Redis線程模型的原理分析
一、概述
眾所周知,Redis是一個(gè)高性能的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)框架,在高并發(fā)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,Redis也是一個(gè)比較關(guān)鍵的組件,是我們提升系統(tǒng)性能的一大利器。深入去理解Redis高性能的原理顯得越發(fā)重要,當(dāng)然Redis的高性能設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)性的工程,涉及到很多內(nèi)容,本文重點(diǎn)關(guān)注Redis的IO模型,以及基于IO模型的線程模型。
我們從IO的起源開始,講述了阻塞IO、非阻塞IO、多路復(fù)用IO。基于多路復(fù)用IO,我們也梳理了幾種不同的Reactor模型,并分析了幾種Reactor模型的優(yōu)缺點(diǎn)?;赗eactor模型我們開始了Redis的IO模型和線程模型的分析,并總結(jié)出Redis線程模型的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn),以及后續(xù)的Redis多線程模型方案。本文的重點(diǎn)是對(duì)Redis線程模型設(shè)計(jì)思想的梳理,捋順了設(shè)計(jì)思想,就是一通百通的事了。
注:本文的代碼都是偽代碼,主要是為了示意,不可用于生產(chǎn)環(huán)境。
二、網(wǎng)絡(luò)IO模型發(fā)展史
我們常說的網(wǎng)絡(luò)IO模型,主要包含阻塞IO、非阻塞IO、多路復(fù)用IO、信號(hào)驅(qū)動(dòng)IO、異步IO,本文重點(diǎn)關(guān)注跟Redis相關(guān)的內(nèi)容,所以我們重點(diǎn)分析阻塞IO、非阻塞IO、多路復(fù)用IO,幫助大家后續(xù)更好的理解Redis網(wǎng)絡(luò)模型。
我們先看下面這張圖;
2.1 阻塞IO
我們經(jīng)常說的阻塞IO其實(shí)分為兩種,一種是單線程阻塞,一種是多線程阻塞。這里面其實(shí)有兩個(gè)概念,阻塞和線程。
- 阻塞:指調(diào)用結(jié)果返回之前,當(dāng)前線程會(huì)被掛起,調(diào)用線程只有在得到結(jié)果之后才會(huì)返回;
- 線程:系統(tǒng)調(diào)用的線程個(gè)數(shù)。
像建立連接、讀、寫都涉及到系統(tǒng)調(diào)用,本身是一個(gè)阻塞的操作。
2.1.1 單線程阻塞
服務(wù)端單線程來處理,當(dāng)客戶端請(qǐng)求來臨時(shí),服務(wù)端用主線程來處理連接、讀取、寫入等操作。
以下用代碼模擬了單線程的阻塞模式;
import java.net.Socket; public class BioTest { public static void main(String[] args) throws IOException { ServerSocket server=new ServerSocket(8081); while(true) { Socket socket=server.accept(); System.out.println("accept port:"+socket.getPort()); BufferedReader in=new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream())); String inData=null; try { while ((inData = in.readLine()) != null) { System.out.println("client port:"+socket.getPort()); System.out.println("input data:"+inData); if("close".equals(inData)) {socket.close(); } } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } finally { try { socket.close(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } } } }
我們準(zhǔn)備用兩個(gè)客戶端同時(shí)發(fā)起連接請(qǐng)求、來模擬單線程阻塞模式的現(xiàn)象。同時(shí)發(fā)起連接,通過服務(wù)端日志,我們發(fā)現(xiàn)此時(shí)服務(wù)端只接受了其中一個(gè)連接,主線程被阻塞在上一個(gè)連接的read方法上。
我們嘗試關(guān)閉第一個(gè)連接,看第二個(gè)連接的情況,我們希望看到的現(xiàn)象是,主線程返回,新的客戶端連接被接受。
從日志中發(fā)現(xiàn),在第一個(gè)連接被關(guān)閉后,第二個(gè)連接的請(qǐng)求被處理了,也就是說第二個(gè)連接請(qǐng)求在排隊(duì),直到主線程被喚醒,才能接收下一個(gè)請(qǐng)求,符合我們的預(yù)期。
此時(shí)不僅要問,為什么呢?
