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文檔簡介
1、第一章 并行計算基礎(chǔ)知識第1頁,共55頁。第一章 并行計算基礎(chǔ)知識1.1 并行計算的主要研究目標(biāo)和內(nèi)容 1.1.1 并行計算的定義 1.1.2 并行計算的研究內(nèi)容 1.1.3 并行計算的應(yīng)用范圍 1.1.4 并行計算的應(yīng)用分類1.2 并行計算機發(fā)展歷史 1.2.1 并行計算機發(fā)展簡述 1.3 并行計算機體系結(jié)構(gòu) 1.3.1 并行計算機體系結(jié)構(gòu)的要素 1.3.2 并行計算機的類型2第2頁,共55頁。1.1 并行計算的主要研究目標(biāo) 和內(nèi)容第3頁,共55頁。1.1.1并行計算的定義并行計算是指同時對多個任務(wù)或多條指令、或?qū)Χ鄠€數(shù)據(jù)項進行處理。完成此項處理的計算機系統(tǒng)稱為并行計算機系統(tǒng),它是將多個處理
2、器(可以幾個、幾十個、幾千個、幾萬個等)通過網(wǎng)絡(luò)連接以一定的方式有序地組織起來(一定的連接方式涉及網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)拓撲、通信協(xié)議等,而有序的組織則涉及操作系統(tǒng)、中間件軟件等)。并行計算的主要目的:一是為了提供比傳統(tǒng)計算機快的計算速度;二是解決傳統(tǒng)計算機無法解決的問題。 4第4頁,共55頁。1.1.2并行計算的研究內(nèi)容 并行計算的研究內(nèi)容廣泛,包括并行計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、并行算法設(shè)計、并行編程環(huán)境等,具體表現(xiàn)在下面幾個方面:(1)并行計算機的設(shè)計包括本并行計算機的結(jié)構(gòu)設(shè)計、互聯(lián)拓撲、網(wǎng)絡(luò)通信等。設(shè)計并行計算機重要的一點要考慮處理機數(shù)目的按比例增長(即可擴展性)及支持快速通信及處理機間的數(shù)據(jù)共享等。5第5頁
3、,共55頁。1.1.2并行計算的研究內(nèi)容 (2)有效算法的設(shè)計如果沒有有效的并行算法,并行計算機無法使用,而并行算法的設(shè)計完全不同于串行算法的設(shè)計,不同的并行計算機的算法設(shè)計不同,只有將不同的并行計算機與不同的實際問題相結(jié)合,才能設(shè)計出有效的并行算法。主要研究內(nèi)容包括并行計算模型、并行算法的一般設(shè)計方法、基本設(shè)計技術(shù)和一般設(shè)計過程,并討論一些數(shù)值并行算法與非數(shù)值并行算法的設(shè)計。 6第6頁,共55頁。1.1.2并行計算的研究內(nèi)容 (3)評價并行算法的方法對于給定的并行計算機及運行在上面的并行算法,需要評價運行性能。性能分析需解決的問題:如何利用基于并行計算機及其相適應(yīng)的并行算法去快速地解決問題,
4、及如何有效地利用各個處理器。研究內(nèi)容包括結(jié)合機器與算法,提出相應(yīng)的性能評測指標(biāo),為設(shè)計高效的并行算法提供依據(jù)。7第7頁,共55頁。1.1.2并行計算的研究內(nèi)容 (4)并行計算機語言與傳統(tǒng)的機器語言不同,并行計算機語言依賴于并行計算機,并行計算機語言必須簡潔,編程容易,可以有效地實現(xiàn),目前的語言有:PVM、MPI、HPF等,而且新的編程語言和編程模式正在不斷地出現(xiàn)。 8第8頁,共55頁。1.1.2并行計算的研究內(nèi)容 (5)并行編程環(huán)境與工具為了使編程容易,必須開發(fā)綜合的編程環(huán)境與工具,且能達到兩個目的:并行計算機的底層機構(gòu)對用戶透明;為用戶提供設(shè)計與開發(fā)程序所需要的調(diào)試器與模擬器等工具。9第9頁
