • 异步信号(asynchronous signal),用于同步。
      • 管道(pipe),提供非结构化数据交换(通信)和实现同步。
    • 单处理器或多处理器系统中,还有其它一些机制也可用于同步与通信:
      • 全局变量
      • 共享内存
      • Sockets
      • 远程过程调用(Remote Procedure Call)

    2.2. 同步或通信的基本方式

    Figure 2. 同步或通信的基本方式 \text{Figure 2. 同步或通信的基本方式} Figure 2. 同步或通信的基本方式

    3. 信号量

    3.1. 主要机制及应用

    • 在单处理器平台上,嵌入式操作系统内核提供的同步、互斥与通信机制 主要包括:
      • 信号量(semaphore),用于互斥与同步。
      • 事件(组)(event group),用于同步。
      • 邮箱(mailbox)、消息队列(message queue),用于消息通信。
      • 异步信号(asynchronous signal),用于同步。
      • 管道(pipe),提供非结构化数据交换(通信)和实现同步。
    • 单处理器或多处理器系统中,还有其它一些机制也可用于同步与通信: 全局变量、共享内存、Sockets、远程过程调用(Remote Procedure Call)。

    3.2. 分类

    信号量用于实现任务与任务之间、任务与中断处理程序之间的同步与 互斥。信号量一般分为三种:

    • 互斥信号量:用于解决互斥问题,可能会引起优先级反转问题。
    • 二值信号量:用于解决同步问题
    • 计数信号量:用于解决资源计数问题

    3.3. 互斥信号量

    • 用互斥信号量保护的代码区称作临界区,临界区代码通常用 于对共享资源的访问。
    • 共享资源可能是一段存储器空间、一个数据结构或I/O设备,也 可能是被两个或多个并发任务共享的任何内容。
    • 使用互斥信号量可以实现对共享资源的串行访问,保证只有成功 地获取互斥信号量的任务才能够释放它。
    • 互斥信号量基本特点:互斥信号量的值被初始化成1,最多只有 一个任务可以进入临界区

    Figure 3. 互斥信号量状态图 \text{Figure 3. 互斥信号量状态图} Figure 3. 互斥信号量状态图

    • 互斥信号量是一种特殊的二值信号量,一般它支持所有权、递归访 问、任务删除安全和一些避免优先级反转、饥饿、死锁等互斥所固 有问题的协议。
    • 所有权:当一个任务通过获取互斥信号量而将其锁定时,得到该互 斥信号量的所有权。相反,当一个任务释放信号量时,失去对其的 所有权。

    3.3.1. 嵌套(递归)资源访问

    • 嵌套(递归)资源访问:如果Task1调用RoutineA,而RoutineA 又调用RoutineB,并且三者访问相同的共享资源,就发生了递归共 享资源的访问同步问题。
    • 一个递归的互斥信号量允许嵌套锁定互斥信号量,而不引起死锁。
    • 每个获取信号量的调用必须与释放信号量的调用相匹配
    • 用于同步的信号量不支持嵌套访问,否则任务会被永久阻塞。

    3.3.2. 删除安全

    • 删除安全:在一个受信号量保护的临界区,经常需要保护在临界区执行的任务不会被意外地删除。
    • 删除一个在临界区执行的任务可能引起意想不到的后果,造成信号量不可用或资源破坏。
    • 解决方法:提供任务保护解除任务保护原语对。

    3.4. 各种互斥机制的比较

    Figure 4. 各种互斥机制的比较 \text{Figure 4. 各种互斥机制的比较} Figure 4. 各种互斥机制的比较

    3.5. 二值信号量

    二值信号量主要用于任务与任务之间、任务与中断服务程序之间的 同步。二值信号量的初始值为0,表示同步事件尚未产生。

    Figure 5. 二值信号量状态图 \text{Figure 5. 二值信号量状态图} Figure 5. 二值信号量状态图

    用二值信号量实现任务间双向同步时,申请者和释放者不是同一个任务,与互斥信号量不同。互斥信号量必须谁申请,谁释放。

    Figure 6. 用二值信号量实现任务间双向同步 \text{Figure 6. 用二值信号量实现任务间双向同步} Figure 6. 用二值信号量实现任务间双向同步

