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計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫技術(shù)在信息管理中的有效應(yīng)用

所屬分類:電子論文 閱讀次 時(shí)間:2021-12-10 11:09

本文摘要:【摘要】論文介紹了第二代關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和第三代非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的分類、特性和關(guān)聯(lián)概念,概述了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的性能優(yōu)化方向和主要優(yōu)化方法,闡述了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫在企業(yè)級軟件中的應(yīng)用架構(gòu),介紹了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫在云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等新興IT技術(shù)中的應(yīng)用方式,最后簡要介紹了N

  【摘要】論文介紹了第二代關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和第三代非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的分類、特性和關(guān)聯(lián)概念,概述了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的性能優(yōu)化方向和主要優(yōu)化方法,闡述了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫在企業(yè)級軟件中的應(yīng)用架構(gòu),介紹了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫在云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等新興IT技術(shù)中的應(yīng)用方式,最后簡要介紹了NoSQL數(shù)據(jù)庫的分類和應(yīng)用。

  【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī);數(shù)據(jù)庫技術(shù);信息管理

計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫

  1引言

  數(shù)據(jù)庫是按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織、存儲和管理數(shù)據(jù)的載體,在信息時(shí)代特指“一個(gè)長期存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)的、有組織的、可共享的、統(tǒng)一管理的大量數(shù)據(jù)的集合”。管理數(shù)據(jù)庫的計(jì)算機(jī)軟件稱為數(shù)據(jù)庫軟件,一般簡稱為“數(shù)據(jù)庫”。

  2數(shù)據(jù)庫分類及概述

  2.1數(shù)據(jù)庫的分類

  IBM在1969年推出了第一代層次模型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)IMS,20世紀(jì)70年代DBTG又推出了網(wǎng)狀模型數(shù)據(jù)庫,其優(yōu)點(diǎn)是查詢效率高,但表示數(shù)據(jù)具有局限性,不太適合多對多的節(jié)點(diǎn)關(guān)系。20世紀(jì)70年代開始,IBM、微軟和ORACLE等公司逐步推出了DB2、SQLServer和Oracle等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫軟件,因?yàn)殛P(guān)系型數(shù)據(jù)庫嚴(yán)格基于數(shù)學(xué)基礎(chǔ),優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單清晰、易學(xué)易用,但查詢效率不如層次或網(wǎng)狀型數(shù)據(jù)庫,因此,關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的查詢性能調(diào)優(yōu)是數(shù)據(jù)庫技術(shù)研究和應(yīng)用的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。日常辦公常用的Excel軟件也可視作一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫軟件。

  計(jì)算機(jī)論文范例:新時(shí)代地方院校計(jì)算機(jī)信息技術(shù)教育研究

  從20世紀(jì)80年代末期開始,隨著互聯(lián)網(wǎng)特別是近年來移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)已不局限于傳統(tǒng)二維表示的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),圖片、語音、視頻等沒有預(yù)定義數(shù)據(jù)模型的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)成為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的主流,第三代非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫逐漸興起,采用“鍵-值”對、列簇或者圖結(jié)構(gòu)等方式來存儲和查找數(shù)據(jù),具有支持分布式、可擴(kuò)展性強(qiáng)和開放性好等優(yōu)點(diǎn),很好地支持了人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的各類應(yīng)用。相比于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫,非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫在操作原子性、一致性、隔離性和持久性的支持能力不足,很多場合還需要依賴關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。因此,雖然非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫已成為今天大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等行業(yè)應(yīng)用的熱點(diǎn),但傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫仍具有不可撼動的行業(yè)地位。

  2.2關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的ACID特性

  在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫操作中,一個(gè)任務(wù)執(zhí)行單元稱為事務(wù),例如,一次數(shù)據(jù)插入或者一次數(shù)據(jù)更新,為保證數(shù)據(jù)庫事務(wù)操作的正確可靠,關(guān)系型數(shù)據(jù)庫必須具備4個(gè)特性:原子性、一致性、隔離性和持久性。所謂原子性,是借用早期人類認(rèn)為的原子所具有的不可分割性,在數(shù)據(jù)庫中指一個(gè)事務(wù)中的所有操作,要么都成功,要么就全部不執(zhí)行。

