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连接池、线程池、内存池、异步请求池

      • 连接池
      • 线程池
      • 内存池
      • 异步请求池

池化技术

池化技术能够减少资源对象的创建次数,提⾼程序的响应性能,特别是在⾼并发下这种提⾼更加明显。使用池化技术缓存的资源对象有如下共同特点:

  1. 对象创建时间长;
  2. 对象创建需要大量资源;
  3. 对象创建后可被重复使用像常见的线程池、内存池、连接池、对象池都具有以上的共同特点。

连接池

什么是数据库连接池

定义:数据库连接池(Connection pooling)是程序启动时建立足够的数据库连接,并将这些连接组成一个连接池,由程序动态地对池中的连接进行申请,使用,释放。

大白话:创建数据库连接是⼀个很耗时的操作,也容易对数据库造成安全隐患。所以,在程序初始化的时候,集中创建多个数据库连接,并把他们集中管理,供程序使用,可以保证较快的数据库读写速度,还更加安全可靠。 这里讲的数据库,不单只是指Mysql,也同样适用于Redis。

为什么使用数据库连接池

  1. 资源复用:由于数据库连接得到复用,避免了频繁的创建、释放连接引起的性能开销,在减少系统消耗的基础上,另一方面也增进了系统运行环境的平稳性(减少内存碎片以及数据库临时进程/线程的数量)。
  2. 更快的系统响应速度:数据库连接池在初始化过程中,往往已经创建了若干数据库连接置于池中备用。此时连接的初始化工作均已完成。对于业务请求处理而言,直接利用现有可用连接,避免了从数据库连接初始化和释放过程的开销,从而缩减了系统整体响应时间。
  3. 统⼀的连接管理:避免数据库连接泄露,在较为完备的数据库连接池实现中,可根据预先的连接占用超时设定,强制收回被占用连接。从而避免了常规数据库连接操作中可能出现的资源泄露。

如果不使用连接池

  1. TCP建立连接的三次握手(客户端与MySQL服务器的连接基于TCP协议)
  2. MySQL认证的三次握手
  3. 真正的SQL执行
  4. MySQL的关闭
  5. TCP的四次握手关闭

可以看到,为了执行⼀条SQL,需要进行TCP三次握手,Mysql认证、Mysql关闭、TCP四次挥手等其他操作,执行SQL操作在所有的操作占比非常低。
在这里插入图片描述
优点:实现简单

缺点:

  • 网络IO较多
  • 带宽利用率低
  • QPS较低
  • 应用频繁低创建连接和关闭连接,导致临时对象较多,带来更多的内存碎片
  • 在关闭连接后,会出现大量TIME_WAIT 的TCP状态(在2个MSL之后关闭)

使用连接池

第⼀次访问的时候,需要建立连接。 但是之后的访问,均会复用之前创建的连接,直接执行SQL语句。
在这里插入图片描述
优点:

  1. 降低了网络开销
  2. 连接复用,有效减少连接数。
  3. 提升性能,避免频繁的新建连接。新建连接的开销比较大
  4. 没有TIME_WAIT状态的问题

缺点:

  1. 设计较为复杂

长连接和连接池的区别

  • 长连接是⼀些驱动、驱动框架、ORM工具的特性,由驱动来保持连接句柄的打开,以便后续的数据库操作可以重用连接,从而减少数据库的连接开销。
  • 而连接池是应用服务器的组件,它可以通过参数来配置连接数、连接检测、连接的生命周期等。
  • 连接池内的连接,其实就是长连接。

数据库连接池运行机制

  1. 用户发送请求,把请求插入到消息队列
  2. 线程池中的线程竞争从消息队列拿出任务(涉及多线程竞争,加锁)
  3. 线程从连接池获取或创建可用连接(涉及多线程竞争,加锁)
  4. 利用连接对象和用户请求任务请求数据库数据
  5. 使用完毕之后,把连接返回给连接池 (涉及多线程竞争,加锁)

在系统关闭前,断开所有连接并释放连接占用的系统资源;
请添加图片描述

连接池和线程池的关系

连接池和线程池的区别:

  • 线程池:主动调用任务。当任务队列不为空的时候从队列取任务取执行。 比如去银行办理业务,窗口柜员是线程,多个窗口组成了线程池,柜员从排号队列叫号执行。
  • 连接池:被动被任务使用。当某任务需要操作数据库时,只要从连接池中取出⼀个连接对象,当任务使用完该连接对象后,将该连接对象放回到连接池中。如果连接池中没有连接对象可以用,那么该任务就必须等待。 比如去银行用笔填单,笔是连接对象,我们要用笔的时候去取,用完了还回去

连接池和线程池设置数量的关系:

  • ⼀般线程池线程数量和连接池连接对象数量⼀致;
  • ⼀般线程执行任务完毕的时候归还连接对象;

线程池设计要点
使⽤连接池需要预先建立数据库连接

线程池设计思路:

  1. 连接到数据库,涉及到数据库ip、端口、用户名、密码、数据库名字等;

    a. 连接的操作,每个连接对象都是独立的连接通道,它们是独立的
    b. 配置最小连接数和最大连接数

  2. 需要⼀个队列管理他的连接,比如使用list;

  3. 获取连接对象

  4. 归还连接对象

(同步方式)连接池的实现(伪代码)

#include <mysql.h>//数据库连接类(一个对象对应一个Mysql/Redis连接)
class CDBConn {int Init(); //初始化,连接数据库操作MYSQL* 		m_mysql;	// 对应一个连接
}//连接池
class CDBPool {int 		Init();		// 连接数据库,用于for循环创建CDBConn对象并且调用CDBConn->Init()CDBConn* 	GetDBConn(const int timeout_ms = -1);	// 获取连接资源(即从m_free_list拿出一个连接对象)void 		RelDBConn(CDBConn* pConn);	// 归还连接资源(即把连接对象放回m_free_list)list<CDBConn*>	m_free_list;	// 空闲的连接list<CDBConn*>	m_used_list;	// 记录已经被请求的连接
};//用户请求的任务
struct job
{void* (*callback_function)(void *arg);    //线程回调函数void *arg;                                //回调函数参数struct job *next;
};//线程池
struct threadpool{//用户请求的任务插入到job list中struct job *head;  //指向job的头指针struct job *tail;  //指向job的尾指针//工作线程int thread_num;       //线程池中开启线程的个数	pthread_t *pthreads;  //线程池中所有线程的pthread_t
};//工作线程执行的函数
void *threadpool_function(void *arg){while(1){//从消息队列中取任务task = pop_task();//从连接池取一个数据库连接对象CDBConn *pDBConn = pDBPool->GetDBConn();      //请求数据库(同步方式,阻塞等待数据库消息返回)query_db(pDBConn, task);//把数据库连接对象放回连接池pDBPool->RelDBConn(pDBConn); 	}
}

连接池连接设置数量

连接数 = ((核心数 * 2) + 有效磁盘数)

按照这个公式,即是说你的服务器 CPU 是 4核 i7 的,那连接池连接数大小应该为 ((4*2)+1)=9

这里只是⼀个经验公式。还要和线程池数量以及具体业务结合在⼀起

线程池

服务端epoll三种处理客户端信息方法模型:

while(1){int n = epoll_wait();for(n){
#if //写法一 网络线程处理解析以及业务逻辑后直接发给客户端(单线程服务端)recv(fd, buffer, length, 0);parser();send();
#elseif //写法二:网络线程把收到fd交给工作线程处理解析以及业务逻辑和发给客户端(多线程服务器)//该模式有缺点:可能存在多个线程同时对一个fd进行操作!//场景:同一个客户端短时间内发来多条请求,被分给了多个不同的线程处理,那么就出现多个线程同时对一个fd操作的情况。如果线程一个对fd写,另一个线程对fd进行close,就会引发错误//因此需要特殊处理。处理方法:加入协程。每个协程处理一个IO。但是底层依然是依赖于epoll管理所有IOtask = fd;push_tasks(task);
#else //写法三:网络线程解析完信息后,交给工作线程处理业务逻辑和发给客户端(多线程服务器)recv(fd, buffer, length, 0);push_task(buffer);
#endif		}
}