主要原因在于accept、read、write三個(gè)函數(shù)都是阻塞的,主線程在系統(tǒng)調(diào)用的時(shí)候,線程是被阻塞的,其他客戶端的連接無法被響應(yīng)。
通過以上流程,我們很容易發(fā)現(xiàn)這個(gè)過程的缺陷,服務(wù)器每次只能處理一個(gè)連接請(qǐng)求,CPU沒有得到充分利用,性能比較低。如何充分利用CPU的多核特性呢?自然而然的想到了——多線程邏輯。
2.1.2 多線程阻塞
對(duì)工程師而言,代碼解釋一切,直接上代碼。
BIO多線程
package net.io.bio; import java.io.BufferedReader; import java.io.IOException; import java.io.InputStreamReader; import java.net.ServerSocket; import java.net.Socket; public class BioTest { public static void main(String[] args) throws IOException { final ServerSocket server=new ServerSocket(8081); while(true) { new Thread(new Runnable() { public void run() { Socket socket=null; try {socket = server.accept();System.out.println("accept port:"+socket.getPort());BufferedReader in=new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));String inData=null;while ((inData = in.readLine()) != null) { System.out.println("client port:"+socket.getPort()); System.out.println("input data:"+inData); if("close".equals(inData)) { socket.close(); }} } catch (IOException e) {e.printStackTrace(); } finally { } } }).start(); } } }
同樣,我們并行發(fā)起兩個(gè)請(qǐng)求;
兩個(gè)請(qǐng)求,都被接受,服務(wù)端新增兩個(gè)線程來處理客戶端的連接和后續(xù)請(qǐng)求。
我們用多線程解決了,服務(wù)器同時(shí)只能處理一個(gè)請(qǐng)求的問題,但同時(shí)又帶來了一個(gè)問題,如果客戶端連接比較多時(shí),服務(wù)端會(huì)創(chuàng)建大量的線程來處理請(qǐng)求,但線程本身是比較耗資源的,創(chuàng)建、上下文切換都比較耗資源,又如何去解決呢?
2.2 非阻塞
如果我們把所有的Socket(文件句柄,后續(xù)用Socket來代替fd的概念,盡量減少概念,減輕閱讀負(fù)擔(dān))都放到隊(duì)列里,只用一個(gè)線程來輪訓(xùn)所有的Socket的狀態(tài),如果準(zhǔn)備好了就把它拿出來,是不是就減少了服務(wù)端的線程數(shù)呢?
一起看下代碼,單純非阻塞模式,我們基本上不用,為了演示邏輯,我們模擬了相關(guān)代碼如下;
package net.io.bio; import java.io.BufferedReader; import java.io.IOException; import java.io.InputStreamReader; import java.net.ServerSocket; import java.net.Socket; import java.net.SocketTimeoutException; import java.util.ArrayList; import java.util.List; import org.apache.commons.collections4.CollectionUtils; public class NioTest { public static void main(String[] args) throws IOException { final ServerSocket server=new ServerSocket(8082); server.setSoTimeout(1000); List<Socket> sockets=new ArrayList<Socket>(); while (true) { Socket socket = null; try { socket = server.accept(); socket.setSoTimeout(500); sockets.add(socket); System.out.println("accept client port:"+socket.getPort()); } catch (SocketTimeoutException e) { System.out.println("accept timeout"); } //模擬非阻塞:輪詢已連接的socket,每個(gè)socket等待10MS,有數(shù)據(jù)就處理,無數(shù)據(jù)就返回,繼續(xù)輪詢 if(CollectionUtils.isNotEmpty(sockets)) { for(Socket socketTemp:sockets ) { try {BufferedReader in=new BufferedReader(new InputStreamReader(socketTemp.getInputStream()));String inData=null;while ((inData = in.readLine()) != null) { System.out.println("input data client port:"+socketTemp.getPort()); System.out.println("input data client port:"+socketTemp.getPort() +"data:"+inData); if("close".equals(inData)) { socketTemp.close(); }} } catch (SocketTimeoutException e) {System.out.println("input client loop"+socketTemp.getPort()); } } } } } }