  如果部分成功部分失敗,已經(jīng)成功完成的操作要進(jìn)行回滾操作,就好像沒有執(zhí)行過一樣。所謂一致性,是指事務(wù)操作前后,數(shù)據(jù)庫的完整性不受破壞。一致性往往與數(shù)據(jù)庫的隔離性聯(lián)系起來,即多個(gè)并行處理的事務(wù)同時(shí)操作數(shù)據(jù)后,數(shù)據(jù)的完整性不受破壞,在多個(gè)并行事務(wù)中呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)值是一致的。隔離性的主要功能就是防止多個(gè)事務(wù)并發(fā)執(zhí)行而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)不一致問題。所謂持久性是指事務(wù)一旦被數(shù)據(jù)庫執(zhí)行,其對數(shù)據(jù)的修改就是永久性的,不因數(shù)據(jù)庫或計(jì)算機(jī)故障而丟失。

  2.3結(jié)構(gòu)化查詢語言

  SQL結(jié)構(gòu)化查詢語言(StructuredQueryLanguage)簡稱SQL,是專用于管理關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的編程語言,用于對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的插入、修改、刪除和查找等功能,用戶在操縱數(shù)據(jù)庫時(shí),僅需要編寫SQL語句來指明具體操作,剩下的工作都可以由數(shù)據(jù)庫自動完成。SQL語句大大提高了數(shù)據(jù)庫管理的效率和易用性,目前所有的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫基本上都支持標(biāo)準(zhǔn)的SQL語句,僅有極少數(shù)功能需要使用非標(biāo)準(zhǔn)的SQL語句。

  SQL語言從功能上可以劃分為數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)操縱和數(shù)據(jù)控制。數(shù)據(jù)定義是指定義數(shù)據(jù)庫的三級模式結(jié)構(gòu):外模式、概念模式和內(nèi)模式。其規(guī)定了數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)、邏輯結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)視圖,如數(shù)據(jù)庫和用戶表的建立等。數(shù)據(jù)操縱指針對用戶數(shù)據(jù)表的增刪改查等具體操作。數(shù)據(jù)控制則規(guī)定了數(shù)據(jù)的訪問和使用權(quán)限。

  2.4數(shù)據(jù)庫安全

  數(shù)據(jù)是現(xiàn)代社會活動的核心,也是黑客重點(diǎn)攻擊的方向,勒索病毒攻擊加密數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù),往往給企事業(yè)單位帶來重大損失,為數(shù)據(jù)庫建立可靠的防護(hù)措施是必不可少的步驟。數(shù)據(jù)庫防護(hù)的核心是數(shù)據(jù)安全,因此在數(shù)據(jù)庫的訪問控制和權(quán)限設(shè)置、用戶操作行為和審計(jì)、數(shù)據(jù)維護(hù)等方面都應(yīng)建立完備的制度和手段,如關(guān)閉不必要的網(wǎng)絡(luò)端口、最小化用戶操作權(quán)限、敏感數(shù)據(jù)加密存儲等。

  3關(guān)系型數(shù)據(jù)庫性能優(yōu)化

  3.1表結(jié)構(gòu)優(yōu)化

  數(shù)據(jù)庫在建立時(shí),就應(yīng)該進(jìn)行良好的設(shè)計(jì),遵守?cái)?shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)范式。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫有5種設(shè)計(jì)范式:第1~5范式,所有設(shè)計(jì)范式都是為了提高數(shù)據(jù)庫的使用性能和提高其可擴(kuò)展性。第1范式要求數(shù)據(jù)表的列具有原子性,即單表每列的數(shù)據(jù)只對應(yīng)程序的一個(gè)屬性,不能是對應(yīng)多個(gè)屬性的集合;如果一定要對應(yīng)集合,應(yīng)該使用從數(shù)據(jù)表,并且從數(shù)據(jù)表的每一列也要保持原子性。