线程池图示

请添加图片描述

线程池代码演示

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>#include <pthread.h>#define LL_ADD(item, list) do { 	\item->prev = NULL;				\item->next = list;				\list = item;					\
} while(0)#define LL_REMOVE(item, list) do {						\if (item->prev != NULL) item->prev->next = item->next;	\if (item->next != NULL) item->next->prev = item->prev;	\if (list == item) list = item->next;					\item->prev = item->next = NULL;							\
} while(0)typedef struct NWORKER {pthread_t thread;int terminate;struct NWORKQUEUE *workqueue;struct NWORKER *prev;struct NWORKER *next;
} nWorker;typedef struct NJOB {void (*job_function)(struct NJOB *job);void *user_data;struct NJOB *prev;struct NJOB *next;
} nJob;typedef struct NWORKQUEUE {struct NWORKER *workers;struct NJOB *waiting_jobs;pthread_mutex_t jobs_mtx;pthread_cond_t jobs_cond;
} nWorkQueue;typedef nWorkQueue nThreadPool;static void *ntyWorkerThread(void *ptr) {nWorker *worker = (nWorker*)ptr;while (1) {pthread_mutex_lock(&worker->workqueue->jobs_mtx);while (worker->workqueue->waiting_jobs == NULL) {if (worker->terminate) break;pthread_cond_wait(&worker->workqueue->jobs_cond, &worker->workqueue->jobs_mtx);}if (worker->terminate) {pthread_mutex_unlock(&worker->workqueue->jobs_mtx);break;}nJob *job = worker->workqueue->waiting_jobs;if (job != NULL) {LL_REMOVE(job, worker->workqueue->waiting_jobs);}pthread_mutex_unlock(&worker->workqueue->jobs_mtx);if (job == NULL) continue;job->job_function(job);}free(worker);pthread_exit(NULL);
}int ntyThreadPoolCreate(nThreadPool *workqueue, int numWorkers) {if (numWorkers < 1) numWorkers = 1;memset(workqueue, 0, sizeof(nThreadPool));pthread_cond_t blank_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;memcpy(&workqueue->jobs_cond, &blank_cond, sizeof(workqueue->jobs_cond));pthread_mutex_t blank_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;memcpy(&workqueue->jobs_mtx, &blank_mutex, sizeof(workqueue->jobs_mtx));int i = 0;for (i = 0;i < numWorkers;i ++) {nWorker *worker = (nWorker*)malloc(sizeof(nWorker));if (worker == NULL) {perror("malloc");return 1;}memset(worker, 0, sizeof(nWorker));worker->workqueue = workqueue;int ret = pthread_create(&worker->thread, NULL, ntyWorkerThread, (void *)worker);if (ret) {perror("pthread_create");free(worker);return 1;}LL_ADD(worker, worker->workqueue->workers);}return 0;
}void ntyThreadPoolShutdown(nThreadPool *workqueue) {nWorker *worker = NULL;for (worker = workqueue->workers;worker != NULL;worker = worker->next) {worker->terminate = 1;}pthread_mutex_lock(&workqueue->jobs_mtx);workqueue->workers = NULL;workqueue->waiting_jobs = NULL;pthread_cond_broadcast(&workqueue->jobs_cond);pthread_mutex_unlock(&workqueue->jobs_mtx);}void ntyThreadPoolQueue(nThreadPool *workqueue, nJob *job) {pthread_mutex_lock(&workqueue->jobs_mtx);LL_ADD(job, workqueue->waiting_jobs);pthread_cond_signal(&workqueue->jobs_cond);pthread_mutex_unlock(&workqueue->jobs_mtx);}/************************** debug thread pool **************************/
//sdk  --> software develop kit
// 提供SDK给其他开发者使用#if 1#define KING_MAX_THREAD			80
#define KING_COUNTER_SIZE		1000void king_counter(nJob *job) {int index = *(int*)job->user_data;printf("index : %d, selfid : %lu\n", index, pthread_self());free(job->user_data);free(job);
}int main(int argc, char *argv[]) {nThreadPool pool;ntyThreadPoolCreate(&pool, KING_MAX_THREAD);int i = 0;for (i = 0;i < KING_COUNTER_SIZE;i ++) {nJob *job = (nJob*)malloc(sizeof(nJob));if (job == NULL) {perror("malloc");exit(1);}job->job_function = king_counter;job->user_data = malloc(sizeof(int));*(int*)job->user_data = i;ntyThreadPoolQueue(&pool, job);}getchar();printf("\n");}#endif

