电商系统设计到开发03 引入Kafka异步削峰

一、前言

系统设计:电商系统设计到开发01 第一版设计到编码-CSDN博客

接着上篇文章:电商系统设计到开发02 单机性能压测-CSDN博客

本篇为大制作,内容有点多,也比较干货,希望可以耐心看看

已经开发的代码,并对其下单接口进行了压力测试压力测试,该接口一个请求需要查询数据库4次,更新4次 ,插入2次,总共访问数据库10次,其中2个事务,3次查询是加锁查询,还有 1 次 rpc 请求,单实例情况下吞吐量为110/s

今天我们将其引入Kafka,看看吞吐量会有多少的提升,又会引入什么新的问题呢?

Kafka的安装流程:SpringBoot3.1.7集成Kafka和Kafka安装-CSDN博客

二、流程图

三、要求

保证消息的精准一次,不能多下单,也不能少下单

因为订单提交改成了异步创建,那么后端不会立即返回下单结果,所以一般需要前端也配合着改动,我们现在暂时不考虑前端的具体实现,但是另外一个问题就是消息要做到精准一次,不能多下订单,也不能少下订单,后面我们会进行破坏性测试,然后验证是否可以做到保证消息的精准一次

1 生产者保证消息不丢失

配置生产者的acks = all (表示要等到Kafka集群中所有的isr队列里的的broker落盘以后才返回确认)

2 kafka集群保证消息不丢失

要保证服务器不丢消息:min.insync.replicas 要设置为>1 (只要不是2台服务同时宕机就不会丢消息) Kafka 2.6.0 版本引入了针对 Topic 的 min.insync.replicas 配置,允许您为每个 Topic 单独设置 ISR 的最小副本数。在这之前,min.insync.replicas 配置是全局的,适用于所有 Topic。

3  消费者保障消息不丢失

取消自动提交offset,spring: kafka: consumer:enable:auto:commit: false ,等消息成功消费后手动提交消息的offset

4 保证消息不多发

enable.idempotence(生产者配置)可以保证消息不多发(默认是true,可以不用配置)

四、Kafka集群服务端配置

条件有限,我暂时在一台1核2G的Centos虚拟机上面配置并启动3个Kafka实例实现伪分布式集群,启动模式采用的是Kraft模式,Kafka集群端口分别为9093,9193,9293

1 复制3分Kafka实例

2 配置服务配置

kafka00/config/kraft/server.properties

kafka01/config/kraft/server.properties

kafka02/config/kraft/server.properties

3 初始化Kafka

先生成一个集群ID

KAFKA_CLUSTER_ID="$(bin/kafka-storage.sh random-uuid)"

然后分别在Kafka00、Kafka01、Kafka02的目录下执行下面初始化命令

bin/kafka-storage.sh format -t $KAFKA_CLUSTER_ID -c config/kraft/server.properties

确认一下,他们3个的集群ID是否相同

4 启动Kafka集群

编写启动脚本

nohup kafka00/bin/kafka-server-start.sh kafka00/config/kraft/server.properties >kafka00/out.log 2>&1 &
nohup kafka01/bin/kafka-server-start.sh kafka01/config/kraft/server.properties >kafka01/out.log 2>&1 &
nohup kafka02/bin/kafka-server-start.sh kafka02/config/kraft/server.properties >kafka02/out.log 2>&1 &

执行,启动成功了

5 创建一个订单topic

找到Kafka目录,输入bin/kafka-topics.sh,如果不知道如何填参数,可以先按下回车,会列举所有的参数选项,我这边创建一个topic名称为order-message-topic,分区数为2,副本为3

bin/kafka-topics.sh  --bootstrap-server localhost:9092 --create --topic order-message-topic  --partitions 2 --replication-factor 3 --config min.insync.replicas=2 

创建完成,我们看一眼刚刚已创建的topic

bin/kafka-topics.sh  --bootstrap-server localhost:9092 --describe --topic order-message-topic

这里有个小插曲:

本来想安装一个Kafka的可视化界面,因为我使用的是去zookeeper化的Kraft模式启动,市面上居然还没有支持这种模式的界面,看看Kafka-manager CMAK 已经在催更了

五、应用程序开发

1 配置Kafka参数到应用程序的application.yml

spring:
  kafka:
    bootstrap-servers: 192.168.31.114:9092,192.168.31.114:9192,192.168.31.114:9292
    producer:
      acks: all
      timeout.ms: 5000
      retries: 3
      # 值序列化:使用Json
      value-serializer: org.springframework.kafka.support.serializer.JsonSerializer
      key-serializer: org.apache.kafka.common.serialization.LongSerializer
      enable:
        idempotence: true # 默认为True

# 因为消费者需要更加细粒度的控制,所以单独写配置文件
kafka-consumer:
  bootstrapServers: 192.168.31.114:9092,192.168.31.114:9192,192.168.31.114:9292
  groupId: goods-center
  #后台的心跳线程必须在30秒之内提交心跳,否则会reBalance
  sessionTimeOut: 30000
  autoOffsetReset: latest
  #取消自动提交,即便如此 spring会帮助我们自动提交
  enableAutoCommit: false
  #自动提交间隔
  autoCommitInterval: 1000
  #拉取的最小字节
  fetchMinSize: 1
  #拉去最小字节的最大等待时间
  fetchMaxWait: 500
  maxPollRecords: 100
  #300秒的提交间隔,如果程序大于300秒提交,会报错
  maxPollInterval: 300000
  #心跳间隔
  heartbeatInterval: 10000
  keyDeserializer: org.apache.kafka.common.serialization.LongDeserializer
  valueDeserializer: org.springframework.kafka.support.serializer.JsonDeserializer

