C++のデバッガgdbとlldbを使ったプログラムのステップ実行ガイド

C++プログラムのデバッグは、プログラムの品質向上とバグの早期発見において不可欠なプロセスです。特に、gdbやlldbといったデバッガを使うことで、プログラムの動作を詳細に追跡し、問題の原因を効率的に特定することができます。本記事では、C++のデバッガであるgdbとlldbを使ったプログラムのステップ実行方法を中心に、その導入から実践的なテクニックまでを詳しく解説します。デバッグ作業の基本を習得し、プログラムの安定性と信頼性を向上させましょう。

目次

gdbとlldbの概要

デバッガは、プログラムの実行を制御しながら問題を特定するための重要なツールです。C++のデバッグには、主にgdbとlldbが使用されます。

gdbの概要

gdb(GNU Debugger)は、GNUプロジェクトによって開発されたデバッガで、C、C++、Fortran、Javaなどのプログラムをデバッグできます。gdbを使うことで、プログラムの実行を一時停止し、変数の値を確認し、ステップ実行やブレークポイントの設定を行うことができます。

gdbの特徴

  • クロスプラットフォーム対応
  • 豊富なデバッグ機能
  • 幅広い言語サポート
  • オープンソース

lldbの概要

lldbは、LLVMプロジェクトの一部として開発されたデバッガで、特にC++のデバッグに強みを持ちます。Appleが主に開発をリードしており、Xcodeの標準デバッガとしても採用されています。lldbもgdbと同様に、プログラムの実行を制御し、詳細なデバッグ情報を提供します。

lldbの特徴

  • 高速で効率的なデバッグ
  • 優れたメモリ使用効率
  • C++の複雑なデバッグに強い
  • オープンソース

gdbとlldbは、それぞれ異なる特徴を持ちながらも、C++プログラムのデバッグにおいて非常に有用なツールです。次章では、これらのデバッガのインストール方法について詳しく説明します。

デバッガのインストール

gdbとlldbを使用するには、まずそれらをインストールする必要があります。ここでは、主要なオペレーティングシステムにおけるインストール手順を説明します。

gdbのインストール

gdbは、ほとんどのLinuxディストリビューションやmacOS、Windowsで利用可能です。

Linuxでのインストール

UbuntuやDebianでは、以下のコマンドを使用してインストールします:

sudo apt-get install gdb

FedoraやCentOSでは、以下のコマンドを使用します:

sudo yum install gdb

macOSでのインストール

Homebrewを使用してインストールすることができます。Homebrewがインストールされている場合、以下のコマンドを使用します:

brew install gdb

インストール後、gdbに必要なコード署名を行う必要があります。これには、Appleの公式ドキュメントを参照してください。

Windowsでのインストール

MinGWやCygwinを使用してgdbをインストールできます。MinGWの場合、MinGWインストーラーを使ってgdbを選択し、インストールします。

lldbのインストール

lldbも、主要なオペレーティングシステムで利用可能です。

Linuxでのインストール

UbuntuやDebianでは、以下のコマンドを使用してインストールします:

sudo apt-get install lldb

FedoraやCentOSでは、以下のコマンドを使用します:

sudo yum install lldb

macOSでのインストール

lldbは、Xcodeの一部としてインストールされます。Xcodeをインストールするだけでlldbを利用できます。

xcode-select --install

上記コマンドでXcodeコマンドラインツールをインストールします。

Windowsでのインストール

lldbは、LLVMの一部として提供されます。LLVMの公式サイトからインストーラーをダウンロードし、インストールします。

以上の手順に従って、gdbおよびlldbをインストールすることで、次のステップとして基本的な使い方に進む準備が整います。

基本的な使い方

gdbとlldbの基本的な使い方を理解することは、効果的なデバッグの第一歩です。ここでは、それぞれのデバッガで基本的な操作方法を説明します。

gdbの基本操作

gdbを使用するには、まずデバッグ対象のプログラムをgdbに読み込ませます。

プログラムの起動

ターミナルで以下のコマンドを実行します:

gdb ./your_program

ここで、your_programはデバッグ対象の実行ファイルです。

プログラムの実行

gdbプロンプトで以下のコマンドを入力してプログラムを開始します:

run

プログラムは通常どおり実行されますが、ブレークポイントが設定されている場合、その地点で実行が停止します。

基本コマンド

  • break [function/line] : ブレークポイントを設定します。
  • continue : ブレークポイントで停止したプログラムを再開します。
  • step : 次のソース行にステップインします。
  • next : 次のソース行にステップオーバーします。
  • print [variable] : 変数の値を表示します。
  • quit : gdbを終了します。

lldbの基本操作

lldbも同様に、デバッグ対象のプログラムを読み込ませる必要があります。

プログラムの起動

ターミナルで以下のコマンドを実行します:

lldb ./your_program

ここで、your_programはデバッグ対象の実行ファイルです。

プログラムの実行

lldbプロンプトで以下のコマンドを入力してプログラムを開始します:

run

プログラムは通常どおり実行され、ブレークポイントが設定されている場合、その地点で実行が停止します。

基本コマンド

  • breakpoint set --name [function/line] : ブレークポイントを設定します。
  • continue : ブレークポイントで停止したプログラムを再開します。
  • step : 次のソース行にステップインします。
  • next : 次のソース行にステップオーバーします。
  • frame variable [variable] : 変数の値を表示します。
  • quit : lldbを終了します。

これらの基本操作をマスターすることで、gdbやlldbを用いた効果的なデバッグが可能になります。次章では、ブレークポイントの設定方法について詳しく説明します。

ブレークポイントの設定

ブレークポイントは、プログラムの特定の箇所で実行を停止させるための重要な機能です。これにより、コードの動作を詳しく調べ、問題箇所を特定することができます。

gdbでのブレークポイント設定

gdbでは、ブレークポイントを設定するためにbreakコマンドを使用します。

関数にブレークポイントを設定

特定の関数にブレークポイントを設定するには、以下のようにします:

break function_name

例えば、main関数にブレークポイントを設定する場合:

break main

特定の行にブレークポイントを設定

ソースコードの特定の行にブレークポイントを設定するには、以下のように行番号を指定します:

break filename:line_number

例えば、main.cppの10行目にブレークポイントを設定する場合:

break main.cpp:10

条件付きブレークポイント

特定の条件が満たされたときのみ停止するブレークポイントを設定することもできます:

break filename:line_number if condition

例えば、i変数が5のときにのみ停止する場合:

break main.cpp:10 if i==5

lldbでのブレークポイント設定

lldbでは、breakpoint setコマンドを使用してブレークポイントを設定します。

関数にブレークポイントを設定

特定の関数にブレークポイントを設定するには、以下のようにします:

breakpoint set --name function_name

例えば、main関数にブレークポイントを設定する場合:

breakpoint set --name main

特定の行にブレークポイントを設定

ソースコードの特定の行にブレークポイントを設定するには、以下のように行番号を指定します:

breakpoint set --file filename --line line_number

例えば、main.cppの10行目にブレークポイントを設定する場合:

breakpoint set --file main.cpp --line 10

条件付きブレークポイント

条件付きブレークポイントを設定するには、以下のようにします:

breakpoint set --file filename --line line_number --condition condition

例えば、i変数が5のときにのみ停止する場合:

breakpoint set --file main.cpp --line 10 --condition 'i==5'

ブレークポイントを適切に設定することで、デバッグ作業が大幅に効率化されます。次章では、ステップ実行の基本について説明します。

ステップ実行の基本

ステップ実行は、プログラムを一行ずつ実行し、コードの動作を詳細に追跡するための重要なデバッグ手法です。これにより、プログラムの各ステップでの動作や変数の変化を確認できます。

gdbでのステップ実行

gdbでは、以下のコマンドを使用してステップ実行を行います。

ステップイン

現在の行を実行し、関数呼び出しがあればその関数内に入ります:

step

ステップオーバー

現在の行を実行し、関数呼び出しがあってもその中には入らず次の行に進みます:

next

ステップアウト

現在の関数の実行を完了し、その関数を呼び出した箇所に戻ります:

finish

プログラムの再開

ブレークポイントやステップ実行で停止したプログラムを再開します:

continue

lldbでのステップ実行

lldbでも同様のステップ実行コマンドが提供されています。

ステップイン

現在の行を実行し、関数呼び出しがあればその関数内に入ります:

step

ステップオーバー

現在の行を実行し、関数呼び出しがあってもその中には入らず次の行に進みます:

next

ステップアウト

現在の関数の実行を完了し、その関数を呼び出した箇所に戻ります:

finish

プログラムの再開

ブレークポイントやステップ実行で停止したプログラムを再開します:

continue

ステップ実行の実践例

具体的な例を使ってステップ実行の操作を確認します。

例: 簡単なC++プログラム

以下の簡単なC++プログラムをデバッグします:

#include <iostream>

void func(int a) {
    a += 10;
    std::cout << "a: " << a << std::endl;
}

int main() {
    int x = 5;
    func(x);
    std::cout << "x: " << x << std::endl;
    return 0;
}
  1. gdbでプログラムを起動し、ブレークポイントを設定します:
    gdb ./your_program (gdb) break main (gdb) run
  2. ステップ実行を開始します: (gdb) step (gdb) next (gdb) step (gdb) finish (gdb) continue
  3. lldbでプログラムを起動し、ブレークポイントを設定します:
    lldb ./your_program (lldb) breakpoint set --name main (lldb) run
  4. ステップ実行を開始します:
    (lldb) step (lldb) next (lldb) step (lldb) finish (lldb) continue

ステップ実行を活用することで、コードの動作を細かく追跡し、バグの原因を特定することができます。次章では、変数の監視について詳しく説明します。

変数の監視

デバッグ中に変数の値を監視することは、プログラムの状態を理解し、バグを特定するために重要です。gdbとlldbでは、変数の値を確認するためのコマンドが用意されています。

gdbでの変数の監視

gdbでは、printコマンドを使用して変数の値を表示できます。

変数の値を表示

現在のスコープ内の変数の値を表示するには、以下のコマンドを使用します:

print variable_name

例えば、xという変数の値を表示するには:

print x

変数の値を自動的に監視

displayコマンドを使用して、プログラムが一時停止するたびに自動的に変数の値を表示することができます:

display variable_name

例えば、xという変数の値を監視するには:

display x

監視を解除する

監視を解除するには、undisplayコマンドを使用します。監視番号を指定する必要があります:

undisplay 1

lldbでの変数の監視

lldbでは、frame variableコマンドを使用して変数の値を表示できます。

変数の値を表示

現在のスコープ内の変数の値を表示するには、以下のコマンドを使用します:

frame variable variable_name

例えば、xという変数の値を表示するには:

frame variable x

変数の値を自動的に監視

lldbでは、watchpoint setコマンドを使用して変数の値が変更されると自動的に停止するウォッチポイントを設定することができます:

watchpoint set variable variable_name

例えば、xという変数の変更を監視するには:

watchpoint set variable x

ウォッチポイントを解除する

ウォッチポイントを解除するには、watchpoint deleteコマンドを使用します。ウォッチポイント番号を指定する必要があります:

watchpoint delete 1

実践例: 変数の監視

具体的な例を使って、変数の監視方法を確認します。

例: 簡単なC++プログラム

以下の簡単なC++プログラムをデバッグします:

#include <iostream>

void func(int a) {
    a += 10;
    std::cout << "a: " << a << std::endl;
}

int main() {
    int x = 5;
    func(x);
    std::cout << "x: " << x << std::endl;
    return 0;
}
  1. gdbでプログラムを起動し、変数の値を表示します: gdb ./your_program (gdb) break main (gdb) run (gdb) print x (gdb) display x (gdb) continue
  2. lldbでプログラムを起動し、変数の値を表示します:
    lldb ./your_program (lldb) breakpoint set --name main (lldb) run (lldb) frame variable x (lldb) watchpoint set variable x (lldb) continue

これらのコマンドを使用することで、デバッグ中に変数の値を効果的に監視し、プログラムの状態を把握することができます。次章では、コールスタックの利用について詳しく説明します。

コールスタックの利用

コールスタックは、プログラムの関数呼び出し履歴を追跡するための重要なデバッグツールです。これにより、現在の実行地点がどの関数から呼び出されたのかを理解し、プログラムの実行フローを確認することができます。

gdbでのコールスタックの利用

gdbでは、backtraceコマンドを使用してコールスタックを表示できます。

コールスタックの表示

現在のコールスタックを表示するには、以下のコマンドを使用します:

backtrace

これにより、現在の関数からメイン関数までの呼び出し履歴が表示されます。

特定のフレームに移動

コールスタック内の特定のフレームに移動して、そのコンテキストを調べることができます:

frame [frame_number]