内存池

为什么要用内存池

  1. 在需要堆内存管理一些数据的时候直接malloc,容易造成内存碎片
  2. 在需要堆内存管理一些数据的时候直接malloc,容易忘记free,造成内存泄漏,利于内存管理

策略

  1. 小块内存(<4k):先分配一个整块,在整块里每次用一小块内存
  2. 大块内存(>4k):直接分配

图示
在这里插入图片描述

代码示例

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>#define MP_ALIGNMENT       		32
#define MP_PAGE_SIZE			4096
#define MP_MAX_ALLOC_FROM_POOL	(MP_PAGE_SIZE-1)#define mp_align(n, alignment) (((n)+(alignment-1)) & ~(alignment-1))
#define mp_align_ptr(p, alignment) (void *)((((size_t)p)+(alignment-1)) & ~(alignment-1))struct mp_large_s {struct mp_large_s *next; //下个内存结点void *alloc; //分配的内存的头位置
};struct mp_node_s {unsigned char *last; //内存结点末尾位置unsigned char *end; //内存结点已分配内存的末尾位置struct mp_node_s *next; //下一个内存结点size_t failed; //尝试利用此结点剩余空间失败次数
};struct mp_pool_s {//该内存池组织了大块内存和小块内存 二者分配方式不一样size_t max; //MP_PAGE_SIZEstruct mp_large_s *large; //大块内存struct mp_node_s *current; //小块内存 当前位置struct mp_node_s head[0]; //小块内存 头节点位置};struct mp_pool_s *mp_create_pool(size_t size);
void mp_destory_pool(struct mp_pool_s *pool);
void *mp_alloc(struct mp_pool_s *pool, size_t size);
void *mp_nalloc(struct mp_pool_s *pool, size_t size);
void *mp_calloc(struct mp_pool_s *pool, size_t size);
void mp_free(struct mp_pool_s *pool, void *p);struct mp_pool_s *mp_create_pool(size_t size) {struct mp_pool_s *p;int ret = posix_memalign((void **)&p, MP_ALIGNMENT, size + sizeof(struct mp_pool_s) + sizeof(struct mp_node_s));if (ret) {return NULL;}p->max = (size < MP_MAX_ALLOC_FROM_POOL) ? size : MP_MAX_ALLOC_FROM_POOL;p->current = p->head;p->large = NULL;p->head->last = (unsigned char *)p + sizeof(struct mp_pool_s) + sizeof(struct mp_node_s);p->head->end = p->head->last + size;p->head->failed = 0;return p;}void mp_destory_pool(struct mp_pool_s *pool) {struct mp_node_s *h, *n;struct mp_large_s *l;for (l = pool->large; l; l = l->next) {if (l->alloc) {free(l->alloc);}}h = pool->head->next;while (h) {n = h->next;free(h);h = n;}free(pool);}void mp_reset_pool(struct mp_pool_s *pool) {struct mp_node_s *h;struct mp_large_s *l;for (l = pool->large; l; l = l->next) {if (l->alloc) {free(l->alloc);}}pool->large = NULL;for (h = pool->head; h; h = h->next) {h->last = (unsigned char *)h + sizeof(struct mp_node_s);}}static void *mp_alloc_block(struct mp_pool_s *pool, size_t size) {unsigned char *m;struct mp_node_s *h = pool->head;size_t psize = (size_t)(h->end - (unsigned char *)h);int ret = posix_memalign((void **)&m, MP_ALIGNMENT, psize);if (ret) return NULL;struct mp_node_s *p, *new_node, *current;new_node = (struct mp_node_s*)m;new_node->end = m + psize;new_node->next = NULL;new_node->failed = 0;m += sizeof(struct mp_node_s);m = mp_align_ptr(m, MP_ALIGNMENT);new_node->last = m + size;current = pool->current;for (p = current; p->next; p = p->next) {if (p->failed++ > 4) {current = p->next;}}p->next = new_node;pool->current = current ? current : new_node;return m;}static void *mp_alloc_large(struct mp_pool_s *pool, size_t size) {void *p = malloc(size);if (p == NULL) return NULL;size_t n = 0;struct mp_large_s *large;for (large = pool->large; large; large = large->next) {if (large->alloc == NULL) {large->alloc = p;return p;}if (n ++ > 3) break;}// 把 mp_large_s 结构体 放到 小块内存的结点里large = mp_alloc(pool, sizeof(struct mp_large_s));if (large == NULL) {free(p);return NULL;}large->alloc = p;large->next = pool->large;pool->large = large;return p;
}void *mp_memalign(struct mp_pool_s *pool, size_t size, size_t alignment) {void *p;int ret = posix_memalign(&p, alignment, size);if (ret) {return NULL;}struct mp_large_s *large = mp_alloc(pool, sizeof(struct mp_large_s));if (large == NULL) {free(p);return NULL;}large->alloc = p;large->next = pool->large;pool->large = large;return p;
}void *mp_alloc(struct mp_pool_s *pool, size_t size) {unsigned char *m;struct mp_node_s *p;if (size <= pool->max) {p = pool->current;do {m = mp_align_ptr(p->last, MP_ALIGNMENT);if ((size_t)(p->end - m) >= size) {p->last = m + size;return m;}p = p->next;} while (p);return mp_alloc_block(pool, size);}return mp_alloc_large(pool, size);}void *mp_nalloc(struct mp_pool_s *pool, size_t size) {unsigned char *m;struct mp_node_s *p;if (size <= pool->max) {p = pool->current;do {m = p->last;if ((size_t)(p->end - m) >= size) {p->last = m+size;return m;}p = p->next;} while (p);return mp_alloc_block(pool, size);}return mp_alloc_large(pool, size);}void *mp_calloc(struct mp_pool_s *pool, size_t size) {void *p = mp_alloc(pool, size);if (p) {memset(p, 0, size);}return p;}void mp_free(struct mp_pool_s *pool, void *p) {struct mp_large_s *l;for (l = pool->large; l; l = l->next) {if (p == l->alloc) {free(l->alloc);l->alloc = NULL;return ;}}}int main(int argc, char *argv[]) {int size = 1 << 12;struct mp_pool_s *p = mp_create_pool(size);int i = 0;for (i = 0;i < 10;i ++) {void *mp = mp_alloc(p, 512);
//		mp_free(mp);}//printf("mp_create_pool: %ld\n", p->max);printf("mp_align(123, 32): %d, mp_align(17, 32): %d\n", mp_align(24, 32), mp_align(17, 32));//printf("mp_align_ptr(p->current, 32): %lx, p->current: %lx, mp_align(p->large, 32): %lx, p->large: %lx\n", mp_align_ptr(p->current, 32), p->current, mp_align_ptr(p->large, 32), p->large);int j = 0;for (i = 0;i < 5;i ++) {char *pp = mp_calloc(p, 32);for (j = 0;j < 32;j ++) {if (pp[j]) {printf("calloc wrong\n");}printf("calloc success\n");}}//printf("mp_reset_pool\n");for (i = 0;i < 5;i ++) {void *l = mp_alloc(p, 8192);mp_free(p, l);}mp_reset_pool(p);//printf("mp_destory_pool\n");for (i = 0;i < 58;i ++) {mp_alloc(p, 256);}mp_destory_pool(p);return 0;}