  第2范式要求必須在滿足第1范式的基礎(chǔ)上,表格中的每一條數(shù)據(jù)都可以被區(qū)分,不能有兩條數(shù)據(jù)完全一致。實(shí)際上,要求數(shù)據(jù)庫的每個(gè)數(shù)據(jù)表都應(yīng)設(shè)置主鍵(PrimaryKey),主鍵的值在單表中具有唯一性。主鍵可以是1個(gè),若1個(gè)主鍵不滿足唯一性,則可以設(shè)置多主鍵,多主鍵的組合必須具有唯一性,但設(shè)置多主鍵會引起數(shù)據(jù)庫增加開銷,導(dǎo)致讀寫性能下降。

  第3范式要求必須滿足第2范式,它要求在單表中的屬性具有獨(dú)立性,互相之間不具有依賴關(guān)系,如果具有依賴關(guān)系,則應(yīng)該將所有具有依賴關(guān)系的數(shù)據(jù)列單獨(dú)劃分為一個(gè)數(shù)據(jù)表,并通過設(shè)置外鍵來表示兩張數(shù)據(jù)表之間的關(guān)聯(lián)性。在查詢數(shù)據(jù)時(shí),可以通過左連接查詢或者右連接查詢來形成用戶需要獲得的完整數(shù)據(jù)。對于一些關(guān)聯(lián)關(guān)系特別復(fù)雜的情況,滿足第3范式可能導(dǎo)致性能下降,此時(shí)可以建立視圖,預(yù)置復(fù)雜的連接查詢,提高查詢效率。

  第4范式在第3范式的基礎(chǔ)上,要求消除數(shù)據(jù)表的多值依賴,即數(shù)據(jù)表中不能存在若干行多列數(shù)據(jù)完全一致的情況。第5范式在第4范式的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步消除傳遞依賴,即多個(gè)數(shù)據(jù)列之間不能形成依賴關(guān)系鏈。但實(shí)際上,數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)滿足第3范式即可,過度追求完美的第5范式,將導(dǎo)致數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)過于復(fù)雜、零散,不利于實(shí)際使用,在數(shù)據(jù)量過大時(shí),反而會引起數(shù)據(jù)庫查詢性能下降。

  3.2并發(fā)性能優(yōu)化

 、賳螜C(jī)并發(fā)能力優(yōu)化主要目標(biāo)是提高單數(shù)據(jù)庫的并發(fā)能力。實(shí)際上,大型數(shù)據(jù)庫一般都有單獨(dú)的服務(wù)器,首先,確保所有計(jì)算機(jī)資源都用于數(shù)據(jù)庫服務(wù);其次,提高存儲數(shù)據(jù)庫文件的計(jì)算機(jī)硬盤I/O能力,如將機(jī)械硬盤改為固態(tài)硬盤;再次,提高網(wǎng)絡(luò)帶寬和QoS服務(wù)質(zhì)量,降低網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延和時(shí)延抖動;最后,優(yōu)化數(shù)據(jù)庫的連接池,合理設(shè)置連接池的大小、等待時(shí)間、保持時(shí)間和檢測參數(shù)等。②部署優(yōu)化主要指應(yīng)用分布式部署來提高數(shù)據(jù)庫的并發(fā)性能。一是可以對數(shù)據(jù)表進(jìn)行橫向分裂,將數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)按特定規(guī)則排序后,橫向拆分到不同的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上,即通過數(shù)據(jù)分庫來提高并發(fā)服務(wù)能力。

  二是針對并發(fā)讀寫沖突的問題,通過分布式服務(wù)器實(shí)現(xiàn)讀寫分離:先在后端構(gòu)建一個(gè)主從同步數(shù)據(jù)庫集群,將主數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)自動同步到從數(shù)據(jù)庫,在前端服務(wù)器部署讀寫控制器。當(dāng)要寫數(shù)據(jù)時(shí),由控制器向主數(shù)據(jù)庫發(fā)起寫請求,主數(shù)據(jù)庫完成事務(wù)操作后,再將相同的操作同步到從服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)主從數(shù)據(jù)同步;當(dāng)要讀數(shù)據(jù)時(shí),前端控制器直接到從數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)。如果進(jìn)一步對主數(shù)據(jù)庫和從數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分庫,還能繼續(xù)提高數(shù)據(jù)庫集群的并發(fā)服務(wù)能力。讀寫分離的優(yōu)點(diǎn)不僅在于提高了系統(tǒng)的讀寫并發(fā)能力,而且實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的冗余備份,提高了數(shù)據(jù)的可靠性。

