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Swiftで学ぶクロージャを使った関数型プログラミングの基本

Swift

Swiftは、Appleが開発したプログラミング言語で、直感的かつ強力な構文を持つことで知られています。その中でも「クロージャ（Closure）」は、関数型プログラミングの重要な概念の一つです。クロージャは、コードの一部をキャプチャし、他の場所で再利用可能なブロックとして扱うことができるため、非常に柔軟で強力な機能を提供します。本記事では、クロージャの基本概念から、その実際の使い方、さらに関数型プログラミングにおける応用例までを詳しく解説します。クロージャを適切に理解し活用することで、Swiftでのプログラミングがより効率的かつ効果的になるでしょう。

目次

クロージャとは何か

クロージャとは、関数やメソッドのコードブロックを一つの値として扱うことができる機能で、Swiftの強力な機能の一つです。クロージャは、通常、関数やメソッドの引数として渡されることが多く、関数内で後から実行されます。Swiftにおけるクロージャは、以下の3つの形式があります。

1. グローバル関数

グローバルスコープに定義された関数で、名前がつけられており、どこからでも呼び出すことができます。

2. ネストされた関数

別の関数の内部で定義され、親関数の中でのみ呼び出せる関数です。

3. 無名クロージャ

無名のコードブロックで、通常関数やメソッドの引数として直接渡されます。このタイプのクロージャは、クロージャ式とも呼ばれ、最も柔軟な形式です。

クロージャは、関数のように引数を受け取り、値を返すことができます。また、関数とは異なり、周囲の変数や定数をキャプチャして保持できるため、他の場所で再利用可能な一連の処理を持つ小さなコードブロックとして活用できます。

クロージャの基本的な使い方

クロージャの基本的な使い方は、関数のように引数を受け取り、処理を実行して結果を返す形式です。Swiftでは、クロージャのシンタックスを簡略化することができるため、コードがより読みやすくなります。以下に、クロージャの基本的な書き方を紹介します。

クロージャ式の構文

クロージャは、引数リスト、戻り値の型、そしてその本体から構成されます。基本的な構文は以下の通りです。

{ (引数) -> 戻り値の型 in
    // クロージャの処理
}

この形式に従って、クロージャを関数に渡したり、直接実行したりできます。たとえば、以下は2つの整数を引数として受け取り、それらの和を返すクロージャの例です。

let sumClosure = { (a: Int, b: Int) -> Int in
    return a + b
}
let result = sumClosure(3, 5) // 結果は8

簡略化されたクロージャ

Swiftでは、クロージャ式をよりシンプルに記述するために、以下のように省略が可能です。

  1. 型推論
    Swiftはクロージャの引数と戻り値の型を推論できるため、型を省略できます。
let sumClosure = { (a, b) in
    return a + b
}
  1. 引数名の省略
    クロージャ内の引数は、$0, $1などの簡略化された形式で表現できます。
let sumClosure = { $0 + $1 }

クロージャを引数として使う例

クロージャは関数の引数としても非常に有用です。たとえば、配列を並び替える際に、並び替え条件をクロージャで指定します。

let numbers = [5, 3, 8, 1]
let sortedNumbers = numbers.sorted(by: { $0 < $1 })

このように、クロージャを使うことで、シンプルで柔軟なコードを実現できます。

クロージャのキャプチャリスト

クロージャは、周囲の変数や定数を「キャプチャ」して保持することができます。これにより、クロージャが作成されたスコープ外であっても、クロージャ内で参照されている変数や定数を保持したまま、後で利用することが可能になります。クロージャが変数をキャプチャする際の挙動は、Swiftにおいて非常に重要な特性の一つです。

キャプチャリストとは

クロージャは、作成された時点で、周囲の変数や定数をキャプチャして保存します。しかし、このキャプチャを明示的に制御したい場合、キャプチャリストを使います。キャプチャリストは、クロージャの開始部分にリストとして記述し、どの変数や定数をキャプチャするかを指定できます。