5、,共55頁。1.1.2并行計算的研究內(nèi)容 (6)并行程序的可移植性 可移植性為并行程序設(shè)計的主要問題,要求在一臺并行機上開發(fā)的程序不加修改或進行少量修改即可在另一臺計算機上運行。這一點為目前受到了廣泛關(guān)注的重要課題。(7) 并行計算機的自動編程可否設(shè)計一個并行化編譯器,使用戶的串行程序通過并行化編譯器編譯,直接可在并行機上運行。到目前為此,這種編譯器還不存在,而僅有一些半自動并行化編譯器。10第10頁,共55頁。1.1.3 并行計算的應(yīng)用范圍 并行計算在許多計算機應(yīng)用領(lǐng)域都產(chǎn)生了巨大的影響,使原來無法解決的應(yīng)用問題成為可能。 天氣預(yù)報、衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理、石油數(shù)據(jù)處理(連續(xù)優(yōu)化問題),調(diào)度問題、平面
6、性問題及VLSI設(shè)計(離散優(yōu)化問題)、生物工程、醫(yī)藥研究、飛機制造、汽車設(shè)計、環(huán)境保護等領(lǐng)域。11第11頁,共55頁。1.1.4并行計算的應(yīng)用分類 科學(xué)與工程計算對并行計算的需求是十分廣泛的,但所有的應(yīng)用可概括為三個方面:(1)計算密集型(Compute-Intensive)這一類型的應(yīng)用問題主要集中在大型科學(xué)工程計算與數(shù)值模擬(氣象預(yù)報、地球物理勘探等) 12第12頁,共55頁。1.1.4并行計算的應(yīng)用分類 (2)數(shù)據(jù)密集型 (Data-Intensive)Internet的發(fā)展,為我們提供了大量的數(shù)據(jù)資源,但有效地利用這些資源,需要進行大量地處理,且對計算機的要求也相當(dāng)高,這些應(yīng)用包括數(shù)字
7、圖書館、數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)挖掘、計算可視化。(3)網(wǎng)絡(luò)密集型 (Network-Intensive)通過網(wǎng)絡(luò)進行遠距離信息交互,來完成用傳統(tǒng)方法不同的一些應(yīng)用問題。如協(xié)同工作、遙控與遠程醫(yī)療診斷等。13第13頁,共55頁。1.2 并行計算機發(fā)展歷史第14頁,共55頁。1.2.1 并行計算機發(fā)展簡述 40年代開始的現(xiàn)代計算機發(fā)展歷程可以分為兩個明顯的發(fā)展時代:串行計算時代、并行計算時代。每一個計算時代都從體系結(jié)構(gòu)發(fā)展開始,接著是系統(tǒng)軟件(特別是編譯器與操作系統(tǒng))、應(yīng)用軟件,最后隨著問題求解環(huán)境的發(fā)展而達到頂峰。創(chuàng)建和使用并行計算機的主要原因是因為并行計算機是解決單處理器速度瓶頸的最好方法之一。 15
8、第15頁,共55頁。1.2.1 并行計算機發(fā)展簡述并行計算機是由一組處理單元組成的,這組處理單元通過相互之間的通信與協(xié)作,以更快的速度共同完成一項大規(guī)模的計算任務(wù)。因此,并行計算機的兩個最主要的組成部分是計算節(jié)點和節(jié)點間的通信與協(xié)作機制。并行計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展也主要體現(xiàn)在計算節(jié)點性能的提高以及節(jié)點間通信技術(shù)的改進兩方面。 16第16頁,共55頁。1.2.1 并行計算機發(fā)展簡述 60年代初期,由于晶體管以及磁芯存儲器的出現(xiàn),處理單元變得越來越小,存儲器也更加小巧和廉價。這些技術(shù)發(fā)展的結(jié)果導(dǎo)致了并行計算機的出現(xiàn),這一時期的并行計算機多是規(guī)模不大的共享存儲多處理器系統(tǒng),即所謂大型主機(Mainfr
9、ame)。IBM 360是這一時期的典型代表。 17第17頁,共55頁。1.2.1 并行計算機發(fā)展簡述 到了60年代末期,同一個處理器開始設(shè)置多個功能相同的功能單元,流水線技術(shù)也出現(xiàn)了。與單純提高時鐘頻率相比,這些并行特性在處理器內(nèi)部的應(yīng)用大大提高了并行計算機系統(tǒng)的性能。 18第18頁,共55頁。1.2.1 并行計算機發(fā)展簡述1972年,誕生了第一臺并行計算機ILLIAC (Illinois Integrator and Automatic Computer) 伊利諾斯(理工學(xué)院)積分儀和自動計算機。它由Illinois 大學(xué)和Burrouphs公司合作研制成功的。運算速度為1.5億次/秒 (