  3.3SQL語句優(yōu)化

  數(shù)據(jù)庫的性能主要體現(xiàn)為操作響應(yīng)時(shí)間,在使用SQL語句查詢時(shí),也需要根據(jù)查詢目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化:①避免“select*”這樣的全局查詢和使用“like”關(guān)鍵字的模糊查詢,這種查詢方式需要進(jìn)行全表掃描,對于列數(shù)較多且數(shù)據(jù)量巨大的表來說將消耗大量系統(tǒng)資源,造成系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間將顯著延長。②縮小查詢范圍,通過where字句、between等范圍關(guān)鍵字和分頁查詢等方式,縮小查詢范圍。使用子查詢時(shí),應(yīng)將查詢范圍最小的查詢語句寫在最內(nèi)層,這樣可以快速縮小查詢范圍,降低后續(xù)子查詢的難度。

 、圻B接查詢時(shí),使用數(shù)據(jù)量較小的表去連接查詢數(shù)據(jù)量大的表,同時(shí)可以在連接的字段上建立索引,可進(jìn)一步提高查詢效率。SQL語句是影響數(shù)據(jù)庫性能的重要因素,數(shù)據(jù)庫大部分?jǐn)?shù)據(jù)訪問都屬于查詢操作,不合理的查詢操作甚至有可能阻塞數(shù)據(jù)庫的其他查詢服務(wù),因此,SQL語句執(zhí)行查詢操作時(shí)必須要優(yōu)化查詢效能。

  4關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

  4.1在傳統(tǒng)企業(yè)級軟件中的應(yīng)用

  數(shù)據(jù)庫是企業(yè)級軟件必不可少的核心組成部分,企業(yè)級軟件的核心架構(gòu)是依據(jù)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)和確定的,后臺業(yè)務(wù)核心邏輯就是對數(shù)據(jù)的運(yùn)用、分析和持久化。以ERP、CRP等軟件為代表的企業(yè)級軟件,以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)管理為主,基本都采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫作為持久化存儲軟件。業(yè)界主流的企業(yè)級關(guān)系型數(shù)據(jù)庫有MySQL、MariaDB、PostgreSQL、SQLServer和Oracle等。近年來,隨著自主軟件的發(fā)展和信息安全要求,國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫管理軟件也在興起,如南大通用、武漢達(dá)夢、華為高斯等。由于軟件功能具有不確定性,隨著企業(yè)業(yè)務(wù)發(fā)展和社會需求變遷,軟件功能也在不斷發(fā)生變化。

  但是數(shù)據(jù)庫的表結(jié)構(gòu)一旦確定并在實(shí)際運(yùn)行中寫入大量數(shù)據(jù),是很難隨著軟件功能隨意變化的,一般僅在必要的情況下才會更改已形成的表結(jié)構(gòu),此時(shí)需要有專門的表結(jié)構(gòu)升級腳本,操作煩瑣且風(fēng)險(xiǎn)巨大,一旦因斷電或其他意外原因造成升級失敗又不能回滾,將給軟件客戶造成極大損失,因此,在企業(yè)級軟件體系中,往往設(shè)置持久化中間層來兼容軟件功能變化對數(shù)據(jù)庫的影響。

  持久層通過實(shí)體類與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表建立映射關(guān)系,例如,在Java中可以通過XML或者注解的方式,在Java實(shí)體類與數(shù)據(jù)庫表之間建立一對一映射關(guān)系,由持久化層來維護(hù)與數(shù)據(jù)庫的連接和訪問操作請求,并向上層業(yè)務(wù)邏輯代碼提供API(應(yīng)用可編程接口)。對數(shù)據(jù)庫表的增刪改查操作,簡化為通過持久化層提供的API來操作實(shí)體類,由持久層將相應(yīng)的操作轉(zhuǎn)換為SQL語句去操作數(shù)據(jù)庫,而不是程序代碼直接通過SQL語句去訪問數(shù)據(jù)庫。在這種應(yīng)用模式下,數(shù)據(jù)庫不直接與軟件業(yè)務(wù)邏輯代碼發(fā)生關(guān)系,持久化層向業(yè)務(wù)邏輯代碼屏蔽了不同廠商數(shù)據(jù)庫的不一致性,提高了程序的可移植性,向數(shù)據(jù)庫屏蔽了業(yè)務(wù)邏輯字段頻繁變化對數(shù)據(jù)庫的沖擊,有利于提高軟件和數(shù)據(jù)庫的穩(wěn)定性。