キャプチャリストの構文は以下の通りです：

{ [キャプチャリスト] (引数) -> 戻り値の型 in
    // クロージャの処理
}

キャプチャリストには、キャプチャする変数や定数が記述されます。また、キャプチャの際に、変数を値渡し（コピー）するか、参照渡しするかを制御することができます。

キャプチャリストの例

以下は、キャプチャリストを使用して、特定の変数を値としてクロージャ内に保持する例です。

var x = 10
let closure = { [x] in
    print("キャプチャしたxの値は \(x) です")
}
x = 20
closure()  // 出力: キャプチャしたxの値は 10 です

この例では、クロージャを作成する時点でxの値が10であり、キャプチャリストによりその値がクロージャ内に保存されます。したがって、クロージャを実行した時点でxが20に変更されていても、クロージャ内では変更前の10が使われます。

強参照と循環参照

クロージャはデフォルトで変数を強参照でキャプチャするため、オブジェクトのライフサイクルが延長される可能性があります。これにより、循環参照が発生し、メモリリークにつながることがあります。これを防ぐため、キャプチャリストで弱参照や未所有参照を指定することができます。

以下の例は、selfを弱参照（weak）としてキャプチャする方法です。

class Example {
    var value = 0
    func doSomething() {
        let closure = { [weak self] in
            if let self = self {
                print("self.value は \(self.value) です")
            }
        }
        closure()
    }
}

この場合、selfは弱参照されるため、循環参照を回避できます。

キャプチャリストの使用例

キャプチャリストを使って、特定の値やオブジェクトをクロージャ内で安全に保持しつつ、メモリリークや循環参照の問題を防ぐことができます。特に非同期処理や、オブジェクトのライフサイクルが重要なケースでキャプチャリストは有効です。

高階関数とクロージャ

高階関数とは、引数として他の関数を受け取るか、関数を戻り値として返す関数のことを指します。Swiftでは、高階関数を利用して、コードの再利用性や柔軟性を高めることができます。クロージャはこの高階関数と密接に関係しており、高階関数の引数として渡されることが一般的です。

高階関数の基本概念

高階関数は、関数を値として扱うことができるため、コードの抽象度を高める手段として使用されます。特にクロージャを利用して動的な処理を引数として渡すことで、柔軟な関数を作成できます。これにより、コードの記述が簡潔になり、冗長性を減らすことができます。

たとえば、次のような高階関数があります。

  • 関数を引数として受け取る高階関数
  • 関数を戻り値として返す高階関数

高階関数の例: 関数を引数に取る

Swiftの標準ライブラリには、高階関数を多く含む関数が存在します。その一つがmapです。map関数は、配列などのコレクションに対して、クロージャを引数として取り、各要素にそのクロージャを適用します。以下に、map関数を使って配列内の数値を2倍にする例を示します。

let numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
let doubled = numbers.map { $0 * 2 }
print(doubled)  // 出力: [2, 4, 6, 8, 10]

この例では、map関数にクロージャ{ $0 * 2 }を渡し、配列の各要素に対して2倍の計算を行っています。クロージャ内で$0は、配列の各要素を指します。

高階関数の例: 関数を返す

関数を戻り値として返す高階関数も非常に強力です。以下の例では、整数を引数として受け取り、その数に基づいた加算関数を返す高階関数を定義しています。

func makeAdder(_ amount: Int) -> (Int) -> Int {
    return { number in
        return number + amount
    }
}

let addFive = makeAdder(5)
let result = addFive(10)  // 結果は15

この例では、makeAdder関数が整数を受け取り、別の関数を返しています。この返された関数は、渡された数にamountを加算する処理を行います。ここでもクロージャが使用されており、動的な処理が可能です。

Swiftの標準ライブラリにおける高階関数の例

Swiftの標準ライブラリには、以下のような高階関数があり、クロージャを活用して強力な処理が可能です。

  • map: 配列の各要素に対してクロージャを適用し、新しい配列を返します。
  • filter: 配列の各要素に対して条件を判定し、条件を満たす要素を新しい配列として返します。
  • reduce: 配列の全要素をまとめ上げ、一つの結果に集約します。

これらの関数を利用することで、データ処理を簡潔に表現し、クロージャの持つ柔軟性を活かした関数型プログラミングを実践できます。

Swiftの標準ライブラリにおけるクロージャの活用例

Swiftの標準ライブラリでは、多くの場面でクロージャが活用されています。特に、データを効率的に操作するために用いられる高階関数と組み合わせることで、複雑な処理をシンプルに表現することが可能です。以下では、map, filter, reduceといった代表的な高階関数を用いたクロージャの活用例を紹介します。