系統(tǒng)初始化,等待連接;
發(fā)起兩個(gè)客戶端連接,線程開始輪詢兩個(gè)連接中是否有數(shù)據(jù)。
兩個(gè)連接分別輸入數(shù)據(jù)后,輪詢線程發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了,開始相關(guān)的邏輯處理(單線程、多線程都可)。
再用一張流程圖輔助解釋下(系統(tǒng)實(shí)際采用文件句柄,此時(shí)用Socket來代替,方便大家理解)。
服務(wù)端專門有一個(gè)線程來負(fù)責(zé)輪詢所有的Socket,來確認(rèn)操作系統(tǒng)是否完成了相關(guān)事件,如果有則返回處理,如果無繼續(xù)輪詢,大家一起來思考下?此時(shí)又帶來了什么問題呢。
CPU的空轉(zhuǎn)、系統(tǒng)調(diào)用(每次輪詢到涉及到一次系統(tǒng)調(diào)用,通過內(nèi)核命令來確認(rèn)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好),造成資源的浪費(fèi),那有沒有一種機(jī)制,來解決這個(gè)問題呢?
2.3 IO多路復(fù)用
server端有沒專門的線程來做輪詢操作(應(yīng)用程序端非內(nèi)核),而是由事件來觸發(fā),當(dāng)有相關(guān)讀、寫、連接事件到來時(shí),主動(dòng)喚起服務(wù)端線程來進(jìn)行相關(guān)邏輯處理。模擬了相關(guān)代碼如下;
IO多路復(fù)用
import java.net.InetSocketAddress; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.SelectionKey; import java.nio.channels.Selector; import java.nio.channels.ServerSocketChannel; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.nio.charset.Charset; import java.util.Iterator; import java.util.Set; public class NioServer { private static Charset charset = Charset.forName("UTF-8"); public static void main(String[] args) { try { Selector selector = Selector.open(); ServerSocketChannel chanel = ServerSocketChannel.open(); chanel.bind(new InetSocketAddress(8083)); chanel.configureBlocking(false); chanel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); while (true){ int select = selector.select(); if(select == 0){ System.out.println("select loop"); continue; } System.out.println("os data ok"); Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys(); Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator(); while (iterator.hasNext()){ SelectionKey selectionKey = iterator.next(); if(selectionKey.isAcceptable()){ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel)selectionKey.channel();SocketChannel client = server.accept();client.configureBlocking(false);client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);//繼續(xù)可以接收連接事件selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_ACCEPT); }else if(selectionKey.isReadable()){//得到SocketChannelSocketChannel client = (SocketChannel)selectionKey.channel();//定義緩沖區(qū)ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);StringBuilder content = new StringBuilder();while (client.read(buffer) > 0){ buffer.flip(); content.append(charset.decode(buffer));}System.out.println("client port:"+client.getRemoteAddress().toString()+",input data: "+content.toString());//清空緩沖區(qū)buffer.clear(); } iterator.remove(); } } } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } }
同時(shí)創(chuàng)建兩個(gè)連接;
兩個(gè)連接無阻塞的被創(chuàng)建;
無阻塞的接收讀寫;
再用一張流程圖輔助解釋下(系統(tǒng)實(shí)際采用文件句柄,此時(shí)用Socket來代替,方便大家理解)。
當(dāng)然操作系統(tǒng)的多路復(fù)用有好幾種實(shí)現(xiàn)方式,我們經(jīng)常使用的select(),epoll模式這里不做過多的解釋,有興趣的可以查看相關(guān)文檔,IO的發(fā)展后面還有異步、事件等模式,我們?cè)谶@里不過多的贅述,我們更多的是為了解釋Redis線程模式的發(fā)展。
三、NIO線程模型解釋
我們一起來聊了阻塞、非阻塞、IO多路復(fù)用模式,那Redis采用的是哪種呢?