  4.2在云計(jì)算和大數(shù)據(jù)體系中的應(yīng)用

  對于開源云計(jì)算管理平臺OpenStack來說,MariaDB或者其他關(guān)系型數(shù)據(jù)庫是部署云計(jì)算平臺必不可少的基礎(chǔ)環(huán)境,Nova、Glance和Keystone等組件都依賴數(shù)據(jù)庫存放系統(tǒng)管理必要的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),一旦數(shù)據(jù)庫遭到攻擊,極有可能導(dǎo)致整個(gè)云計(jì)算系統(tǒng)崩潰;陂_源大數(shù)據(jù)處理平臺Hadoop的數(shù)據(jù)倉庫工具Hive,則可以視作大數(shù)據(jù)版本的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。Hive將結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)文件映射為數(shù)據(jù)庫表,通過HiveSQL可以將SQL查詢語句轉(zhuǎn)換為MapReduce程序來執(zhí)行大數(shù)據(jù)查找和分析,它借鑒了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并結(jié)合Hadoop的MapReduce工具,實(shí)現(xiàn)了對海量關(guān)系型數(shù)據(jù)的離線查詢。

  5NoSQL數(shù)據(jù)庫的分類和應(yīng)用

  互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展催生了無數(shù)應(yīng)用模式,微博、網(wǎng)購、外賣、抖音和移動社交網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用產(chǎn)生了各種不同類型的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的數(shù)據(jù)應(yīng)用,非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫發(fā)展了多個(gè)分支來適應(yīng)這種需求。

 、“鍵值對”型數(shù)據(jù)庫,這類數(shù)據(jù)庫基于哈希算法構(gòu)建哈希表,通過將一個(gè)特定的“鍵”和“數(shù)據(jù)”進(jìn)行綁定來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理,優(yōu)點(diǎn)是簡單易部署,單數(shù)據(jù)查詢效率高,但是批量數(shù)據(jù)查詢效率低下,常用于大型網(wǎng)站的分布式緩存,如Redis等。②列存儲數(shù)據(jù)庫,主要用于海量數(shù)據(jù)存儲。傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫是行存儲數(shù)據(jù)庫,特點(diǎn)是以“行”為單位來管理和使用數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)處理往往有選擇的處理數(shù)據(jù)的部分維度,如微博詞頻統(tǒng)計(jì)、評論分析等,此時(shí)列存儲更有利于數(shù)據(jù)快速讀取。列存儲更有利于數(shù)據(jù)讀取,不利于數(shù)據(jù)插入、更新和刪除等操作,同時(shí)列數(shù)據(jù)的重復(fù)性更有利于數(shù)據(jù)壓縮。因此,列存儲主要用于大數(shù)據(jù)領(lǐng)域,如HBase等。

  ③文檔數(shù)據(jù)庫與“鍵值對”數(shù)據(jù)庫類似,其以特定的格式來存儲文檔信息,如Json、XML等,其更高級的功能是允許鍵值嵌套,常用于網(wǎng)頁數(shù)據(jù)、表單數(shù)據(jù)處理。④圖型數(shù)據(jù)庫適用于多對多類型的數(shù)據(jù)存儲,如微博、微信等社交網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。圖形數(shù)據(jù)庫一般由結(jié)點(diǎn)集和結(jié)點(diǎn)關(guān)系集兩部分組成,其查找算法需要特殊定制,但在近年興起的知識圖譜和較早應(yīng)用的專家推薦系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛。

  6結(jié)語

  隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)資源形式愈加豐富,非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫已經(jīng)成為新一代網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的主流,但仍然不能放棄傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)行業(yè)依然存在海量的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲需求,并且隨著非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的增長,與之相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)也將保持同步增長,關(guān)系型數(shù)據(jù)庫在未來仍將保持旺盛的生命力,與非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫同步發(fā)展。

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  作者:賀峰,楊青豐

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