1. `map`関数による配列の変換

mapは、配列などのコレクションの各要素に対してクロージャを適用し、新しい配列を返します。例えば、整数の配列を文字列の配列に変換する場合、次のように使用します。

let numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
let stringNumbers = numbers.map { "\($0)" }
print(stringNumbers)  // 出力: ["1", "2", "3", "4", "5"]

この例では、mapを使って整数配列の各要素を文字列に変換しています。クロージャ内で$0は配列の各要素を指しており、それを文字列に変換して新しい配列として返しています。

2. `filter`関数による条件に基づくフィルタリング

filterは、配列内の要素に対して条件をチェックし、条件を満たす要素だけを抽出して新しい配列を作成します。たとえば、配列から偶数だけを取り出す場合は以下のようにします。

let numbers = [1, 2, 3, 4, 5, 6]
let evenNumbers = numbers.filter { $0 % 2 == 0 }
print(evenNumbers)  // 出力: [2, 4, 6]

この例では、filter関数を使用して、クロージャ内で偶数の条件$0 % 2 == 0を指定しています。その結果、元の配列から偶数だけが抽出されています。

3. `reduce`関数による要素の集約

reduceは、配列のすべての要素を一つの結果に集約するために使用されます。例えば、配列のすべての数を合計する場合、次のように使用します。

let numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
let sum = numbers.reduce(0) { $0 + $1 }
print(sum)  // 出力: 15

この例では、reduceを使って配列の全要素を合計しています。クロージャ内で$0は現在の合計値、$1は配列の現在の要素を表し、これを繰り返してすべての要素を加算しています。

4. `sorted`関数による並び替え

sortedは、クロージャを使用して配列の要素を特定の条件で並べ替えることができます。たとえば、配列を降順に並び替える場合、以下のように実行します。

let numbers = [5, 1, 3, 6, 2]
let sortedNumbers = numbers.sorted { $0 > $1 }
print(sortedNumbers)  // 出力: [6, 5, 3, 2, 1]

この例では、sorted関数を使って配列の要素を降順に並べ替えています。クロージャの中で$0 > $1という条件を指定し、比較を行っています。

クロージャを使った標準ライブラリの利点

これらの高階関数とクロージャを組み合わせることで、次のような利点が得られます。

  • コードの簡潔化: 繰り返し処理や条件をシンプルに記述可能
  • 可読性の向上: 配列操作を直感的に理解できる
  • 柔軟性: クロージャを利用することで、複雑なロジックも関数に渡せる

Swiftの標準ライブラリは、クロージャと組み合わせてデータ操作をシンプルかつ強力に行うための豊富なツールを提供しています。これらをマスターすることで、より効率的なプログラミングが可能になります。

クロージャを使った非同期処理

非同期処理は、アプリケーションのパフォーマンスやユーザー体験を向上させるために重要な技術です。Swiftでは、非同期処理の実行中にクロージャを利用することで、処理が完了した後に実行されるコードを指定することができます。この仕組みにより、メインスレッドをブロックせずに重たい処理をバックグラウンドで行うことが可能です。

非同期処理とは

非同期処理とは、処理を別のスレッドで行い、処理が完了した後に結果を返す方法です。これにより、UIの応答性を保ちながら、時間のかかるタスク（例：ネットワーク通信やファイルの読み書き）を実行できます。Swiftでは、非同期処理の完了後にクロージャを使って結果を処理する方法が一般的です。

非同期処理の基本的なクロージャの利用例

非同期処理の典型的な例として、ネットワーク通信を扱う場合があります。たとえば、データのダウンロードが完了したときにクロージャを利用して処理を行うコードは以下のようになります。

func fetchData(completion: @escaping (Data?, Error?) -> Void) {
    let url = URL(string: "https://api.example.com/data")!

