操作系统-笔记-第三章-内存管理

た入场券 2024-05-06 23:28 10阅读 0赞

> ## 🌸章节汇总 ##
> 
> **[一、第一章——操作系统的概念][Link 1]**
> 
> **[二、第二章——【进程】][Link 2]**
> 
> **[二、第二章——【线程】编辑][Link 3]**
> 
> **[二、第二章——【进程调度】][Link 4]**
> 
> **[二、第二章——【进程同步与互斥】][Link 5]**
> 
> **[二、第二章——【锁】][Link 6]**
> 
> **[三、第三章——内存管理][Link 7]**
> 
> **[四、第四章——文件管理][Link 8]**
> 
> **[五、第五章——输入输出管理][Link 9]**
> 
> **[🚀 学习心得][Link 10]**

**目录**

**三、第三章——内存管理**

**1、内存的基础知识**

**（1.1）程序装入（三种）——绝对装入**

**（1.2）程序装入（三种）——可重定位装入**

**（1.3）程序装入（三种）——动态重定位**

**（2）程序——exe的由来**

**（3）程序——链接方法**

**（4）总结**

**2、内存管理的概念**

**（1）内存空间的分配和回收**

**（2）内存空间的拓展（比如：虚拟内存等）**

**（3）地址转换（逻辑地址-物理地址）**

**（4）内存保护**

**3、内存——覆盖与交换**

**（1）覆盖技术（已经out了）**

**（2）交换技术**

**（3）交换技术——对应的问题**

**（4）总结（考选择题）**

**4、连续分配管理方式**

**（1）单一连续分配**

**（2）固定分区分配**

**（3）动态分区分配**

**（4）总结**

**5、动态分区分配——算法（详细讲解）**

**（1）首次适应算法（第一次）**

**（2）最佳适应算法（从小到大）**

**（3）最坏适应算法（从大到小）**

**（4）临近适应算法（从大到小）**

**（5）总结（优缺点）**

**6、基本分页存储——概念**

**（1）页框——物理块——内存块——物理页面**

**（2）逻辑地址-结构【页号+页内偏移量】**

**（3）总结——概念**

**（4）重点——地址变换过程（五步）**

**（5）重点——例题**

**（6）重点——页表（如何存储在内存中）**

**（7）总结——地址变换**

**7、快表（TLB）**

**（1）查询过程——1（先快表，再慢表，最后内存）**

**（2）查询过程——2（同时查找-快表-慢表）**

**（3）局部性原理**

**（4）总结 （TLB和高速缓存有区别！！！）**

**8、两级页表（开始套娃啦）**

**（1）从一级—二级—偏移量（转到物理地址）**

**（2）单级页表**

**（3）细节重点**

**（4）总结**

**9、段页式管理方式**

**（1）段表**

**（2）查询段表——顺序**

**（3）分段 & 分页 【对比】**

**（4）总结**

**10、虚拟内存**

**（1）传统存储管理方式——特征、缺点**

**（2）虚拟内存——定义、特征**

**（3）如何实现——虚拟内存**

**（4）总结**

**11、请求页面——管理方式**

**（1）缺页中断（内中断）**

**（2）地址变换**

**（3）总结**

**12、页面置换算法**

**（1）最佳置换算法（无法实现）**

**（2）先进先出算法（绝对公平——Belady异常）**

**（3）最近最久未使用置换算法（LRU）**

**（4）时钟页面置换算法（CLOCK & NRU）**

**（5）时钟页面置换算法——改进型**

**（6）总结（要会手推——页面替换）**

**12、页面分配策略、抖动、工作集**

**（1）工作集模型（清华教程）**

**（2）驻留集——分配策略【王道】**

**（3）何时调入页面（亡羊补牢 or 未雨绸缪）**

**（4）在哪里调入？（经典加一层）**

**（5）抖动现象**

**（6）工作集（拓展-考试貌似不考~）**

**（7）总结**

**13、内存映射文件**

**（1）方便程序员——访问文件数据**

**（2）共享数据——同时访问一个文件**

**（3）总结（关于磁盘的IO，操作系统是专业滴！）**

--------------------

## 三、第三章——内存管理 ##

### 1、内存的基础知识 ###

> **相关知识点**
> 
> **逻辑地址——相对地址**
> 
> **物理地址——绝对地址**
> 
> ![7a294536d21a48509cc59f9cf611e8e1.png][]