例えば、フレーム番号2に移動するには:

frame 2

コールスタックのフレーム情報表示

現在のフレームの詳細情報を表示するには、以下のコマンドを使用します:

info frame

lldbでのコールスタックの利用

lldbでは、bt(またはbacktrace)コマンドを使用してコールスタックを表示できます。

コールスタックの表示

現在のコールスタックを表示するには、以下のコマンドを使用します:

bt

これにより、現在の関数からメイン関数までの呼び出し履歴が表示されます。

特定のフレームに移動

コールスタック内の特定のフレームに移動して、そのコンテキストを調べることができます:

frame select [frame_number]

例えば、フレーム番号2に移動するには:
“>
frame select 2

<h4>コールスタックのフレーム情報表示</h4>
現在のフレームの詳細情報を表示するには、以下のコマンドを使用します:

frame info

<h3>実践例: コールスタックの利用</h3>
具体的な例を使って、コールスタックの利用方法を確認します。

<h4>例: 簡単なC++プログラム</h4>
以下の簡単なC++プログラムをデバッグします:

cpp

include

void funcB() {
std::cout << “In funcB” << std::endl;
}

void funcA() {
funcB();
std::cout << “In funcA” << std::endl;
}

int main() {
funcA();
std::cout << “In main” << std::endl;
return 0;
}

1. gdbでプログラムを起動し、コールスタックを表示します:
    ```
    gdb ./your_program
    (gdb) break funcB
    (gdb) run
    (gdb) backtrace
    (gdb) frame 1
    (gdb) info frame
    ```

2. lldbでプログラムを起動し、コールスタックを表示します:
    ```
    lldb ./your_program
    (lldb) breakpoint set --name funcB
    (lldb) run
    (lldb) bt
    (lldb) frame select 1
    (lldb) frame info
    ```

コールスタックを活用することで、プログラムの実行フローを詳細に把握し、関数呼び出しの流れを追跡できます。次章では、条件付きブレークポイントの設定について詳しく説明します。
<h2>条件付きブレークポイント</h2>
条件付きブレークポイントは、特定の条件が満たされたときのみプログラムの実行を停止するための機能です。これにより、特定の状況下でのみ発生するバグを効率的に追跡できます。

<h3>gdbでの条件付きブレークポイント</h3>
gdbでは、`break`コマンドに条件を追加することで、条件付きブレークポイントを設定できます。

<h4>条件付きブレークポイントの設定</h4>
特定の行に条件付きブレークポイントを設定するには、以下のように条件を指定します:

break filename:line_number if condition

例えば、`main.cpp`の10行目で`x`変数が5のときのみ停止する場合:

break main.cpp:10 if x==5

<h4>既存のブレークポイントに条件を追加</h4>
既に設定されているブレークポイントに条件を追加することも可能です:

condition breakpoint_number condition

例えば、ブレークポイント番号1に条件を追加する場合:
``>
condition 1 x==5

lldbでの条件付きブレークポイント

lldbでは、breakpoint setコマンドに条件を追加することで、条件付きブレークポイントを設定できます。

条件付きブレークポイントの設定

特定の行に条件付きブレークポイントを設定するには、以下のように条件を指定します:

breakpoint set --file filename --line line_number --condition condition

例えば、main.cppの10行目でx変数が5のときのみ停止する場合:
“>
breakpoint set –file main.cpp –line 10 –condition ‘x==5’

<h4>既存のブレークポイントに条件を追加</h4>
既に設定されているブレークポイントに条件を追加することも可能です:
``>
breakpoint modify --condition condition breakpoint_id

例えば、ブレークポイントID 1に条件を追加する場合:
“>
breakpoint modify –condition ‘x==5’ 1

<h3>実践例: 条件付きブレークポイントの利用</h3>
具体的な例を使って、条件付きブレークポイントの設定方法を確認します。

<h4>例: 簡単なC++プログラム</h4>
以下の簡単なC++プログラムをデバッグします:

cpp

include

void checkValue(int x) {
if (x > 10) {
std::cout << “x is greater than 10” << std::endl;
} else {
std::cout << “x is 10 or less” << std::endl;
}
}

int main() {
int x = 5;
checkValue(x);
x = 15;
checkValue(x);
return 0;
}

1. gdbでプログラムを起動し、条件付きブレークポイントを設定します:
    ```
    gdb ./your_program
    (gdb) break main.cpp:7 if x>10
    (gdb) run
    ```