Redis采用的是IO多路復(fù)用模式,所以我們重點(diǎn)來了解下多路復(fù)用這種模式,如何在更好的落地到我們系統(tǒng)中,不可避免的我們要聊下Reactor模式。
首先我們做下相關(guān)的名詞解釋;
Reactor:類似NIO編程中的Selector,負(fù)責(zé)I/O事件的派發(fā);
Acceptor:NIO中接收到事件后,處理連接的那個(gè)分支邏輯;
Handler:消息讀寫處理等操作類。
3.1 單Reactor單線程模型
處理流程
- Reactor監(jiān)聽連接事件、Socket事件,當(dāng)有連接事件過來時(shí)交給Acceptor處理,當(dāng)有Socket事件過來時(shí)交個(gè)對(duì)應(yīng)的Handler處理。
優(yōu)點(diǎn)
- 模型比較簡(jiǎn)單,所有的處理過程都在一個(gè)連接里;
- 實(shí)現(xiàn)上比較容易,模塊功能也比較解耦,Reactor負(fù)責(zé)多路復(fù)用和事件分發(fā)處理,Acceptor負(fù)責(zé)連接事件處理,Handler負(fù)責(zé)Scoket讀寫事件處理。
缺點(diǎn)
- 只有一個(gè)線程,連接處理和業(yè)務(wù)處理共用一個(gè)線程,無法充分利用CPU多核的優(yōu)勢(shì)。
- 在流量不是特別大、業(yè)務(wù)處理比較快的時(shí)候系統(tǒng)可以有很好的表現(xiàn),當(dāng)流量比較大、讀寫事件比較耗時(shí)情況下,容易導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)性能瓶頸。
怎么去解決上述問題呢?既然業(yè)務(wù)處理邏輯可能會(huì)影響系統(tǒng)瓶頸,那我們是不是可以把業(yè)務(wù)處理邏輯單拎出來,交給線程池來處理,一方面減小對(duì)主線程的影響,另一方面利用CPU多核的優(yōu)勢(shì)。這一點(diǎn)希望大家要理解透徹,方便我們后續(xù)理解Redis由單線程模型到多線程模型的設(shè)計(jì)的思路。
3.2 單Reactor多線程模型
這種模型相對(duì)單Reactor單線程模型,只是將業(yè)務(wù)邏輯的處理邏輯交給了一個(gè)線程池來處理。
處理流程
- Reactor監(jiān)聽連接事件、Socket事件,當(dāng)有連接事件過來時(shí)交給Acceptor處理,當(dāng)有Socket事件過來時(shí)交個(gè)對(duì)應(yīng)的Handler處理。
- Handler完成讀事件后,包裝成一個(gè)任務(wù)對(duì)象,交給線程池來處理,把業(yè)務(wù)處理邏輯交給其他線程來處理。
優(yōu)點(diǎn)
- 讓主線程專注于通用事件的處理(連接、讀、寫),從設(shè)計(jì)上進(jìn)一步解耦;
- 利用CPU多核的優(yōu)勢(shì)。
缺點(diǎn)
- 貌似這種模型已經(jīng)很完美了,我們?cè)偎伎枷?,如果客戶端很多、流量特別大的時(shí)候,通用事件的處理(讀、寫)也可能會(huì)成為主線程的瓶頸,因?yàn)槊看巫x、寫操作都涉及系統(tǒng)調(diào)用。
有沒有什么好的辦法來解決上述問題呢?通過以上的分析,大家有沒有發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象,當(dāng)某一個(gè)點(diǎn)成為系統(tǒng)瓶頸點(diǎn)時(shí),想辦法把他拿出來,交個(gè)其他線程來處理,那這種場(chǎng)景是否適用呢?