    URLSession.shared.dataTask(with: url) { data, response, error in
        // 非同期処理が完了した後に呼び出されるクロージャ
        completion(data, error)
    }.resume()
}

// クロージャを使って非同期処理の結果を処理
fetchData { data, error in
    if let error = error {
        print("エラーが発生しました: \(error)")
    } else if let data = data {
        print("データが取得されました: \(data)")
    }
}

この例では、fetchData関数が非同期でデータを取得し、その処理が完了した際にクロージャcompletionを呼び出しています。このクロージャは、データの取得が成功したかどうかを判定し、結果を処理します。

`@escaping` クロージャの必要性

非同期処理でクロージャを使用する際には、クロージャを関数のスコープ外で保持するために@escapingを付ける必要があります。これは、非同期処理が完了する前に関数の実行が終了するため、クロージャが関数の外で実行される可能性があるからです。@escapingを使わないと、関数のスコープ外でクロージャが解放され、実行できなくなってしまいます。

クロージャを使った非同期処理の具体例

もう一つの典型的な非同期処理の例として、ボタンを押したときにデータを非同期で処理するケースがあります。

func performHeavyTask(completion: @escaping () -> Void) {
    DispatchQueue.global().async {
        // 重い処理を別スレッドで実行
        for i in 1...5 {
            print("処理中... \(i)")
            sleep(1)  // 擬似的な処理の遅延
        }
        DispatchQueue.main.async {
            // メインスレッドに戻ってからクロージャを呼び出す
            completion()
        }
    }
}

// ボタンを押した際に非同期処理を開始し、完了後にクロージャを実行
performHeavyTask {
    print("処理が完了しました！")
}

この例では、performHeavyTask関数が別スレッドで重い処理を行い、処理が完了した後にcompletionクロージャを実行します。DispatchQueue.global().asyncを使って非同期処理を行い、DispatchQueue.main.asyncでメインスレッドに戻ってUIの更新などを行います。

クロージャを使った非同期処理の利点

クロージャを利用した非同期処理には、次のような利点があります。

  • メインスレッドの解放: 重たい処理をバックグラウンドで実行することで、UIがスムーズに動作します。
  • 柔軟なコールバック: 非同期処理が完了したタイミングで、クロージャを用いて結果を自由に処理できます。
  • コードのシンプル化: クロージャを利用することで、複数の非同期処理をシンプルに記述でき、コールバック関数の煩雑さを軽減します。

非同期処理とクロージャを組み合わせることで、Swiftでの効率的な非同期プログラミングが可能になり、ユーザー体験の向上やアプリケーションのパフォーマンス向上に貢献します。

クロージャとメモリ管理

クロージャは強力な機能ですが、その特性からメモリ管理に関して注意が必要です。特に、クロージャは外部の変数やオブジェクトをキャプチャできるため、これがメモリリークや循環参照を引き起こす原因となる場合があります。Swiftのメモリ管理は、ARC（Automatic Reference Counting）によって管理されていますが、クロージャを扱う際は循環参照に特に気をつけなければなりません。

クロージャと循環参照

クロージャが外部のオブジェクトをキャプチャする際、そのオブジェクトへの参照がクロージャ内で保持されます。このとき、オブジェクトもクロージャを保持している場合、互いに強参照し合う状態が発生し、どちらも解放されなくなります。これを「循環参照（Retain Cycle）」と呼びます。

循環参照の典型例として、selfをキャプチャするクロージャが挙げられます。以下のコードは循環参照を引き起こす可能性がある例です。

class SomeClass {
    var value = 10
    func doSomething() {
        DispatchQueue.global().async {
            print("値は \(self.value) です")
        }
    }
}

この例では、クロージャ内でselfがキャプチャされています。クロージャがselfを強参照し、selfもクロージャを強参照してしまうため、循環参照が発生し、SomeClassのインスタンスがメモリから解放されなくなる可能性があります。

弱参照（weak）と未所有参照（unowned）を使った解決策

循環参照を防ぐために、クロージャ内でselfなどのオブジェクトをキャプチャする際に「弱参照（weak）」や「未所有参照（unowned）」を使用します。これにより、強参照を回避し、循環参照のリスクを軽減できます。

  1. weak（弱参照）: 参照先が解放されると自動的にnilになる。オプショナル型でなければならない。
  2. unowned（未所有参照）: 参照先が解放されてもnilにはならないが、解放後に参照するとクラッシュする可能性がある。