异步请求池

同步请求要点

请求方作为客户端请求后(send/sendto),立即调用(recv/recvfrom)阻塞等待结果返回。
在这里插入图片描述

int dns_client_commit(const char *domain) {int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sockfd < 0) {perror("create socket failed\n");exit(-1);}printf("url:%s\n", domain);struct sockaddr_in dest;bzero(&dest, sizeof(dest));dest.sin_family = AF_INET;dest.sin_port = htons(53);dest.sin_addr.s_addr = inet_addr(DNS_SVR);int ret = connect(sockfd, (struct sockaddr*)&dest, sizeof(dest));printf("connect :%d\n", ret);struct dns_header header = {0};dns_create_header(&header);struct dns_question question = {0};dns_create_question(&question, domain);char request[1024] = {0};int req_len = dns_build_request(&header, &question, request);int slen = sendto(sockfd, request, req_len, 0, (struct sockaddr*)&dest, sizeof(struct sockaddr));char buffer[1024] = {0};struct sockaddr_in addr;size_t addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);int n = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr*)&addr, (socklen_t*)&addr_len);printf("recvfrom n : %d\n", n);struct dns_item *domains = NULL;dns_parse_response(buffer, &domains);return 0;
}

异步请求要点

  1. 请求方作为客户端请求后(send/sendto),把fd交给epoll管理,不等待结果返回(recv/recvfrom)。
  2. epoll_wait在一个线程死循环中,当epoll收到消息,在进行处理(recv/recvfrom)。

在这里插入图片描述

typedef void (*async_result_cb)(struct dns_item *arg, int count);struct async_context {int epfd;pthread_t threadid;
};struct ep_arg {int sockfd;async_result_cb cb;
};#define ASYNC_EVENTS		128void *dns_async_callback(void *arg) {struct async_context* ctx = (struct async_context*)arg;while (1) {struct epoll_event events[ASYNC_EVENTS] = {0};int nready = epoll_wait(ctx->epfd, events, ASYNC_EVENTS, -1);if (nready < 0) {continue;}int i = 0;for (i = 0;i < nready;i ++) {struct ep_arg *ptr = events[i].data.ptr;int sockfd = ptr->sockfd;char buffer[1024] = {0};struct sockaddr_in addr;size_t addr_len = sizeof(struct sockaddr_in);int n = recvfrom(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr*)&addr, (socklen_t*)&addr_len);//协议解析 //这里是DNS协议解析、也可以换成Mysql、Redis协议解析等。	printf("recvfrom n : %d\n", n);struct dns_item *domains = NULL;int count = dns_parse_response(buffer, &domains);//执行回调函数ptr->cb(domains, count);// close sockfd close (sockfd);free(ptr);epoll_ctl(ctx->epfd, EPOLL_CTL_DEL, sockfd, NULL);}}
}struct async_context* dns_async_client_init(void) {int epfd = epoll_create(1);if (epfd < 0) return NULL;struct async_context* ctx = calloc(1, sizeof(struct async_context));if (ctx == NULL) return NULL;ctx->epfd = epfd;int ret = pthread_create(&ctx->threadid, NULL, dns_async_callback, ctx);if (ret) {close(epfd);free(ctx);return NULL;}return ctx;
}int dns_async_client_destroy(struct async_context* ctx) {close(ctx->epfd);pthread_cancel(ctx->threadid);
} int dns_async_client_commit(struct async_context *ctx, async_result_cb cb) {int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sockfd < 0) {perror("create socket failed\n");exit(-1);}printf("url:%s\n", domain);struct sockaddr_in dest;bzero(&dest, sizeof(dest));dest.sin_family = AF_INET;dest.sin_port = htons(53);dest.sin_addr.s_addr = inet_addr(DNS_SVR);int ret = connect(sockfd, (struct sockaddr*)&dest, sizeof(dest));printf("connect :%d\n", ret);struct dns_header header = {0};dns_create_header(&header);struct dns_question question = {0};dns_create_question(&question, domain);char request[1024] = {0};int req_len = dns_build_request(&header, &question, request);int slen = sendto(sockfd, request, req_len, 0, (struct sockaddr*)&dest, sizeof(struct sockaddr));struct ep_arg *ptr = calloc(1, sizeof(struct ep_arg));if (ptr == NULL) return -1;ptr->sockfd = sockfd;ptr->cb = cb;//struct epoll_event ev;ev.data.ptr = ptr;ev.events = EPOLLIN; //可读epoll_ctl(ctx->epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);return 0;
}

执行顺序:

  1. 调用dns_async_client_init创建epoll和处理epoll_wait对应的线程。
  2. 调用dns_async_client_commit提交请求(send/sendto),并且把对应fd交给epoll管理
  3. dns_async_callback线程中,死循环中epoll_wait检测到EPOLLIN可读事件,然后调用(recv/recvfrom)和callback函数处理请求返回的response事件。
http://www.mnyf.cn/news/48763.html

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