#### （1.1）程序装入（三种）——绝对装入 ####

> **灵活性差，已经被淘汰了~**
> 
> ![58ee5e10652e4bf5bf88cbdfe1d4fe92.png][]

#### （1.2）程序装入（三种）——可重定位装入 ####

> **在装入时——会转换好地址~（写死了物理地址，不能移动咯！）**
> 
> ![fd722d68f35740849d2ec8d1bd39cc83.png][]

#### （1.3）程序装入（三种）——动态重定位 ####

> **现在使用方法——可以动态修改，灵活移动，动态申请空间…**
> 
> ![9722aee3d2d949259a638398c27b9e02.png][]

#### （2）程序——exe的由来 ####

> **1.** **编写源代码：首先，您需要使用文本编辑器编写C语言源代码文件，通常以.c为扩展名。**
> 
> **2.** **编译源代码：****接下来，您需要使用C编译器将源代码编译为机器可以执行的目标代码。这个过程称为编译。编译器会对源代码进行词法分析、语法分析和语义分析，并生成相应的目标代码文件（通常以.obj为扩展名）。**
> 
> **3.** **链接目标代码：****在生成目标代码后，您需要使用链接器将目标代码与所需的库文件进行链接，以创建最终的可执行文件。链接器会解决函数和变量引用之间的依赖关系，并将目标代码转换为可执行文件的格式。最终生成的可执行文件通常以.exe（对于Windows系统）或无扩展名（对于Linux系统）为扩展名。**
> 
> **4.** **运行可执行文件：一旦可执行文件生成成功，您可以直接执行它。**

> ![4d7e75a317cd4b44834eab9b180e7b7e.png][]
> 
> ![71a153e1525d419ca01ef8ef1eb171c8.png][]

#### （3）程序——链接方法 ####

> ![7a2150a0f21b4d7d8b989ce17842b8a0.png][]

#### （4）总结 ####

> ![3cfb85dfde1f4c6e9a9d2896886ae133.png][]

### 2、内存管理的概念 ###

#### （1）内存空间的分配和回收 ####

> **如何分配？如何回收？还有哪些空闲？这么多位置，应该分配哪一块？**

#### （2）内存空间的拓展（比如：虚拟内存等） ####

> **内存不够用，如何临时拓展？**

#### （3）地址转换（逻辑地址-物理地址） ####

> **地址转换功能**
> 
> ![38678c2a51344d9595b118ad22b5a65c.png][]

#### （4）内存保护 ####

**如何让各进程之间，拥有自己的地皮，互不影响！**

> ![24d7884bfeee41609377f35d8e6bdf6a.png][]
> 
> ![c9235730cd3f43d385cc05dbb5012ee3.png][]

### 3、内存——覆盖与交换 ###

#### （1）覆盖技术（已经out了） ####

**程序员来完成——编程麻烦（out）**

> ![2748679ee8d744199a8092e548555430.png][]

#### （2）交换技术 ####

**把暂时不需要的进程——拿到外存**

> ![027c9b0b67104e98a287b89288fc895b.png][]

#### （3）交换技术——对应的问题 ####

> ![b7930deaa5a944ae97cc88168a53521a.png][]

#### （4）总结（考选择题） ####

> ![fe032a81b0744b78be74d89cdbb9eaf2.png][]

### 4、连续分配管理方式 ###

> ![20d140a9be4e4407ab48ccb9de936d1e.png][]

#### （1）单一连续分配 ####

> **无外部碎片——但：有内部碎片【内存利用率低】**
> 
> ![82f7b8b556b8423a95760692d3326797.png][]

#### （2）固定分区分配 ####

> **把用户空间——划分多个分区~**
> 
> **无外部碎片——但又内部碎片，内存利用率低**
> 
> ![fa0a51027d8b4c218fd928d399c17246.png][]
> 
> ![55e2607a94584b8d865614bc52bca1da.png][]

#### （3）动态分区分配 ####

> **没有内部碎片，但有外部碎片！**
> 
> **（不过可以通过【拼凑】等方式，来解决【外部碎片】）**

> ![37b8abd3fd2e488fa098af6d4c9f7562.png][]