以下に、弱参照を使った解決策の例を示します。

class SomeClass {
    var value = 10
    func doSomething() {
        DispatchQueue.global().async { [weak self] in
            if let self = self {
                print("値は \(self.value) です")
            }
        }
    }
}

この例では、[weak self]を使ってselfを弱参照としてキャプチャしています。これにより、selfが解放されてもクロージャは循環参照を引き起こさず、必要に応じてselfを安全に利用できます。

メモリリークの例と検出方法

クロージャによるメモリリークを検出するためには、開発者ツールである「メモリグラフデバッガ」を使用することが有効です。このツールを使えば、どのオブジェクトが解放されていないかを視覚的に確認でき、循環参照が起きている箇所を特定できます。以下はメモリリークが発生する一般的なケースです。

class ViewController: UIViewController {
    var message = "Hello"

    func setupClosure() {
        let closure = {
            print(self.message)
        }
        closure()
    }
}

この場合、selfがクロージャによってキャプチャされるため、循環参照が発生する可能性があります。このような状況では、[weak self]や[unowned self]を使用することでメモリリークを防ぎます。

まとめ

クロージャを使ったメモリ管理では、循環参照に注意が必要です。強参照による循環参照を避けるために、弱参照（weak）や未所有参照（unowned）を活用することが重要です。また、定期的にメモリグラフデバッガなどのツールを使ってメモリリークが発生していないか確認し、アプリケーションのメモリ効率を維持することが推奨されます。

実践例: クロージャでUIのイベント処理を効率化

クロージャは、UIイベントの処理をシンプルにし、コードを効率的かつ可読性の高いものにするために非常に便利です。例えば、ボタンが押されたときのアクションや、テキストフィールドの値が変更されたときのイベント処理にクロージャを使用することができます。これにより、複数のイベント処理を一つの場所にまとめ、再利用性の高いコードを実現できます。

ボタンのアクションにクロージャを利用する

通常、ボタンのアクションは@IBActionやターゲットアクション方式で設定しますが、クロージャを使用することで、より柔軟な方法でイベント処理を行うことができます。以下の例は、クロージャを使ってボタンのタップイベントを処理する方法です。

class ViewController: UIViewController {
    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()

        let button = UIButton(type: .system)
        button.setTitle("Tap me", for: .normal)
        button.frame = CGRect(x: 100, y: 100, width: 200, height: 50)
        self.view.addSubview(button)

        // クロージャでボタンのタップイベントを処理
        button.addAction(UIAction(handler: { _ in
            print("ボタンがタップされました")
        }), for: .touchUpInside)
    }
}

この例では、UIActionを使ってクロージャでボタンのタップイベントを処理しています。addActionメソッドにクロージャを渡すことで、ボタンがタップされたときに特定の処理を実行できます。これにより、コードを一箇所にまとめて記述できるため、可読性が向上します。

テキストフィールドの入力変更に対するクロージャの利用

テキストフィールドの内容が変更されたときにクロージャを使用してリアルタイムで処理することも可能です。通常、UITextFieldDelegateを使ってこのようなイベントを処理しますが、クロージャを使えばより簡潔に記述できます。

class ViewController: UIViewController {
    override func viewDidLoad() {
        super.viewDidLoad()

        let textField = UITextField(frame: CGRect(x: 50, y: 150, width: 300, height: 40))
        textField.borderStyle = .roundedRect
        self.view.addSubview(textField)

        // クロージャでテキストフィールドの値変更を監視
        textField.addAction(UIAction(handler: { _ in
            print("テキストが変更されました: \(textField.text ?? "")")
        }), for: .editingChanged)
    }
}

この例では、テキストフィールドに対してeditingChangedイベントが発生するたびにクロージャが呼び出されます。テキストフィールドの現在の値をリアルタイムで監視でき、簡潔なコードで複雑な処理を実現できます。

クロージャを使ったイベント処理の利点

  1. 可読性と簡潔性
    クロージャを使うことで、UIイベント処理がシンプルになり、コードの可読性が大幅に向上します。また、複数のイベント処理を一つのクロージャでまとめられるため、冗長なコードを避けることができます。
  2. 再利用性
    クロージャを使って、同じイベント処理を複数のUI要素に簡単に適用できます。これにより、コードの再利用性が向上し、メンテナンスが容易になります。
  3. イベント処理の一元化
    クロージャを使用することで、イベント処理をコード内で一元的に管理でき、複数のUI要素の動作を統一することが容易になります。