10、1.5*108次/秒)由64臺處理器組成的陣列機(Array Computer)可對數(shù)組進行并行計算它是當(dāng)時性能最高的 CDC 7600 機器速度的26倍。19第19頁,共55頁。1.2.1 并行計算機發(fā)展簡述從80年代開始,微處理器技術(shù)一直在高速前進。稍后又出現(xiàn)了非常適合于SMP 方式的總線協(xié)議,而伯克利加州大學(xué)則對總線協(xié)議進行了擴展,提出了Cache一致性問題的處理方案。從此,共享存儲多處理器之路越走越寬;現(xiàn)在,這種體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本上統(tǒng)治了服務(wù)器和桌面工作站市場。 同一時期,基于消息傳遞機制的并行計算機也開始不斷涌現(xiàn)。80年代中期,加州理工成功地將64個i8086/i8087處理器通過超立
11、方體互連結(jié)構(gòu)連結(jié)起來。此后,便先后出現(xiàn)了Intel iPSC系列、INMOS Transputer 系列、Intel Paragon 以及IBM SP 的前身Vulcan等基于消息傳遞機制的并行計算機。 20第20頁,共55頁。1.2.1 并行計算機發(fā)展簡述 80年代末到90年代初,共享存儲器方式的大規(guī)模并行計算機又獲得了新的發(fā)展。IBM 將大量早期RISC微處理器通過蝶形互連網(wǎng)絡(luò)連結(jié)起來。人們開始考慮如何才能在實現(xiàn)共享存儲器緩存一致的同時,使系統(tǒng)具有一定的可擴展性(Scalability)。90年代初期,斯坦福大學(xué)提出了DASH計劃,它通過維護一個保存有每一緩存塊位置信息的目錄結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)分布
12、式共享存儲器的緩存一致性。后來,IEEE在此基礎(chǔ)上提出了緩存一致性協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)。 21第21頁,共55頁。1.2.1 并行計算機發(fā)展簡述 90年代以來,主要的幾種體系結(jié)構(gòu)開始走向融合。屬于數(shù)據(jù)并行類型的CM-5除大量采用商品化的微處理器以外,也允許用戶層的程序傳遞一些簡單的消息;CRAY T3D是一臺NUMA結(jié)構(gòu)的共享存儲型并行計算機,但是它也提供了全局同步機制、消息隊列機制,并采取了一些減少消息傳遞延遲的技術(shù)。 22第22頁,共55頁。1.3 并行計算機體系結(jié)構(gòu)第23頁,共55頁。結(jié)點(node):包含一個或多個CPU,這些CPU通過HUB或全互聯(lián)交叉開關(guān)相互聯(lián)接,并共享內(nèi)存,也可以直接與外部
13、進行I/O操作。 互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(interconnect network):所有結(jié)點通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相互連接相互通信。內(nèi)存(memory):內(nèi)存由多個存儲模塊組成,這些模塊可以與結(jié)點對稱地分布在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的兩側(cè),或者位于各個結(jié)點的內(nèi)部。1.3.1 并行計算機體系結(jié)構(gòu)的要素24第24頁,共55頁。結(jié)點是構(gòu)成并行機的最基本單位。一個結(jié)點包含2 個或2 個以上微處理器(CPU),并行程序執(zhí)行時,程序分派的各個進程將并行地運行在結(jié)點的各個微處理器上。每個微處理器擁有局部的二級高速緩存(L2 cache)。L2 cache 是現(xiàn)代高性能微處理器用于彌補日益增長的CPU 執(zhí)行速度和內(nèi)存訪問速度差距(訪存墻)而采取的