2. lldbでプログラムを起動し、条件付きブレークポイントを設定します:
    ```
    lldb ./your_program
    (lldb) breakpoint set --file main.cpp --line 7 --condition 'x>10'
    (lldb) run
    ```

条件付きブレークポイントを利用することで、特定の条件下でのみ発生するバグを効率的に検出できます。次章では、デバッガのスクリプト化について詳しく説明します。
<h2>デバッガのスクリプト化</h2>
デバッグ作業を効率化するために、gdbやlldbではスクリプトを使用してデバッガの操作を自動化することができます。スクリプト化することで、繰り返し行うデバッグ操作を簡略化し、一貫性を保つことができます。

<h3>gdbでのスクリプト化</h3>
gdbでは、`gdbinit`ファイルや`source`コマンドを使用してスクリプトを実行できます。

<h4>gdbinitファイルの使用</h4>
`~/.gdbinit`ファイルにデバッグコマンドを書き込むことで、gdb起動時に自動的に実行されます。例えば、以下のような内容を`~/.gdbinit`ファイルに追加します:

ブレークポイントの設定

break main

プログラムの実行

run

この設定により、gdbを起動すると自動的に`main`関数にブレークポイントが設定され、プログラムが実行されます。

<h4>sourceコマンドの使用</h4>
スクリプトファイルを作成し、そのファイルをgdb内で読み込むこともできます。例えば、`script.gdb`というファイルを作成し、以下の内容を記述します:

break main
run

gdbプロンプトで以下のコマンドを実行します:
``>
source script.gdb

lldbでのスクリプト化

lldbでは、lldbinitファイルやcommand scriptコマンドを使用してスクリプトを実行できます。

lldbinitファイルの使用

~/.lldbinitファイルにデバッグコマンドを書き込むことで、lldb起動時に自動的に実行されます。例えば、以下のような内容を~/.lldbinitファイルに追加します:
“>

ブレークポイントの設定

breakpoint set –name main

プログラムの実行

run

この設定により、lldbを起動すると自動的に`main`関数にブレークポイントが設定され、プログラムが実行されます。

<h4>command scriptコマンドの使用</h4>
スクリプトファイルを作成し、そのファイルをlldb内で読み込むこともできます。例えば、`script.lldb`というファイルを作成し、以下の内容を記述します:

breakpoint set –name main
run

lldbプロンプトで以下のコマンドを実行します:

command source script.lldb

<h3>実践例: スクリプト化の利用</h3>
具体的な例を使って、デバッガのスクリプト化方法を確認します。

<h4>例: 簡単なC++プログラム</h4>
以下の簡単なC++プログラムをデバッグします:

cpp

include

void func(int a) {
a += 10;
std::cout << “a: ” << a << std::endl;
}

int main() {
int x = 5;
func(x);
std::cout << “x: ” << x << std::endl;
return 0;
}

1. gdbスクリプトを作成し、実行します:
    - `script.gdb`ファイルを作成し、以下の内容を記述します:
    ```
    break main
    run
    print x
    ```
    - gdbプロンプトで以下のコマンドを実行します:
    ```
    gdb ./your_program
    (gdb) source script.gdb
    ```

2. lldbスクリプトを作成し、実行します:
    - `script.lldb`ファイルを作成し、以下の内容を記述します:
    ```
    breakpoint set --name main
    run
    frame variable x
    ```
    - lldbプロンプトで以下のコマンドを実行します:
    ```
    lldb ./your_program
    (lldb) command source script.lldb
    ```

スクリプトを利用することで、デバッグ作業を効率化し、特定のデバッグ操作を自動化することができます。次章では、よくあるエラーとトラブルシューティングについて詳しく説明します。
<h2>よくあるエラーとトラブルシューティング</h2>
デバッグ中に発生するよくあるエラーとその対処方法を知ることで、効率的に問題を解決することができます。ここでは、gdbおよびlldbを使用したデバッグ中によく直面するエラーとそのトラブルシューティング方法を紹介します。