3.3 多Reactor多線程模型
這種模型相對(duì)單Reactor多線程模型,只是將Scoket的讀寫處理從mainReactor中拎出來,交給subReactor線程來處理。
處理流程
- mainReactor主線程負(fù)責(zé)連接事件的監(jiān)聽和處理,當(dāng)Acceptor處理完連接過程后,主線程將連接分配給subReactor;
- subReactor負(fù)責(zé)mainReactor分配過來的Socket的監(jiān)聽和處理,當(dāng)有Socket事件過來時(shí)交個(gè)對(duì)應(yīng)的Handler處理;
Handler完成讀事件后,包裝成一個(gè)任務(wù)對(duì)象,交給線程池來處理,把業(yè)務(wù)處理邏輯交給其他線程來處理。
優(yōu)點(diǎn)
- 讓主線程專注于連接事件的處理,子線程專注于讀寫事件吹,從設(shè)計(jì)上進(jìn)一步解耦;
- 利用CPU多核的優(yōu)勢(shì)。
缺點(diǎn)
- 實(shí)現(xiàn)上會(huì)比較復(fù)雜,在極度追求單機(jī)性能的場(chǎng)景中可以考慮使用。
四、Redis的線程模型
4.1 概述
以上我們聊了,IO網(wǎng)路模型的發(fā)展歷史,也聊了IO多路復(fù)用的reactor模式。那Redis采用的是哪種reactor模式呢?在回答這個(gè)問題前,我們先梳理幾個(gè)概念性的問題。
Redis服務(wù)器中有兩類事件,文件事件和時(shí)間事件。
- 文件事件:在這里可以把文件理解為Socket相關(guān)的事件,比如連接、讀、寫等;
- 時(shí)間時(shí)間:可以理解為定時(shí)任務(wù)事件,比如一些定期的RDB持久化操作。
本文重點(diǎn)聊下Socket相關(guān)的事件。
4.2 模型圖
首先我們來看下Redis服務(wù)的線程模型圖;
IO多路復(fù)用負(fù)責(zé)各事件的監(jiān)聽(連接、讀、寫等),當(dāng)有事件發(fā)生時(shí),將對(duì)應(yīng)事件放入隊(duì)列中,由事件分發(fā)器根據(jù)事件類型來進(jìn)行分發(fā);
如果是連接事件,則分發(fā)至連接應(yīng)答處理器;GET、SET等redis命令分發(fā)至命令請(qǐng)求處理器。
命令處理完后產(chǎn)生命令回復(fù)事件,再由事件隊(duì)列,到事件分發(fā)器,到命令回復(fù)處理器,回復(fù)客戶端響應(yīng)。
4.3 一次客戶端和服務(wù)端的交互流程
4.3.1 連接流程
連接過程
- Redis服務(wù)端主線程監(jiān)聽固定端口,并將連接事件綁定連接應(yīng)答處理器。
- 客戶端發(fā)起連接后,連接事件被觸發(fā),IO多路復(fù)用程序?qū)⑦B接事件包裝好后丟人事件隊(duì)列,然后由事件分發(fā)處理器分發(fā)給連接應(yīng)答處理器。
- 連接應(yīng)答處理器創(chuàng)建client對(duì)象以及Socket對(duì)象,我們這里關(guān)注Socket對(duì)象,并產(chǎn)生ae_readable事件,和命令處理器關(guān)聯(lián),標(biāo)識(shí)后續(xù)該Socket對(duì)可讀事件感興趣,也就是開始接收客戶端的命令操作。
- 當(dāng)前過程都是由一個(gè)主線程負(fù)責(zé)處理。
4.3.2 命令執(zhí)行流程
SET命令執(zhí)行過程
- 客戶端發(fā)起SET命令,IO多路復(fù)用程序監(jiān)聽到該事件后(讀事件),將數(shù)據(jù)包裝成事件丟到事件隊(duì)列中(事件在上個(gè)流程中綁定了命令請(qǐng)求處理器);
- 事件分發(fā)處理器根據(jù)事件類型,將事件分發(fā)給對(duì)應(yīng)的命令請(qǐng)求處理器;
- 命令請(qǐng)求處理器,讀取Socket中的數(shù)據(jù),執(zhí)行命令,然后產(chǎn)生ae_writable事件,并綁定命令回復(fù)處理器;
- IO多路復(fù)用程序監(jiān)聽到寫事件后,將數(shù)據(jù)包裝成事件丟到事件隊(duì)列中,事件分發(fā)處理器根據(jù)事件類型分發(fā)至命令回復(fù)處理器;
- 命令回復(fù)處理器,將數(shù)據(jù)寫入Socket中返回給客戶端。
4.4 模型優(yōu)缺點(diǎn)
以上流程分析我們可以看出Redis采用的是單線程Reactor模型,我們也分析了這種模式的優(yōu)缺點(diǎn),那Redis為什么還要采用這種模式呢?