14、關(guān)鍵部件。它按cache 映射策略緩存內(nèi)存訪問的數(shù)據(jù),同時為CPU 內(nèi)部的一級cache 提供計算數(shù)據(jù)。CPU 內(nèi)部的一級cache為寄存器提供數(shù)據(jù),寄存器為邏輯運算部件提供數(shù)據(jù)。1.3.1 并行計算機體系結(jié)構(gòu)的要素25第25頁,共55頁。隨著處理器速度的日益增長,結(jié)點內(nèi)配置的內(nèi)存容量也在增長。傳統(tǒng)地,1 個單位的浮點運算速度配1 個字節(jié)的內(nèi)存單元,是比較合理的。但是,考慮到日益增長的內(nèi)存墻的影響,這個比例可以適當(dāng)縮小。例如,1 個單位的浮點運算速度配0.4 個字節(jié)的內(nèi)存單元。如果以單個微處理器速度為每秒60 億次計算,包含4 個處理器的單結(jié)點的峰值運算速度可達240 億次,內(nèi)存空間需要8GB
15、 以上。于是,在當(dāng)前并行機的結(jié)點內(nèi),一般需要采用64 位的微處理器,才能操作如此大的內(nèi)存空間。1.3.1 并行計算機體系結(jié)構(gòu)的要素26第26頁,共55頁?;ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)是連接所有結(jié)點成并行機的高速網(wǎng)絡(luò)。對于一般的并行機使用者,無須知道互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)底層復(fù)雜的通信原理,而只需從拓撲結(jié)構(gòu)的角度了解互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)?;ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)可用無向圖表示。其中,圖中的結(jié)點唯一地代表并行機的各個結(jié)點,圖中的邊表示在兩個端點代表的并行機結(jié)點之間,存在直接連接的物理通信通道。1.3.1 并行計算機體系結(jié)構(gòu)的要素27第27頁,共55頁。拓撲結(jié)構(gòu)的幾個重要定義: 并行機規(guī)模:并行機包含的結(jié)點總數(shù),或者包含的CPU總數(shù); 結(jié)點度:互聯(lián)網(wǎng)
16、絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中聯(lián)入或聯(lián)出的一個結(jié)點的邊的條數(shù),稱為該結(jié)點的度; 結(jié)點距離:兩個結(jié)點之間跨越的圖的邊的條數(shù); 網(wǎng)絡(luò)直徑:網(wǎng)絡(luò)中任意兩個結(jié)點之間的最長距離; 點對點帶寬:圖中邊對應(yīng)的物理聯(lián)接的物理帶寬; 點對點延遲:圖中任意兩個結(jié)點之間的一次零長度消息傳遞必須花費的時間。延遲與結(jié)點間距離相關(guān),其中所有結(jié)點之間的最小延遲稱為網(wǎng)絡(luò)的最小延遲,所有結(jié)點之間的最大延遲稱為網(wǎng)絡(luò)的最大延遲; 折半寬度:對分網(wǎng)絡(luò)成兩個部分(它們的結(jié)點個數(shù)至多相差1)所必須去掉的邊的網(wǎng)絡(luò)帶寬的總和; 總通信帶寬:所有邊的帶寬之和; 1.3.1 并行計算機體系結(jié)構(gòu)的要素28第28頁,共55頁?;ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)評價: 大:結(jié)點度、點對點帶寬、
17、折半寬度、總通信帶寬; ?。壕W(wǎng)絡(luò)直徑、點對點延遲; 1.3.1 并行計算機體系結(jié)構(gòu)的要素29第29頁,共55頁。按結(jié)點間連接的性質(zhì),拓撲結(jié)構(gòu)可分為靜態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)、動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)和寬帶互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)三類。靜態(tài)拓撲結(jié)構(gòu):結(jié)點之間存在固定的物理聯(lián)接方式,程序執(zhí)行過程中,結(jié)點間的點對點聯(lián)接關(guān)系不變。