• Openmp多线程编程练习


    环境配置

    一般使用Visual Studio2019来作为openmp的编程环境

    调试-->属性-->C/C++-->所有选项-->Openmp支持改为 是(可以使用下拉菜单)

    23

    严重性 代码 说明 项目 文件 行 禁止显示状态 禁止显示状态
    错误 C2338 C++/CLI、C++/CX 或 OpenMP 不支持两阶段名称查找;请使用 /Zc:twoPhase- 多线程 C:Users onyson_in_the_rainsource epos多线程多线程c1xx 1

    如果报错,再在属性菜单中找到C/C++ --> 语言 -->符合模式下拉菜单中选择"否"

    }MCU$(Y)V@6SJLM@9}H7BP6

    第一个程序

    • omp_get_thread_num()返回线程的编号
    • pragma omp parallel 用作注释的形式,即使没有openmp功能的编译环境也能够串行地正常执行程序.

    #include "stdio.h"
    #include "omp.h"
    #include "windows.h"
    
    int  main()
    {
    	printf("Hello from serial.
    ");
    	printf("Thread number = %d
    ", omp_get_thread_num());  //串行执行
    	Sleep(1000);
    
    #pragma omp parallel                                        //开始并行执行
    	{
    		printf("Hello from parallel. Thread number=%d
    ", omp_get_thread_num());
    		Sleep(1000);
    	}
    
    	printf("Hello from serial again.
    ");
    	return 0;
    }
    

    运行结果如下:

    开始是串行,主线程的号为0,之后的1 2 3为子线程

    循环

    要求是for循环,而且必须能知道具体的循环次数.不能够使用break和return语句.

    for循环的第一步是任务划分,如果有4个线程,100次循环,那么线程0就分配到了1-25次循环,然后线程1分配到26-50次,以此类推.

    数据的相关性

    int x[100], y[100], k, m;
    	x[0] = 0;
    	y[0] = 1;
    #pragma omp parallel for private(k) 
    	for (k = 1; k < 100; k++) {
    		x[k] = y[k - 1] + 1; //S1
    		y[k] = x[k - 1] + 2; //S2 
    		printf("x[%d]=%d thread=%d
    ", k, x[k], omp_get_thread_num());
    		printf("y[%d]=%d thread=%d
    ", k, y[k], omp_get_thread_num());
    	}
    	printf("y=%d
    ", y[99]);
    	printf("x=%d
    ", x[99]);
    
    

    这样的话,如果分配好后4个线程并行,那么1号线程计算时,变量用的是前一次的结果,但是前一次操作还没有进行,变量还没有初始化直接就运行,程序会出错.

    提供一个改写方法,这个方法不受线程数量的影响,最终只能划分为两份,因为划分以迭代次数为最小单位,而for循环最外层只循环两次,所以最多只能划分成两份.

    #pragma omp parallel for private(m, k) 
    	for (m = 0; m < 2; m++)
    	{
    		for (k = m * 50 + 1; k < m * 50 + 50; k++)
    		{
    			x[k] = y[k - 1] + 1; //S1     
    			y[k] = x[k - 1] + 2; //S2 
    			printf("x[%d]=%d thread=%d
    ", k, x[k], omp_get_thread_num());
    			printf("y[%d]=%d thread=%d
    ", k, y[k], omp_get_thread_num());
    		}
    	}
    

    多重循环

    并不是所有的for循环都会并行化,只有紧挨着编译指导语句pragma omp parallel for的for循环会并行化

    int i;int j;
        #pragma omp parallel for private(j)   //可以尝试去掉private语句,查看程序执行结果
    	for(i=0; i<2; i++)
    		for(j=6; j<10; j++)
    			printf( "i=%d j=%d
    ", i , j);
    	printf("######################
    ");
    	for(i=0; i<2; i++)
            #pragma omp parallel for
    		for(j=6; j<10; j++)
    			printf( "i=%d j=%d
    ", i , j );
    

    上面部分运行结果:

    其中一个线程获得了i=0时的任务,而另一个获得了i=1的迭代任务,j是串行的

    如果去掉private:

    如果不不用private,那么j就变成了共享的变量,两个线程并行就会出现错误,而编译指导语句后面的for循环中的i变量默认是私有变量,所以可以正常执行.