    3.6. 计数信号量

    • 计数信号量用于控制系统中共享资源的多个实例的使用,允许多个 任务同时访问同一种资源的多个实例。
    • 计数信号量被初始化为一个非负整数n,即该种共享资源的数目。

    Figure 7. 计数信号量状态图 \text{Figure 7. 计数信号量状态图} Figure 7. 计数信号量状态图

    Figure 8. 有界缓冲问题1 \text{Figure 8. 有界缓冲问题1} Figure 8. 有界缓冲问题1

    Figure 9. 有界缓冲问题 \text{Figure 9. 有界缓冲问题} Figure 9. 有界缓冲问题

    4. uC/OS-II中实现

    4.1. 创建信号量

    OS_EVENT* OSSemCreate(INT16U cnt)
    {
        OS_EVENT* pevent;
        pevent = OSEventFreeList; //从空闲事件控制块链中取得一个ECB
        if (OSEventFreeList != (OS_EVENT*)0) {
            OSEventFreeList = (OS_EVENT*) { OSEventFreeList->OSEventPtr; }
            if (pevent != (OS_EVENT*)0) { //初始化ECB的各个域
                pevent->OSEventType = OS_EVENT_TYPE_SEM; //事件类型为信号量
                //信号量的初始计数值
                pevent->OSEventCnt = cnt;
                pevent->OSEventPtr = (void*)0;
                OS_EventWaitListInit(pevent); //初始化等待任务列表
            }
        }
        return (pevent); //调用者需检查返回值,如果为NULL则表示建立失败
    }
    

    说明:这是针对计数信号量和二值信号量的实现。 μC/OS-II中互斥 信号量的实现参见源码os_mutex.c文件。

    Figure 10. 基本流程 \text{Figure 10. 基本流程} Figure 10. 基本流程

    4.2. 获取(申请)信号量

    void OSSemPend(OS_EVENT* pevent, INT16U timeout, INT8U* err)
    {
        //信号量值大于0,成功获得信号量并返回
        if (pevent->OSEventCnt > 0) {
            pevent->OSEventCnt--;
            *err = OS_NO_ERR;
            return;
        }
        //设置任务状态为等待信号量
        OSTCBCur->OSTCBStat |= OS_STAT_SEM;
        //设置等待时限
        OSTCBCur->OSTCBDly = timeout;
        //将任务放置到信号量的等待列表中
        OS_EventTaskWait(pevent);
        //内核实施任务调度,系统切换到另一就绪任务执行
        OS_Sched();
        //判断任务恢复执行的原因,如果等待时限超时但仍然未获得信号量,则返回超时信息
        if (OSTCBCur->OSTCBStat & OS_STAT_SEM) {
            OSEventTO(pevent);
            *err = OS_TIMEOUT;
            return;
        }
        OSTCBCur->OSTCBEventPtr = (OS_EVENT*)0;
        *err = OS_NO_ERR; //任务由于获得信号量而恢复执行,本调用成功返回
    }
    

    说明:这里同样是针对计数信号量和二值信号量的实现。


    OSSemAccept也可以实现获取(申请)信号量的功能。

    INT16U OSSemAccept(OS_EVENT* pevent)
    {
        INT16U cnt;
        cnt = pevent->OSEventCnt;
        if (cnt > 0) {
            pevent->OSEventCnt--;
            }
        return (cnt);
    }
    
    • 功能:无等待的获取或申请一个信号量。
    • 注意:即使不能成功获得信号量(返回值为0),调用者也不 会被阻塞。此函数可以在中断处理程序中使用

    4.3. 释放信号量

    Figure 12. 释放信号量 \text{Figure 12. 释放信号量} Figure 12. 释放信号量

    INT8U OSSemPost(OS_EVENT* pevent)
    {
    
        if (pevent->OSEventGrp != 0x00) { //如果有任务在等待该信号量
            OS_EventTaskRdy(pevent, (void*)0, OS_STAT_SEM); //使等待列表中优先级最高的任务就绪
            OS_Sched(); //内核实施任务调度
            return (OS_NO_ERR); //成功返回
        }
        if (pevent->OSEventCnt < 65535) { //如果没有任务等待该信号量,并且信号量的值未溢出
            pevent->OSEventCnt++; //信号量的值加1
            return (OS_NO_ERR); //成功返回
        }
        return (OS_SEM_OVF); //信号量溢出
    }
    