動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu):結(jié)點之間無固定的物理聯(lián)接關(guān)系,而是在聯(lián)接路徑的交叉點處用電子開關(guān)、路由器或仲裁器等提供動態(tài)聯(lián)接的特性,主要包含單一總線、多層總線、交叉開關(guān)、多級互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。寬帶互聯(lián)網(wǎng)絡(luò):當(dāng)前,除了專用MPP 系統(tǒng)采用靜態(tài)的拓撲結(jié)構(gòu)外,微機機群均采用寬帶互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接各個計算結(jié)點。1.3.1 并行計算機體系結(jié)構(gòu)的要素30第3
18、0頁,共55頁。Flynn(1966年)分類法是根據(jù)系統(tǒng)的指令流和數(shù)據(jù)流對計算機系統(tǒng)進行分類的一種方法。指令流:機器所執(zhí)行的指令序列數(shù)據(jù)流:指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列(包括輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果)SISD (Single Instruction stream Single Data stream)SIMD (Single Instruction stream Multiple Data stream)MISD (Multiple Instruction stream Single Data stream)MIMD (Multiple Instruction stream Multiple Data st
19、ream)1.3.2 并行計算機的類型31第31頁,共55頁。SISD:傳統(tǒng)的單處理機系統(tǒng)。由程序生成的一個單指令流,在任意時刻處理單獨的數(shù)據(jù)項。SIMD:如:陣列處理機系統(tǒng)(Processor Arrays)。由一個控制器負責(zé)從存儲器中取出指令并將這些指令發(fā)送給各個處理器,每個處理器同步執(zhí)行相同的指令,但操作不同的數(shù)據(jù)。MISD:相當(dāng)于在指令一級并行,而在被操作的數(shù)據(jù)級串行的情況,實際上這種模型是不能實現(xiàn)的。1.3.2 并行計算機的類型32第32頁,共55頁。MIMD:當(dāng)今絕大多數(shù)并行計算機都屬于這一類。每個處理器擁有一個單獨的程序,每個程序為每一個處理器生成一個指令流,每條指令對不同的數(shù)據(jù)
20、進行操作。Flynn分類法實際上并不能對所有計算機進行分類,如流水線向量處理機就難于按Flynn分類法簡單地歸為上述四類之一。并行計算機系統(tǒng)除少量專用的SIMD系統(tǒng)外,絕大部分為MIMD系統(tǒng)。1.3.2 并行計算機的類型33第33頁,共55頁。進程:具有一定功能的一段程序的一次運行活動。進程的并行執(zhí)行方式分為以下幾種:MPMD (Multiple Programs & Multiple Data) 控制并行結(jié)構(gòu):在這種并行結(jié)構(gòu)中各進程執(zhí)行的程序不同,操作的數(shù)據(jù)也不同。各進程既可以是異步執(zhí)行的,也可以以同步方式執(zhí)行。SPMD (Single Program & Multiple Data) 數(shù)據(jù)
21、域并行結(jié)構(gòu):在分布存儲并行計算機系統(tǒng)上執(zhí)行的程序,每個進程執(zhí)行相同的程序,但處理不同的數(shù)據(jù)。1.3.2 并行計算機的類型34第34頁,共55頁。在SPMD 程序設(shè)計中,所有節(jié)點機得到相同的程序副本,但程序中可以含有條件語句來決定哪個節(jié)點機執(zhí)行某段程序與否。SPMD并行結(jié)構(gòu)常用于主從結(jié)構(gòu)并行機中從節(jié)點機中。1.3.2 并行計算機的類型35第35頁,共55頁。1.3.2 并行計算機的類型(1)并行向量處理機 (Parallel Vector Processors PVP)1976年,出現(xiàn)了具有實用價值的向量處理機Cray-1單處理機,多向量寄存器模式運算速度: 3160M flops平均速度: 2