    下面部分的运行结果:

    下面

    规约操作

    会反复地把一个二元运算符应用在一个变量和另外一个值上,比如数组求和

    int  main()
    {
    	int arx[100], ary[100], n = 100, a = 0, b = 0;
    	for (int i = 0; i < 100; i++)
    	{
    		arx[i] = 1;  ary[i] = 1;
    	}
    # pragma omp parallel for reduction(+:a,b)//可以去掉reduction子句,对比线程处理过程中的不同
    	for (int i = 0; i < n; i++)
    	{
    		a = a + arx[i];
    		b = b + ary[i];
    		printf("a=%d i= %d thread=%d
    ", a, i, omp_get_thread_num());
    		printf("b=%d i= %d thread=%d
    ", b, i, omp_get_thread_num());
    	}
    	printf("a=%d b= %d thread=%d
    ", a, b, omp_get_thread_num());
    }
    
    运算符 数据类型 默认初始值
    + 整数,浮点 0
    ***** 整数,浮点 1
    - 整数,浮点 0
    & 整数 所有位都开启,****~0
    | 整数 0
    ^ 整数 0
    && 整数 1
    || 整数 0

    可以使用的规约操作

    私有变量的初始化和终结

    • firstprivate把变量初始的值的带进来,取自原来同名变量的值
    • lastprivate把变量的值带回去(将最后一次循环的相应变量赋给val
    #include "stdio.h"
    #include "omp.h"
    #include "windows.h"
    
    
    int  main()
    {
    	int val = 8;
    #pragma omp parallel for firstprivate(val)  lastprivate(val) //此处可充分改变private语句,观察程序执行结果
    	for (int i = 0; i < 4; i++)  //可以改变循环次数,得到不同的最终值,如:i<7
    	{
    		printf("i=%d val=%d thread=%d
    ", i, val, omp_get_thread_num());
    		if (i == 2)
    			val = 10000;
    		if (i == 3)
    			val = 11111;
    		printf("i=%d val=%d thread=%d
    ", i, val, omp_get_thread_num());
    	}
    	printf("val=%d
    ", val);
    }
    

    最后迭代时i=3,val=11111,所以最后带回去11111即可.

    数据相关性与并行化操作

    int main()
    {
    #pragma omp parallel
    	for (int i = 0; i < 5; i++)
    		printf("hello world i=%d
    ", i);
    	printf("###########################
    ");
    #pragma omp parallel for
    	for (int i = 0; i < 5; i++)
    		printf("hello world i=%d
    ", i);
    }
    

    上面是普通的并行操作,下面是for循环的并行化,输出如下:

    hello world i=0
    hello world i=1
    hello world i=2
    hello world i=3
    hello world i=4
    hello world i=0
    hello world i=1
    hello world i=0
    hello world i=1
    hello world i=0
    hello world i=1
    hello world i=2
    hello world i=3
    hello world i=4
    hello world i=2
    hello world i=3
    hello world i=4
    hello world i=2
    hello world i=3
    hello world i=4
    ###########################
    hello world i=0
    hello world i=1
    hello world i=4
    hello world i=3
    hello world i=2
    

    上边的实际上就是重复了这个任务,4个线程重复执行相同的任务,而下面就是for循环的并行.

    私有全局变量

    • threadprivate 每个线程有一个私有的副本,相互不要干扰
    #include "stdio.h"
    #include "omp.h"
    #include "windows.h"
    int counter = 50;   //using threadprivate
    #pragma omp threadprivate(counter)
    void inc_counter() {
    	counter++;
    }
    int main()
    {
    #pragma omp parallel //注释上面的threadprivate子句,查看求和结果
    	{
    		for (int i = 0; i < 10000; i++)
    			inc_counter();
    		printf("counter=%d
    ", counter);
    	}
    }
    

    正确的执行结果

    counter=10050
    counter=10050
    counter=10050
    counter=10050
    

    如果注释掉#pragma omp threadprivate(counter)

    并行区域编程

    说的就是一个普通的并行区域的编译指导语句

    pragma omp parallel

    子句 private shared default reduction if copyin

    并行区域编译指导语句的使用限制
    程序块必须是只有单一入口和单一出口的程序块
    不能从外面转入到程序块的内部,也不允许从程序块内部有多个出口转到程序块之外
    程序块内部的跳转是允许的
    程序块内部直接调用exit函数来退出整个程序的执行也是允许的