    4.4. 删除信号量

    Figure 13. 删除信号量 \text{Figure 13. 删除信号量} Figure 13. 删除信号量

    
    OS_EVENT* OSSemDel(OS_EVENT* pevent, INT8U opt, INT8U* err)
    {
        BOOLEAN tasks_waiting;
        if(pevent->OSEventGrp!=0x00{//根据是否有任务在等待信号量设置等待标志
                tasks_waiting = TRUE;
        }else{
                tasks_waiting = FALSE;
        }
        switch(opt){
            case OS_DEL_NO_PEND: //如果有任务等待信号量则不删除信号量
                if(task_waiting==FALSE{ //没有任务等待,释放ECB回空闲链
                    pevent->OSEventType = OS_EVENT_TYPE_UNUSED;
                    pevent->OSEventPtr = OSEventFreeList;
                    OSEventFreeList = pevent; //调整空闲ECB链头指针
                    *err = OS_NO_ERR;
                    return ((OS_EVENT)0);
                }else{
                    *err = OS_ERR_TASK_WAITING; //有任务等待,删除信号量失败
                    return (pevent);
                }
            case OS_DEL_ALWAYS: //无论有无任务等待都删除信号量
                    //将等待列表中的每个任务都设置成就绪
                    while (pevent->OSEventGrp != 0x00) {
                    OS_EventTaskRdy(pevent, (void*)0, OS_STAT_SEM);
                    }
                    pevent->OSEventType = OS_EVENT_TYPE_UNUSED;
                    pevent->OSEventFreeList;
                    OSEventFreeList = pevent; //释放该信号量的ECB回空闲控制块链
                    if (tasks_waiting == TRUE) {
                    OS_Sched();
                    } //如果之前有任务等待信号量,内核实施任务调度
                    *err = OS_NO_ERR;
                    return ((OS_EVENT*)0);
            default:
                    *err = OS_ERR_INVALID_OPT;
                    return (pevent);
            }
    }
    
    
    
    

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  • 1965年,荷兰学者Dijkstra提出了一种卓有成效的实现进程互斥、同步的方法——信号量机制 信号量其实就是一个变量(可以是一个整数,也可以是一个更复杂的变量),可以用信号量来表示系统中某种资源的数量。...

    1965年,荷兰学者Dijkstra提出了一种卓有成效的实现进程互斥、同步的方法——信号量机制

     

     

     

    信号量其实就是一个变量(可以是一个整数,也可以是一个更复杂的变量),可以用信号量来表示系统中某种资源的数量。比如:系统中只有一台打印机,就可以设置一个初值为1的信号量。

    P、V操作:

    P表示通过,V表示释放

     

     

     1.整型信号量:

    整型信号量与普通的信号量的区别

    对信号量的操作只有:初始化、P操作、V操作 

     

    缺点:不满足“让权等待”原则,会发生“忙等”

     2.记录型信号量:

     

    在信号量机制中,除了需要一个用于代表资源数目的整型变量value外,还应该增加一个进程链表指针L,用于链接上述的所有等待进程。记录型信号量是由于它采用了记录型的数据结构而得名的。

    例题: 

     

     用P、V操作进行进程的通过和释放,再加入原语来实现进程的“上锁”和“解锁”,等资源使用完毕,再利用block原语进行阻塞(主动让出处理机),该机制遵循了“让权等待”的原则。

     

     

     

     

     

     3.AND型信号量:

    AND型信号量在一些应用场合,是一个进程需要先获得两个或者更多的共享资源后方能执行其任务。

     

     AND同步机制的基本思想是:将进程在整个运行过程中需要的所有资源,一次性全部的分配给进程,待进程使用完后再一起释放。只要尚有一个资源未能分配给进程,其它所有有可能为之分配的资源也不分配给它。亦即,对若干个临界资源的分配,采取原子操作方式要么把它所请求的资源全部分配给进程,要么一个也不分配。由死锁理论可知,这样就可以避免上述死锁情况发生。为此,在wait操作中,增加一个“AND”条件,故称为AND同步,或称为同时wait操作。

     

     缺点:AND型信号量满足了 “多种资源,数量为1”的使用情景,但是实际上还会有多种资源数量不固定的情景,AND型信号量显然处理不了这种情况的进程调度。

     

     死锁的概念:

    死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中,由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象,若无外力作用,它们都将无法推进下去;此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁,这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。