Redis本身的特性
命令執(zhí)行基于內(nèi)存操作,業(yè)務(wù)處理邏輯比較快,所以命令處理這一塊單線程來做也能維持一個(gè)很高的性能。
優(yōu)點(diǎn)
- Reactor單線程模型的優(yōu)點(diǎn),參考上文。
缺點(diǎn)
- Reactor單線程模型的缺點(diǎn)也同樣在Redis中來體現(xiàn),唯一不同的地方就在于業(yè)務(wù)邏輯處理(命令執(zhí)行)這塊不是系統(tǒng)瓶頸點(diǎn)。
- 隨著流量的上漲,IO操作的的耗時(shí)會(huì)越來越明顯(read操作,內(nèi)核中讀數(shù)據(jù)到應(yīng)用程序。write操作,應(yīng)用程序中的數(shù)據(jù)到內(nèi)核),當(dāng)達(dá)到一定閥值時(shí)系統(tǒng)的瓶頸就體現(xiàn)出來了。
Redis又是如何去解的呢?
哈哈~將耗時(shí)的點(diǎn)從主線程拎出來唄?那Redis的新版本是這么做的嗎?我們一起來看下。
4.5 Redis多線程模式
Redis的多線程模型跟”多Reactor多線程模型“、“單Reactor多線程模型有點(diǎn)區(qū)別”,但同時(shí)用了兩種Reactor模型的思想,具體如下;
- Redis的多線程模型是將IO操作多線程化,本身邏輯處理過程(命令執(zhí)行過程)依舊是單線程,借助了單Reactor思想,實(shí)現(xiàn)上又有所區(qū)分。
- 將IO操作多線程化,又跟單Reactor衍生出多Reactor的思想一致,都是將IO操作從主線程中拎出來。
命令執(zhí)行大致流程
- 客戶端發(fā)送請(qǐng)求命令,觸發(fā)讀就緒事件,服務(wù)端主線程將Socket(為了簡(jiǎn)化理解成本,統(tǒng)一用Socket來代表連接)放入一個(gè)隊(duì)列,主線程不負(fù)責(zé)讀;
- IO 線程通過Socket讀取客戶端的請(qǐng)求命令,主線程忙輪詢,等待所有 I/O 線程完成讀取任務(wù),IO線程只負(fù)責(zé)讀不負(fù)責(zé)執(zhí)行命令;
- 主線程一次性執(zhí)行所有命令,執(zhí)行過程和單線程一樣,然后需要返回的連接放入另外一個(gè)隊(duì)列中,有IO線程來負(fù)責(zé)寫出(主線程也會(huì)寫);
- 主線程忙輪詢,等待所有 I/O 線程完成寫出任務(wù)。
五、總結(jié)
了解一個(gè)組件,更多的是要去了解他的設(shè)計(jì)思路,要去思考為什么要這么設(shè)計(jì),做這種技術(shù)選型的背景是啥,對(duì)后續(xù)做系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)有什么參考意義等等。一通百通,希望對(duì)大家有參考意義。
到此這篇關(guān)于Redis線程模型的原理分析的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Redis線程模型內(nèi)容請(qǐng)搜索本站以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持本站!
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