    // OpenMP2.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
    //
    
    #include "stdio.h"
    #include "omp.h"
    #include <windows.h>    //使用Sleep()函数需要包含此头文件
    
    int counter = 0;
    #pragma omp threadprivate(counter)
    void inc_counter() {
    	counter++;
    }
    
    int main()
    {
    #pragma omp parallel //注释上面的threadprivate子句,查看求和结果
    	{
    		for (int i = 0; i < 10000; i++)
    			inc_counter();
    		printf("counter=%d
    ", counter);
    	}
    	return 0;
    }
    /*
    counter=10000
    counter=30162
    counter=20000
    counter=39535
    */
    
    /*
    counter=10000
    counter=10000
    counter=10000
    counter=10000
    */
    

    copyin 可以把变量的值初始化到每个子线程的副本里面

    // OpenMP2.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
    //
    
    #include "stdio.h"
    #include "omp.h"
    #include <windows.h>    //使用Sleep()函数需要包含此头文件
    
    int global;
    #pragma omp threadprivate(global)  ///?????????
    int  main()
    {
    	global = 1000;
    #pragma omp parallel copyin(global) 
    	{
    		printf("global=%d, thread=%d
    ", global, omp_get_thread_num());
    		global = omp_get_thread_num();
    		printf("global=%d, thread=%d
    ", global, omp_get_thread_num());
    	}
    	printf("global=%d
    ", global);
    	printf("parallel again
    ");
    #pragma omp parallel 
    	printf("global=%d
    ", global); 
    
    	
    
    	return 0;
    }
    
    
    

    为什么是0呢?因为global是问的主线程的global,已经由主线程改成了0,而其他的线程中的global还保存着原来的值.

    工作共享

    工作队列 不断从队列中取出标识号来完成

    根据线程号分配任务

    	//程序段12(OMP_NUM_THREADS=4)
    	/*   global=1000;
    	#pragma omp parallel copyin(global) 
    	{
    	    printf("global=%d, thread=%d
    ",global,omp_get_thread_num());
    	    global=omp_get_thread_num();      
    		printf("global=%d, thread=%d
    ",global,omp_get_thread_num());
    	}
    	printf("global=%d
    ",global);
    	printf("parallel again
    ");
    	#pragma omp parallel 
    		printf("global=%d
    ",global);*/
    	
    	//使用copyin()子句的变量必须通过threadprivate()声明,
    	//parallel后可以使用private()子句、firstprivate()子句,不能使用lastprivate()子句
    	/*int g=100;
    	#pragma omp parallel firstprivate(g)
    	{  
    	    printf("g=%d, thread=%d
    ",g,omp_get_thread_num());
    	    g=omp_get_thread_num();      
    		printf("g=%d, thread=%d
    ",g,omp_get_thread_num());
    	}
    	printf("g=%d
    ",g);
    	printf("parallel again
    ");
    	#pragma omp parallel
    		printf("g=%d
    ",g);*/ 
    
       
    	//程序段15
    	/*#pragma omp parallel
    	{
    		 printf("outside loop thread=%d
    ",  omp_get_thread_num());
            #pragma omp for
    		 for(int i=0;i<4;i++)
    			printf("inside loop i=%d thread=%d
    ", i, omp_get_thread_num());
    	} */
    

    
        //程序段16
        #pragma omp parallel sections
    	{
            #pragma omp section
    		printf("section 1 thread=%d
    ",omp_get_thread_num());
            #pragma omp section
    		printf("section 2 thread=%d
    ",omp_get_thread_num());
            #pragma omp section
    		printf("sectino 3 thread=%d
    ",omp_get_thread_num());
    	}
    
    ```
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    ```
    // OpenMP2.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
    //
    
    #include "stdio.h"
    #include "omp.h"
    #include <windows.h>    //使用Sleep()函数需要包含此头文件
    
    int main()
    {
    #pragma omp parallel num_threads(4)
    	{
    		printf("parallel region before single.  thread %d
    ", omp_get_thread_num());
    