     

     

     4.信号量集:

    信号量集由两部分组成:标识组和等待任务列表;

    标识组由三部分组成:1.OSFlagType——识别是否为信号量集的标志

                                        2.OSFlagWaitList——指向等待任务列表的指针

                                        3.OSFlagFlags——信号量表

    注意:信号量集的标识组只是保存了各输入信号量的值,而至于如何对这些任务进行处理则是等待任务的事情。

    等待任务必须完成以下两个操作:1.在多个信号量输入中挑选等待任务感兴趣的输入。

                                                          2.把挑选出来的输入按照等待任务所期待的方式运算,以得到输出。

    1. 信号量集的标志组

    UCOS不是使用事件控制块的结构描述信号量集,而是使用一个标志组的机构来描述信号量集OS_FLG_GRP

    2. 等待任务链表

    与其他事件不同,信号量集采用一个双向链表来组织等待任务。标志组OS_FLG_GRP的成员OSFlagWaitList指向信号量集的这个等待任务链表。

    等待任务链表中的节点OS_FLAG_NODE中的成员OSFlagNodeFlags相当于一个过滤器,它可以将请求任务需要的信号筛选出来,不需要的信号屏蔽掉。

    对等待任务链表的操作:添加节点和删除节点。

    “信号量集”的三种特殊情况:

    ​ (1) Swait(S, d, d)。 此时在信号量集中只有一个信号量S, 但允许它每次申请d个资源,当现有资源数少于d时,不予分配。

    ​ (2) Swait(S, 1, 1)。 此时的信号量集已蜕化为一般的记录型信号量(S>1时)或互斥信号量(S=1时)。

    ​ (3) Swait(S, 1, 0)。这是一种很特殊且很有用的信号量操作。当S≥1时,允许多个进程进入某特定区;当S变为0后,将阻止任何进程进入特定区。换言之,它相当于一个可控开关。
     

    信号量的应用:

    • 利用信号量实现进程互斥关系
    • 利用信号量实现进程同步关系
    • 利用信号量实现进程前趋关系

    小结:

     

     

     

     

     

     5.信号量实现进程的互斥:

     

     

    解释一下互斥原理:

               先设置一个互斥信号量mutex(可自己定义),再初始化信号量,使mutex=1,然后进行P操作(申请资源使用),这时候mutex-1,即mutex=0,对这个资源进行“加锁”,别人无法再使用这个资源,也就是相当于(C语言中for循环的条件判断,满足条件就进行,不满足就跳出),等程序使用资源完毕时,就会进行V操作(释放资源),对资源进行“解锁”,这时候mutex+1,重新使mutex=1,使资源解放出来,等待下一个程序的使用。

     6.信号量机制实现进程同步:

     

    进程同步:要让各进程按要求有序地进行推进。

     

     

    解释一下进程同步的原理:

             让各进程按要求有序地进行推进,先将初始化同步信号量的初始值设置为0。我们让代码4在代码2之后进行执行,这时候因为异步性,不知道是P1进程先进行还是P2进程先进行,我们先在代码2后面设置一个V(S)操作,在代码4后面设置一个P(S)操作。【可能有以下两种情况】

    1.当先进行P1进程时,进程会按照代码1,代码2的顺序进行,当执行完代码2时,到达了V(S)操作,这时候将资源释放了出来,这时候初始值增加(S+1),接着进行P2进程,由于P2中进行了P(S)[申请资源]的操作,所以进程会按照代码4,代码5,代码6进行下去。

    2.当先进行P2进程时,会遇到P(S),但这时候的初始值为0,无法提供资源,P2进程进入自我阻塞状态。然后就进行P1进程的执行。这样就实现了让各进程按要求有序地进行推进。也就是实现了进程同步。

     

     

     

     7.信号量机制实现前驱关系:

     

    前驱关系本质上就是更复杂的同步问题。

    在这一个进程实现之后执行V操作

    在下一个进程实现之前执行P操作

     

     

     总结:

     

     

     

             这篇文章写了三个半小时,先进行看视频学习,两个视频反复看了两三遍,等自己理解之后,再写,进行整理和写上了自己对内容的理解,感觉虽然时间花费的比较多,但这些内容自己都理解了,还拓展了一部分,感觉自己棒棒,哈哈 。

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