#### （4）总结 ####

> ![7e7ddd1de19a40c18203796d49a95469.png][]

### 5、动态分区分配——算法（详细讲解） ###

> ![7057804b56b2482390a619afd6e42a09.png][]

#### （1）首次适应算法（第一次） ####

> **从头到尾，按顺序扫描！**
> 
> **找到第一个满足的空间，就放进去~**
> 
> ![9648addc4f484832811f64487cf07fb9.png][]

#### （2）最佳适应算法（从小到大） ####

> **这个是强迫症！****——必须安排连续的空间（产生难以利用的小碎片）**
> 
> **额外创建一个——空闲分区链表——用来记录空闲空间的大小（从小到大排序！）**
> 
> **每次安排完后，都需要【维护该表】****（数据更新，重新排序）**
> 
> ![760d3c67b91e45e9a9b86b08a0345fc5.png][]

#### （3）最坏适应算法（从大到小） ####

> **和最佳相反——空间排序【从大到小】**
> 
> **缺点——如果来个了“大进程”——可能没有足够大的连续空间给他！**

> ![675ca9558f844db79dd2bf7607d927a3.png][]

#### （4）临近适应算法（从大到小） ####

> **从小到大的【循环链表】**
> 
> **开销小【空间换时间】****——但是——大分区容易被用完~**

> ![f3b998dd356247948d0898b0f5d57f38.png][]

#### （5）总结（优缺点） ####

> ![4500395ed62a409d89aab87190098786.png][]

### 6、基本分页存储——概念 ###

> ![7688888a75cc47c49239a06f5e29e681.png][]

#### （1）页框——物理块——内存块——物理页面 ####

> **Page Frame —— 页框（标准点）**
> 
> **物理块号——页帧号——内存块号**

> ![c9dff9120c5d42ca89c7f932c10643ef.png][]

> **页表——存储【逻辑地址】与【物理地址】的映射关系**

> ![92709bfb535f4b36a5eb761fa8e53002.png][]

> **如何计算——页表的大小（根据内存大小推算）【具体步骤——看左下角】**
> 
> **页号不占空间！！！——数组索引【这个页表——类似于一维数组~】**

> ![7ccdb96568fe4ecba856e332b3df1389.png][]

> **为了计算机计算——页面大小用2的【整数幂】**
> 
> **在计算机网络那里类似，计算也是这样，要方便得多~**

> ![8e12362f624d484ab96d5b0b3b82abda.png][]

#### （2）逻辑地址-结构【页号+页内偏移量】 ####

> ![1cbf7e9ce17c4cfabfb93f58ce2e6d66.png][]

#### （3）总结——概念 ####

> ![32f014698951471ca5c4b0b5337dbee4.png][]

#### （4）重点——地址变换过程（五步） ####

> ![83fe72966f914dea91cb0e12c1d0bf83.png][]

> **文字说明版本——五步骤**

> ![a54ebf0291d34fc38100b88bdb3769c4.png][]

#### （5）重点——例题 ####

> **如何将【逻辑地址】——转为【物理地址】**

> ![3d7f8bac678e40919c727017ecbbe2d8.png][]

#### （6）重点——页表（如何存储在内存中） ####

> **计算机组成原理——也有讲哟~~~**
> 
> **页表——存放在内存当中——也称为（慢表）**
> 
> **计算页表项——占多少位（最好是2的次方！）实际应用中——方便计算！**

> ![8ea0db3ab3494b3283e2eeb9a7f2507b.png][]

#### （7）总结——地址变换 ####

> ![2fa02a82411d479692ae6931e4c942e2.png][]

### 7、快表（TLB） ###

> **查询快表——不需要访存（快表是高速缓存）**

> ![fe0277a2ce184758bd7d03dbad445d35.png][]

#### （1）查询过程——1（先快表，再慢表，最后内存） ####

> ![c3c04b1570db4e9298c4799bfa29212d.png][]

#### （2）查询过程——2（同时查找-快表-慢表） ####

> ![8c1d31e7edff4a53b04d0fa8c156aab8.png][]

#### （3）局部性原理 ####

> ![ea0a4502f43c4b77944f313c5119080c.png][]