    #pragma omp single  //执行期间其他线程等待
    		{
    			Sleep(1000);
    			printf("single region by thread %d.
    ", omp_get_thread_num());
    		}
    
    		printf("parallel region after single. thread %d.
    ", omp_get_thread_num());
    	}
    }
    ```
    
    ![](https://cdn.mathpix.com/snip/images/zXXUHQVQTcvLppTj4DQTfyhmsOki36df92Na-Apgp1c.original.fullsize.png)
    
    把single改成master,执行的结果还是0,因为主线程就是0号线程,master只能由主线程执行
    
    ## 并行区域的共享
    
    / 2.根据线程号分配任务.由于每个线程在执行的过程中的线程标识号
    // 是不同的,可以根据这个线程标识号来分配不同的任务
    //#pragma omp parallel private(myid)
    //      {
    //          int nthreads = omp_get_num_threads();
    //          int myid = omp_get_thread_num();
    //          work_done(myid, nthreads);          // 分配任务函数
    //      }
    
    ### 使用for语句分配任务
    
    ```
    int main()
    {
    #pragma omp parallel num_threads(2)
    	{
    		printf("outside loop thread=%d
    ", omp_get_thread_num());
    #pragma omp for
    		for (int i = 0; i < 4; i++)
    			printf("inside loop i=%d thread=%d
    ", i, omp_get_thread_num());
    	}
    }
    outside loop thread=0
    outside loop thread=1
    inside loop i=2 thread=1
    inside loop i=3 thread=1
    inside loop i=0 thread=0
    inside loop i=1 thread=0
    
    int main()
    {
    #pragma omp parallel num_threads(4)
    	{
    		printf("outside loop thread=%d
    ", omp_get_thread_num());
    #pragma omp for
    		for (int i = 0; i < 4; i++)
    			printf("inside loop i=%d thread=%d
    ", i, omp_get_thread_num());
    	}
    }
    outside loop thread=0
    inside loop i=0 thread=0
    outside loop thread=2
    inside loop i=2 thread=2
    outside loop thread=1
    inside loop i=1 thread=1
    outside loop thread=3
    inside loop i=3 thread=3
    ```
    
    ### 使用工作分区
    
    ```
    // OpenMP2.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
    //
    
    #include "stdio.h"
    #include "omp.h"
    #include <windows.h>    //使用Sleep()函数需要包含此头文件
    
    int global = 88;
    #pragma omp threadprivate(global)
    
    int counter = 50;   //using threadprivate
    #pragma omp threadprivate(counter)
    
    void inc_counter() {
    	counter++;
    }
    
    int main()
    {
    #pragma omp parallel sections
    	{
    #pragma omp section
    		printf("section 1 thread=%d
    ", omp_get_thread_num());
    #pragma omp section
    		printf("section 2 thread=%d
    ", omp_get_thread_num());
    #pragma omp section
    		printf("sectino 3 thread=%d
    ", omp_get_thread_num());
    	}
    }
    ```
    
    ![](https://cdn.mathpix.com/snip/images/_6-xN-thZMv2sVisMgUOpmTDP5VFyBHORPYDhtcBxgg.original.fullsize.png)
    
    ## openmp线程同步
    
    提供了三种不同的互斥锁机制,分别是临界区,原子操作和库函数
    
    原子操作只能作用在语言内建的基本数据结构
    
    也可以加锁,比较安全
    
    ```
    omp_lock_t lock;
    omp_init_lock(&lock);
    omp_destroy_lock(&lock);
    omp_set_lock(&lock);
    omp_unset_lock(&lock);
    ```
    
    ## 隐含的同步屏障
    
    默认是把1-9分给了4个线程,执行完i的循环之后才可以输出finished,使用nowait后可以直接输出finished
    
    ```
    int main()
    {
    #pragma omp parallel
    	{
    #pragma omp for nowait
    		for (int i = 0; i < 9; i++)
    			printf("i=%d thread=%d
    ", i, omp_get_thread_num());
    
    		printf("finished
    ");
    	}
    }
    ```
    
    ```
    i=0 thread=0
    i=1 thread=0
    i=2 thread=0
    finished
    i=5 thread=2
    i=6 thread=2
    finished
    i=7 thread=3
    i=3 thread=1
    i=8 thread=3
    i=4 thread=1
    finished
    finished
    ```
    
    如果去掉nowait
    
    ```
    i=0 thread=0
    i=1 thread=0
    i=2 thread=0
    i=3 thread=1
    i=7 thread=3
    i=8 thread=3
    i=5 thread=2
    i=6 thread=2
    i=4 thread=1
    finished
    finished
    finished
    finished
    ```
    
    可以控制每个子任务之间的并行部分和串行部分,可以先执行并行最后串行.
    