<h3>gdbでのよくあるエラーと対策</h3>

<h4>1. "No symbol table is loaded" エラー</h4>
このエラーは、デバッグ情報がプログラムに含まれていない場合に発生します。
<h5>対策</h5>
プログラムをコンパイルする際に、デバッグ情報を含めるために`-g`オプションを使用します。

sh
g++ -g your_program.cpp -o your_program

<h4>2. "Cannot access memory at address" エラー</h4>
このエラーは、無効なメモリアドレスにアクセスしようとした場合に発生します。
<h5>対策</h5>
- コード内でのポインタ操作や配列アクセスをチェックします。
- 無効なメモリアクセスが発生している箇所を特定するために、ステップ実行やブレークポイントを使用します。

<h4>3. ブレークポイントが正しく設定されない</h4>
設定したブレークポイントが機能しない場合があります。
<h5>対策</h5>
- ブレークポイントの設定場所が正しいか確認します。
- ソースファイルのパスや行番号が正しいか確認します。
- 再コンパイル後にgdbを再起動してみてください。

<h3>lldbでのよくあるエラーと対策</h3>

<h4>1. "Error: No memory region matches address" エラー</h4>
このエラーは、無効なメモリアドレスにアクセスしようとした場合に発生します。
<h5>対策</h5>
- コード内でのポインタ操作や配列アクセスをチェックします。
- 無効なメモリアクセスが発生している箇所を特定するために、ステップ実行やブレークポイントを使用します。

<h4>2. ブレークポイントがヒットしない</h4>
設定したブレークポイントが機能しない場合があります。
<h5>対策</h5>
- ブレークポイントの設定場所が正しいか確認します。
- ソースファイルのパスや行番号が正しいか確認します。
- 再コンパイル後にlldbを再起動してみてください。

<h4>3. "Warning: failed to set breakpoint site at ..." エラー</h4>
このエラーは、ブレークポイントを設定できない場合に発生します。
<h5>対策</h5>
- 正しい関数名や行番号を使用しているか確認します。
- コンパイルオプションがデバッグ情報を含むように設定されているか確認します。

<h3>実践例: エラーのトラブルシューティング</h3>
具体的な例を使って、エラーのトラブルシューティング方法を確認します。

<h4>例: 簡単なC++プログラムでのデバッグ</h4>
以下の簡単なC++プログラムを使用します:

cpp

include

void func(int* ptr) {
*ptr = 10;
std::cout << “Value: ” << *ptr << std::endl;
}

int main() {
int* p = nullptr;
func(p);
return 0;
}
“`

  1. gdbでのトラブルシューティング:
    • プログラムをコンパイルします:
    g++ -g your_program.cpp -o your_program
    • gdbを起動し、ブレークポイントを設定して実行します:
    gdb ./your_program (gdb) break main (gdb) run
    • エラー発生時のメモリアクセスをチェックします:
    (gdb) backtrace (gdb) frame 1 (gdb) print p
  2. lldbでのトラブルシューティング:
    • プログラムをコンパイルします:
      sh g++ -g your_program.cpp -o your_program
    • lldbを起動し、ブレークポイントを設定して実行します:
      sh lldb ./your_program (lldb) breakpoint set --name main (lldb) run
    • エラー発生時のメモリアクセスをチェックします:
      sh (lldb) bt (lldb) frame select 1 (lldb) frame variable p

これらの方法を使用して、デバッグ中のよくあるエラーを迅速に解決することができます。次章では、本記事のまとめを行います。

まとめ

本記事では、C++のデバッガであるgdbとlldbを使ったプログラムのステップ実行について、導入から具体的な操作方法まで詳しく解説しました。gdbとlldbの概要、インストール方法、基本的な使い方、ブレークポイントの設定、ステップ実行の基本、変数の監視、コールスタックの利用、条件付きブレークポイント、デバッガのスクリプト化、そしてよくあるエラーとトラブルシューティングについて順を追って説明しました。

これらの技術を駆使することで、C++プログラムのデバッグを効率的に行い、プログラムの品質と信頼性を向上させることができます。デバッグの基本操作を習得し、繰り返し練習することで、より複雑なバグの解決も迅速に行えるようになります。デバッグ作業を効率化するためのスクリプト化や条件付きブレークポイントの活用も、日常のデバッグ作業に取り入れてみてください。

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