22、080M flops向量點積速度: 22M flops利用大量的向量寄存器快速地實現(xiàn)向量運算1985年,Cray Inc.推出Cray-2 超級計算機,該機的向量處理速度是Cray-1的12倍 (1G flops)36第36頁,共55頁。PVP結(jié)構(gòu)模型VPVPVP交叉開關(guān)SMSMSMVP: Vector Processor SM: Shared Memory37第37頁,共55頁。1.3.2 并行計算機的類型典型的PVP機型80年代中、后期是PVP的時代,有很多PVP相繼問世,如:Convex公司的C3800系列DEC公司的 VAX 9000IBM公司的IBM 390/VFFujitsu公司的
23、VP 2000Cray公司的 YMP-9038第38頁,共55頁。1.3.2 并行計算機的類型(2)對稱多處理機 (Symmetric Multiprocessor SMP)將各處理器經(jīng)由高速總線(或交叉開關(guān))與共享存儲器相連每個處理器對共享存儲器具有同等的訪問權(quán)利每個處理器對I/O設(shè)備和其它系統(tǒng)資源享有同等的訪問權(quán)利在SMP系統(tǒng)中一般要求每個處理機是相同的 因此稱之為對稱多處理機39第39頁,共55頁。對稱多處理機結(jié)構(gòu)模型P/C總線或交叉開關(guān)SMSMSMP/CP/CP/C: Processor/Cache SM: Shared Memory40第40頁,共55頁。1.3.2 并行計算機的類型
24、典型SMP機型SGI公司的SGI Onyx系統(tǒng)和SGI Power ChallengeSequent Computer System, Inc.的Sequent Symmetry S-81系統(tǒng)IBM公司的ES/9000系統(tǒng)和R50Sun公司的SparcCenter 2000我國的曙光1號41第41頁,共55頁。1.3.2 并行計算機的類型(3)大規(guī)模并行處理機 (Massively Parallel Processors MPP)采用松耦合體系結(jié)構(gòu)連接各種不同的處理器 即各處理器以使用自己的局部內(nèi)存為主,處理器之間進行同步通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換42第42頁,共55頁。大規(guī)模并行處理機結(jié)構(gòu)模型LM1L
25、M2LMnP/C1P/C2P/Cn專用互連網(wǎng)絡(luò)P/C: Processor/Cache LM: Local Memory43第43頁,共55頁。1.3.2 并行計算機的類型MPP的優(yōu)點:突破了只看到一個統(tǒng)一的存儲空間的方式具有良好的可擴展性MPP的缺點:分布存儲要求用戶必須將被操作的數(shù)據(jù)分配到各局部存儲器中運算過程中用戶要考慮數(shù)據(jù)在各節(jié)點間的傳送和同步44第44頁,共55頁。1.3.2 并行計算機的類型典型的MPP機型:Intel公司的Paragon XP/SMasPar公司的MP-2Thinking Machine公司的CM-5IBM公司的SP 2Cray公司的Cray T3D我國的曙光 1
26、00045第45頁,共55頁。1.3.2 并行計算機的類型(4)分布式共享存儲多處理機系統(tǒng) (Distributed Shared Memory DSM)DSM系統(tǒng)具有以下特點:存儲器在物理上分布于各處理器附近,但在邏輯上可由多個處理器共享整個內(nèi)存DSM系統(tǒng)實際上是SMP和MPP結(jié)構(gòu)的折中46第46頁,共55頁。分布式共享存儲多處理機系統(tǒng)LM1LM2LMnP/C1P/C2P/Cn專用互連網(wǎng)絡(luò)47第47頁,共55頁。1.3.2 并行計算機的類型DSM的優(yōu)點:避免了集中式存儲結(jié)構(gòu)中處理器和存儲器的復(fù)雜連接有良好的可擴展性相對MPP來說,更容易編程DSM系統(tǒng)需著重考慮的問題:系統(tǒng)應(yīng)具有維持存儲器訪問一致性的硬件支持相對SMP系統(tǒng)來說,其訪問非物理局部存儲器的時間要更長。48第48頁,共55頁。1.3.2 并行計算機的類型典型的DSM機型:Cray公司的Cray T3ESGI/Cray公司的Origon 2000BBN公司的TC
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