    ```
    // OpenMP2.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
    //
    
    #include "stdio.h"
    #include "omp.h"
    #include <windows.h>    //使用Sleep()函数需要包含此头文件
    
    void work(int k)
    {
    	printf("并行--thread id =%d  k=%d
    ", omp_get_thread_num(), k);
    #pragma omp ordered
    	printf("order-id=%d k=%d
    ", omp_get_thread_num(), k);
    }
    void ordered_func(int lb, int ub, int stride)
    {
    	int i;
    #pragma omp parallel for ordered schedule(dynamic) num_threads(5)
    	for (i = lb; i < ub; i += stride)
    		work(i);
    }
    
    int main()
    {
    	ordered_func(0, 50, 5);
    }
    
    
    ```
    
    ![](https://cdn.mathpix.com/snip/images/e8isf-nDopr1tSsVmI1yDFGk9_KsXVQXEen5ye4eIx4.original.fullsize.png)
    
    并行执行的时候顺序
    后面的需要等待,所以就排在后面去了
    
    ## if子句的应用
    
    如果if成立,那么就并行执行,否则就串行执行
    
    [TOC]
    
    
    
    ## 火车卖票
    
    ```c++
    // OpenMP2.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
    //
    
    #include "stdio.h"
    #include "omp.h"
    #include <windows.h>    //使用Sleep()函数需要包含此头文件
    
    int num;
    omp_lock_t lock;
    int getnum()
    {
    	int temp = num;
    	//omp_set_nest_lock(&lock);
    #pragma omp atomic
    	num--;
    	//omp_unset_nest_lock(&lock);
    	return num+1;
    }
    
    
    void chushou(int i)
    {
    	
    	int s = getnum();
    	while (s >= 0)
    	{
    		omp_set_lock(&lock);
    		printf("站点%d卖掉了第%d张票
    ", i, s);
    		s = getnum();
    		omp_unset_lock(&lock);
    		Sleep(500);
    	}
    	
    	
    }
    int main()
    {
    	num = 100;
    	int myid;
    	omp_init_lock(&lock);
    #pragma omp parallel private(myid) num_threads(4)
    	
    	{
    		myid = omp_get_thread_num();
    		//printf("my id is:%d
    ", myid);
    		chushou(myid);
    	}
    	omp_destroy_lock(&lock);
    
    	return 0;
    }
    
    ```
    
    ## 生产消费循环队列
    
    ```c++
    
    
    #include "stdio.h"
    #include "omp.h"
    #include <windows.h>    //使用Sleep()函数需要包含此头文件
    
    int buf[5];//缓冲区的大小
    int poi;
    int poi2;
    int num;
    omp_lock_t lock;
    
    void shengchan()
    {
    	puts("shengchan");
    	while (true)
    	{
    		omp_set_lock(&lock);
    		if (num < 5)
    		{
    			while (buf[poi] == 1)poi = (poi + 1) % 5;
    			printf("生产者在%d位置上放置了一个
    ", poi);
    			buf[poi] = 1;
    			num++;
    			poi = (poi + 1) % 5;
    		}
    		omp_unset_lock(&lock);
    		Sleep(500);
    	}
    }
    
    void xiaofei()
    {
    	puts("xiaofei");
    	while (true)
    	{
    		omp_set_lock(&lock);
    		//printf("%d
    ", num);
    		if (num>=1)
    		{
    			
    			while (buf[poi2] == 0)poi2 = (poi2 + 1) % 5;
    			
    			printf("消费者在%d位置上消费了一个
    ", poi2);
    			buf[poi2] = 0;
    			num--;
    			