#### （4）总结 （TLB和高速缓存有区别！！！） ####

> **普通的Cache会存放各种数据**
> 
> **但是——TLB——只存放页表项的副本！！！**

> ![ed6e50245a7c4ce895a2b0c8298548b9.png][]

### 8、两级页表（开始套娃啦） ###

> **记住——加一层的解决方式——可以多次套娃！！！（可以不止两层哟~）**

> ![533ffca387c64e919c559ed2ecad0fa1.png][]

#### （1）从一级—二级—偏移量（转到物理地址） ####

> ![7ffd31b1e32f496e9fe3321582bde716.png][]

#### （2）单级页表 ####

> ![f29ad9ab687a47d8be9b64170988a0e6.png][]

#### （3）细节重点 ####

> **条件：40位逻辑地址——知道物理块的大小（4KB）——页表的每一项的大小（4B）**

> **①地址偏移量需要多少位？**
> 
> **总共40位，一个物理块有4KB，（2^12位）——采用2进制表示偏移量：需12位**

> **②还是剩下多少位——用来表示各级页表？40-12 = 28**
> 
> **③怎么分各级页表？随便分？（题目限制：各级页表的大小不能超过一个内存块！）**

> **④那么请问一个物理块可以容纳多少页表项？**——2^12 / 4 = 2^10
> 
> **每一级页表的大小不能超过物理块的大小！——那么只能按照内存块最大位数来分咯~**
> 
> **28 分为 10 – 10 – 8 （3级，一级：2^10，二级：2^10，三级：2^8）**
> 
> **当然，可以再分多级也可以啦~（只不过会有更多碎片！）**
> 
> **比如： 28分为 ——7,7,7,7（4级，每级2^7这么大）**

> **详细结题——如下图：**
> 
> ![4bb3257c642d441796c0ce91cfe437f7.png][]

#### （4）总结 ####

> ![f9912f683c5b47b6ace692bd967cbb04.png][]

### 9、段页式管理方式 ###

#### （1）段表 ####

> **段号——也可以隐含【类似数组的索引，是隐含的~】**
> 
> ![0cb513843e1c4bfb91ea61c267e309fb.png][]

#### （2）查询段表——顺序 ####

> **分段中——每个长度不一样！！！**
> 
> **一定要越界检查！！！（段号是否越界？段内地址是否合法？）**
> 
> ![3a61dfaf84d3425fa863da9ad216fe87.png][]

#### （3）分段 & 分页 【对比】 ####

> **分页——用户不可见——提高利用率——地址空间【一维——映射的物理地址】**
> 
> **分段——用户可见——满足用户需求——地址空间【二维——段名+段内地址】**
> 
> **分页——长度固定——更容易共享****&****保护**
> 
> **分段——长度不固定——**

> ![c1e0782fda2c475ba2b739892d866cb4.png][]
> 
> ![1e13027c98a64c5cbcc17c5c85a2986e.png][]

#### （4）总结 ####

> **段表和页表——都存储在内存中——可以成为慢表**
> 
> **他们都可以再往上封装一层——即为：【快表】——加快CPU的查询效率！！！**
> 
> **（注意：这些术语只是方便我们理解，是前人们的智慧结晶~不要被这些术语锁死！）**
> 
> **快表为什么叫快表？因为他快！他在Cache里面，造价高…等等原因！**

> ![be5dcde7131a4a59a683c451526cf01d.png][]

### 10、虚拟内存 ###

> ![009167ed9d3b4af689ca9e089bebbad2.png][]

#### （1）传统存储管理方式——特征、缺点 ####

> **一次性——全部放入内存（太大了，可不行！）**
> 
> **驻留性——暂时用不上的（留着内存中，消耗了资源）**

> ![dd3371cb9adb40e88d8c721603311494.png][]

#### （2）虚拟内存——定义、特征 ####

> **多次性、对换性、虚拟性**
> 
> ![2623a6ba9d8c412891d76e3b539894e8.png][]

#### （3）如何实现——虚拟内存 ####

> **【内存的页面】的【换入换出】（怎么实现）？**
> 
> ![9fcde053b4d7470cbc0d3a99b9a7fe3e.png][]

#### （4）总结 ####

> **虚拟内存——是高速缓存技术的拓展！**

> **既然你内存查询，都分了多个级别（Cache里面有三级）（内存里面就再分个级别吧~）**
> 
> **注意：计算机组成原理——在Cache章节，说明Cache的换入和换出！**