クロージャでのイベント処理のまとめ

クロージャを利用したUIイベント処理は、コードの見通しを良くし、処理の集中化を実現します。ボタンのタップイベントやテキストフィールドの変更を簡潔に処理でき、さらに柔軟なイベント駆動型プログラミングを可能にします。特にUIの複雑なアプリケーションにおいては、クロージャを活用することで、メンテナンス性が向上し、コードの品質が大幅に改善されます。

演習問題: クロージャを使った関数型プログラミング

ここまでクロージャの基礎から実践的な使い方まで解説しましたが、実際に手を動かすことで、さらに理解が深まります。以下では、クロージャを使った関数型プログラミングの演習問題を紹介します。これらの演習を通じて、クロージャの使用方法や利便性を体感し、実践的なスキルを身につけましょう。

演習1: クロージャを使った数値の変換

与えられた整数の配列から、各要素を2倍にするクロージャを作成し、それを高階関数mapを使って適用してください。

問題:

let numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
// クロージャを使って配列内の各要素を2倍にしてください。

ヒント:
mapを使用して配列の各要素に対してクロージャを適用し、新しい配列を返します。

期待される出力:

[2, 4, 6, 8, 10]

演習2: 条件を満たす要素の抽出

整数の配列から、偶数のみを抽出するクロージャを作成し、高階関数filterを使って適用してください。

問題:

let numbers = [10, 15, 20, 25, 30]
// クロージャを使って偶数だけを抽出してください。

ヒント:
filterを使用して、条件を満たす要素だけを新しい配列として返します。

期待される出力:

[10, 20, 30]

演習3: 数値の合計を求める

与えられた整数の配列の全要素の合計を計算するクロージャを作成し、reduceを使って適用してください。

問題:

let numbers = [5, 10, 15, 20]
// クロージャを使って配列内の全要素の合計を計算してください。

ヒント:
reduceを使用して、配列のすべての要素を一つの値に集約します。

期待される出力:

50

演習4: カスタムクロージャによる並び替え

文字列の配列を、文字数の長さで昇順に並び替えるクロージャを作成し、sorted関数を使って適用してください。

問題:

let words = ["Swift", "is", "powerful", "and", "fast"]
// クロージャを使って、文字列を文字数の長さで昇順に並び替えてください。

ヒント:
sorted関数にクロージャを渡して、文字数を基準に並べ替えを行います。

期待される出力:

["is", "and", "fast", "Swift", "powerful"]

演習5: クロージャによる非同期処理のシミュレーション

非同期処理をシミュレートし、クロージャを使って処理が完了した後にメッセージを表示するコードを書いてください。

問題:

func performAsyncTask(completion: @escaping () -> Void) {
    DispatchQueue.global().async {
        print("重い処理を実行中...")
        sleep(2)
        DispatchQueue.main.async {
            completion()
        }
    }
}

// クロージャを使って、非同期処理の完了後に「処理が完了しました」と表示してください。
performAsyncTask {
    // 完了後の処理をここに書いてください
}

ヒント:
非同期処理が完了した後に、クロージャを使ってメインスレッドに戻り、完了メッセージを表示します。

期待される出力:

重い処理を実行中...
処理が完了しました

まとめ

これらの演習問題では、クロージャを使用した関数型プログラミングの基本的な操作を体験しました。map, filter, reduceといった高階関数や、非同期処理におけるクロージャの応用例など、実践的な技術を習得することができます。これらの問題を解くことで、クロージャの活用方法を深く理解し、実際の開発で柔軟に使えるようになるでしょう。

まとめ

本記事では、Swiftにおけるクロージャと関数型プログラミングの基本概念から、高階関数との組み合わせ、非同期処理での活用方法、メモリ管理の注意点まで幅広く解説しました。クロージャはコードの再利用性や簡潔性を向上させる強力なツールであり、関数型プログラミングの中核を担います。これらのテクニックを適切に活用することで、より効率的で保守性の高いSwiftプログラムを作成することが可能です。引き続き演習や実践を通して、クロージャの理解を深めていきましょう。

Swift
クロージャ 関数型プログラミング Swift

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