    		}
    		omp_unset_lock(&lock);
    		Sleep(500);
    	}
    }
    int main()
    {
    	omp_init_lock(&lock);
    #pragma omp parallel sections num_threads(2)
    	{
    #pragma omp section
    		shengchan();
    #pragma omp section
    		xiaofei();
    	}
    	omp_destroy_lock(&lock);
    	return 0;
    }
    ```
    
    ## 蒙特卡洛圆周率
    
    ```c++
    
    
    #include "stdio.h"
    #include "omp.h"
    #include <windows.h>    //使用Sleep()函数需要包含此头文件
    #include<time.h>
    #include<iostream>
    
    using namespace std;
    double distance(double x, double y)
    {
    	return sqrt((x - 0.5) * (x - 0.5) + (y - 0.5) * (y - 0.5));
    }
    
    bool judge(double x,double y)
    {
    	return distance(x, y) <= 0.5;
    }
    int in_num;
    
    int main()
    {
    	/*
    	for (int i = 1; i <= 5; i++)
    	{
    		cout << rand() / (double)RAND_MAX << endl;
    	}*/
    	
    	bool flag = false;
    	double x;
    	double y;
    #pragma omp for private(flag,x,y)
    	for (int i = 1; i <= 10000; i++)
    	{
    		x = rand() / (double)RAND_MAX;
    		y = rand() / (double)RAND_MAX;
    		flag = judge(x,y);
    		if (flag)
    		{
    #pragma omp atomic
    			in_num++;
    		}
    		
    
    	}
    	double ans = (double)in_num / 10000;
    	cout << ans*4 << endl;
    	
    }
    
    ```
    
    ## 多线程二维数组和解法1 firstprivate+atomic
    
    ```c++
    
    
    #include "stdio.h"
    #include "omp.h"
    #include <windows.h>    //使用Sleep()函数需要包含此头文件
    #include<time.h>
    #include<iostream>
    
    using namespace std;
    int a[5][5] = { {1,1,1,1,1},{2,2,2,2,2},{3,3,3,3,3},{4,4,4,4,4},{5,5,5,5,5} };
    int final_ans = 0;
    void increase(int temp_sum)
    {
    #pragma omp atomic
    	final_ans += temp_sum;
    }
    int main()
    {
    	int temp_sum=0;
    	int i,j;
    #pragma omp parallel for private(i,j) firstprivate(temp_sum) num_threads(5)//每个线程必须一致,或者采用ppt上的例子进行划分
    	// firstprivate(temp_sum) reduction(+:temp_sum) 这两个不能同时出现
    	for (i = 0; i <= 4; i++)
    	{
    		//temp_sum += 1;
    		//printf("%d 当前的temp_sum值为%d
    ",i, temp_sum);
    		for (j = 0; j <= 4; j++)
    		{
    			temp_sum += a[i][j];
    		}
    		printf("temp_sum is %d
    ", temp_sum);
    		increase(temp_sum);
    
    
    	}
    	printf("%d
    ", final_ans);
    	return 0;
    }
    ```
    
    ## 多线程二维数组解法2 线程可以不用对应数量
    
    ```
    
    
    #include "stdio.h"
    #include "omp.h"
    #include <windows.h>    //使用Sleep()函数需要包含此头文件
    #include<time.h>
    #include<iostream>
    
    using namespace std;
    int a[5][5] = { {1,1,1,1,1},{2,2,2,2,2},{3,3,3,3,3},{4,4,4,4,4},{5,5,5,5,5} };
    int ans_buf[5];
    int main()
    {
    	int i, j;
    #pragma omp parallel for num_threads(3) private(j)
    	for (int i = 0; i <= 4; i++)
    	{
    		for (int j = 0; j <= 4; j++)
    		{
    			ans_buf[i] += a[i][j];
    		}
    	}
    	int sum = 0;
    	for (int i = 0; i <= 4; i++)
    		sum += ans_buf[i];
    	printf("%d
    ", sum);
    }
    ```
    
    
    
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    4.多线程斐波那契数列(有点难)
    
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    6.3节点有5个人要去0     0节点有5个人要去3 防死锁
    
    ![](https://cdn.mathpix.com/snip/images/Q6wKBNepMdElqzyvI_UPG1xh-ESfd5cZZvo6CQd7M7Q.original.fullsize.png)
    
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