> **为什么计算机组成原理那里只介绍了Cache的替换算法呢？**
> 
> ![4ec3c67fd6cb4a54a5f8b0b9de183ec0.png][]
> 
> **因为，【Cache替换】的实现是由【硬件】完成的！**
> 
> **在这里，【内存】由操作系统来管理，自然需要操作系统（系统软件）来实现啊！**

> ![53e655a73e2f4cbdb861b25de5c358e8.png][]

> 虚拟内存是计算机系统中的一种技术，用于将磁盘空间作为辅助内存来扩展主存（RAM）的容量。
> 
> 它允许操作系统将部分数据移动到磁盘上，并在需要时将其还原回主存。
> 
> 虚拟内存的设计目的是提供比物理内存更大的地址空间，以及更灵活的内存管理。
> 
> 虚拟内存与高速缓存是不同的概念。
> 
> 高速缓存是一种位于处理器和主存之间的存储器层次结构，用于加快对常用数据的访问速度。
> 
> 而虚拟内存是一种通过存储器映射技术实现的内存扩展机制，用于增加可用的地址空间。
> 
> 关于计算机组成原理中只介绍了Cache的替换算法而没有涉及虚拟内存的解释，可能是因为计算机组成原理的重点是硬件层面的设计和实现。
> 
> 因此，在讲解Cache时主要侧重于硬件层面的实现细节，如替换算法、缓存一致性、写策略等。
> 
> 而虚拟内存的管理是由操作系统来完成的，属于系统软件的范畴，因此在计算机组成原理这门课程中可能没有过多介绍。
> 
> 需要注意的是，虚拟内存和Cache是不同层次的存储器技术，各自有不同的设计原理和实现方法。虚拟内存的管理涉及到操作系统的内存管理模块，而Cache的管理则由硬件电路来完成。

### 11、请求页面——管理方式 ###

> ![6e907d1727d74ad08a71cd887133992a.png][]

#### （1）缺页中断（内中断） ####

> **没有需要的页——产生中断**
> 
> **如果有空闲块——直接占用（没有的话，使用页面置换算法~）**

> ![6acec05550174f59b8064f0d3f3740c9.png][]
> 
> ![a8f505602d9e4e259a64e371a138bd4a.png][]

#### （2）地址变换 ####

> ![7e8fd9559f1a45bba803ad43e05fbdd1.png][]
> 
> ![50021e03d4ba48239543932f1f503ead.png][]

#### （3）总结 ####

> ![69c677855c034f85b80d1676752d182e.png][]

### 12、页面置换算法 ###

> ![800ca8caa8ac40448ef71038e71b5c0b.png][]

#### （1）最佳置换算法（无法实现） ####

> **这个是——理想算法（实际应用中，无法实现）**
> 
> **因为——他需要提前知道后面需要访问的页面是什么！（很显然，不能做到）**
> 
> ![368de3ebcbfc456fa84ad91c491801a2.png][]

#### （2）先进先出算法（绝对公平——Belady异常） ####

> **性能差——注意——Belady异常！（随着访问次数增多，缺页次数反而减少！）**
> 
> ![4fd312122a0045a8a76b73d58e1638a2.png][]

#### （3）最近最久未使用置换算法（LRU） ####

> **适用于局部性好的（性能好）——需要硬件支持，开销大**
> 
> ![b8d19fda4aaa400bac6d93e98c943d9d.png][]

#### （4）时钟页面置换算法（CLOCK & NRU） ####

> **扫描的过程——像一个时钟——不断计数（访问位为：0 / 1）**
> 
> **最近未用算法**
> 
> **最坏情况——扫两轮（一圈多一点）**
> 
> ![4fb400fc47c14b4087ef06139d584367.png][]

#### （5）时钟页面置换算法——改进型 ####

> **会筛选4轮！（最坏情况下，要转3圈多一点）**
> 
> **1、未访问、未修改**
> 
> **2、未访问、已修改**
> 
> **3、已访问、未修改**
> 
> **4、已访问、已修改**
> 
> **（注意：访问的权利大！排在最后！）**
> 
> ![342ee0588d35483a84b330e4aa49bfcd.png][]

#### （6）总结（要会手推——页面替换） ####

> ![ae1c3bd91de944a1841e44dc5caba42e.png][]

> **PS****：并不止这些算法，还有其他替换算法哟~**
> 
> **比如——随机替换算法（和猴子排序类似的有趣，哈哈哈~）**

> **最不常用算法（LFU）——考虑的是访问次数 or 频率**

> ![d3fc2eb6cfc34129ad89813dada3d7ce.png][]

### 12、页面分配策略、抖动、工作集 ###

#### （1）工作集模型（清华教程） ####

> **工作集——内存的区间（大小）——我觉得成为【工作间还挺好~】**

> **【你活动的空间太大了，不太好】**
> 
> **【你活动的空间太小了，也不太好~】**

> **当你经常卡壳（说明你活动空间小，需要增多活动空间）**
> 
> **当你不卡壳（说明你活得很滋润，浪费了一些空间，需要给你减少空间！）**

> **资本家看了都流泪（┭┮﹏┭┮）~**
> 
> ![082b75365a9e4d85894593c6a720eb14.png][]
> 
> ![de2cc15a9f0c4880bb5356b1a16d2d02.png][]
> 
> ![4533e39ea6944c348047b0abe3d2b015.png][]
> 
> ![c37c06975bc44b84992ac246c6f58783.png][]
> 
> ![976155cb704443c58ca6869013694894.png][]

#### （2）驻留集——分配策略【王道】 ####

> **1、开始给你分配固定的大小工作空间**
> 
> **2、动态给你调整（调整又分为内部调整、外部调整）**

> **内部调整（局部）——把你进程内部的物理块变为工作区间**
> 
> **外部调整（全局）——把外部空间（空闲）物理块给你**

> ![f0d75837c54a4dad98a97f7256760ed0.png][]
> 
> ![4b95103cfc9444ada5d396c531fe8eec.png][]

#### （3）何时调入页面（亡羊补牢 or 未雨绸缪） ####

> **先调入？还是缺了再调入？（具体场景，具体分析~）**
> 
> ![ca5e3325391b4b0c999cbd1e796ab6b2.png][]

#### （4）在哪里调入？（经典加一层） ####

> **在外存中，再套一层****（对换区）**
> 
> **方便页面置换****（换出来的页面就放到“对换区”）**
> 
> ![eec5ea3196b74c3693b8ec4944bb8bd1.png][]

#### （5）抖动现象 ####

> **物理块不够时，频繁访问页面——导致（频繁出现“缺页中断”）**
> 
> ![befe91fe6a144f0a8399cf8848b1b109.png][]

#### （6）工作集（拓展-考试貌似不考~） ####

> **工作集 ≠ 驻留集**

> **驻留集——给定的工作空间**
> 
> **工作集——在工作空间里（加了一个窗口，也就是时间间隔）**

> **因此——驻留集 ＞ 工作集**
> 
> ![60286d0169444dbf9ac0ba62a85901ea.png][]

#### （7）总结 ####

> ![24794a13e6b741f5893b8952b73a9e12.png][]

### 13、内存映射文件 ###

> ![6c2e0378e9bf4b1084e7c4480bd2da4f.png][]

#### （1）方便程序员——访问文件数据 ####

> **传统方式——程序员手动写read、write方法，很麻烦**
> 
> **优化方式——操作系统为我们完成对外存的读和写（相当于操作系统封装了一层~）**

> **我们就可以像——操作C语言那样，完成指定的读入和写入啦~**

#### （2）共享数据——同时访问一个文件 ####

> **参考Windows上的.txt文件（并不是互斥的哟~）**
> 
> 1.  **我可以用【记事本】打开~**
> 2.  **我还可以用【VsCode】打开~**

> ![6ae95f465ed24e358b2994360f517ca7.png][]

#### （3）总结（关于磁盘的IO，操作系统是专业滴！） ####

> **什么时候读，什么时候写（可以让操作系统来完成~）这方面的性能可以让操作系统来优化**

> **程序员就可以放开手脚做其他的事情啦~**
> 
> **（当然，对应强迫症的工程师，可以自己来控制和考虑啦~）**

> ![790d043ebad6417680cc330a46c6e38b.png][]

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[Link 2]: https://blog.csdn.net/Pan_peter/article/details/132296308?spm=1001.2014.3001.5502#t0
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