2 编写生成者代码发送订单信息

kafkaTemplate.send 方法采用的是异步发送,先将消息发送到缓冲区,然后再批量打包异步发送出去,从而提高Kafka的性能,但是这样操作,可能会导致消息的丢失,然后前端认为消息已经发送出去了,解决这种方式,可以采用同步等待消息发送的结果,代码如下
package com.ychen.goodscenter.fafka;


import com.ychen.goodscenter.vo.req.SubmitOrderReq;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.kafka.core.KafkaTemplate;
import org.springframework.kafka.support.SendResult;
import org.springframework.stereotype.Component;

import java.util.concurrent.CompletableFuture;

@Component
@Slf4j
public class MessageProducer {
    @Autowired
    private KafkaTemplate<Long, SubmitOrderReq> kafkaTemplate;

    public void sendOrderMessageSync(SubmitOrderReq msg) {
        CompletableFuture<SendResult<Long, SubmitOrderReq>> future =
                kafkaTemplate.send(TopicConstants.ORDER_MESSAGE_TOPIC, msg.getOrderId(), msg);
        try {
            // 同步等待发送结果
            SendResult<Long, SubmitOrderReq> result = future.get();
            // 处理成功发送的情况
            log.info("order-message-topic message send successfully: " + result.getRecordMetadata().toString());
        } catch (Exception e) {
            // 处理发送失败的情况
            log.info("order-message-topic message send error message: " + e.getMessage());
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}
package com.ychen.goodscenter.controllers;

import com.ychen.framework.utils.Result;
import com.ychen.framework.utils.SnowFlakeUtils;
import com.ychen.goodscenter.entity.OrderInfo;
import com.ychen.goodscenter.fafka.MessageProducer;
import com.ychen.goodscenter.service.OrderService;
import com.ychen.goodscenter.vo.req.SubmitOrderReq;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.web.bind.annotation.PostMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestBody;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;


@RestController
public class OrderController {
    @Autowired
    private MessageProducer messageProducer;

    @PostMapping("/submitOrderAsync")
    public Result submitOrderAsync(@RequestBody SubmitOrderReq req) {
        // 生成订单ID,消息幂等处理
        req.setOrderId(SnowFlakeUtils.nextId());
        messageProducer.sendOrderMessageSync(req);
        return Result.ok();
    }
}

3 编写消费者代码

为了更加细粒度的控制消费者的消费失败处理,所以单独写配置文件,并且通过自定义KafkaListenerContainerFactory的方式实现

  1. 手动提交
  2. 消息消费失败重试3次
  3. 重试3次仍然失败后会将消息保存到Kafka的死信队列
KafkaConsumerProperties
package com.ychen.goodscenter.fafka;

import lombok.Getter;
import lombok.Setter;
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerConfig;
import org.springframework.boot.context.properties.ConfigurationProperties;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

@Configuration
//指定配置文件的前缀
@ConfigurationProperties(prefix = "kafka-consumer")
@Getter
@Setter
public class KafkaConsumerProperties {
 
    private String groupId;
 
    private String sessionTimeOut;
 
    private String bootstrapServers;
 
    private String autoOffsetReset;
 
    private boolean enableAutoCommit;
 
    private String autoCommitInterval;
 
    private String fetchMinSize;
 
    private String fetchMaxWait;
 
    private String maxPollRecords;
 
    private String maxPollInterval;
 
    private String heartbeatInterval;
 
    private String keyDeserializer;
 
    private String valueDeserializer;

    public Map<String, Object> consumerConfigs() {
        Map<String, Object> propsMap = new HashMap<>();
        // 服务器地址
        propsMap.put(ConsumerConfig.BOOTSTRAP_SERVERS_CONFIG, bootstrapServers);
        // 是否自动提交
        propsMap.put(ConsumerConfig.ENABLE_AUTO_COMMIT_CONFIG, enableAutoCommit);
        // 自动提交间隔
        propsMap.put(ConsumerConfig.AUTO_COMMIT_INTERVAL_MS_CONFIG, autoCommitInterval);

        //会话时间
        propsMap.put(ConsumerConfig.SESSION_TIMEOUT_MS_CONFIG, sessionTimeOut);
        //key序列化
        propsMap.put(ConsumerConfig.KEY_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG, keyDeserializer);
        //value序列化
        propsMap.put(ConsumerConfig.VALUE_DESERIALIZER_CLASS_CONFIG, valueDeserializer);
        // 心跳时间
        propsMap.put(ConsumerConfig.HEARTBEAT_INTERVAL_MS_CONFIG, heartbeatInterval);

        // 分组id
        propsMap.put(ConsumerConfig.GROUP_ID_CONFIG, groupId);
        //消费策略
        propsMap.put(ConsumerConfig.AUTO_OFFSET_RESET_CONFIG, autoOffsetReset);
        // poll记录数
        propsMap.put(ConsumerConfig.MAX_POLL_RECORDS_CONFIG, maxPollRecords);
        //poll时间
        propsMap.put(ConsumerConfig.MAX_POLL_INTERVAL_MS_CONFIG, maxPollInterval);

        propsMap.put("spring.json.trusted.packages", "com.ychen.**");

        return propsMap;
    }

}
KafkaConsumerConfig
package com.ychen.goodscenter.fafka;

import com.alibaba.fastjson2.JSONObject;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.boot.context.properties.EnableConfigurationProperties;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.kafka.config.ConcurrentKafkaListenerContainerFactory;
import org.springframework.kafka.config.KafkaListenerContainerFactory;
import org.springframework.kafka.core.ConsumerFactory;
import org.springframework.kafka.core.DefaultKafkaConsumerFactory;
import org.springframework.kafka.core.KafkaTemplate;
import org.springframework.kafka.listener.*;
import org.springframework.util.backoff.BackOff;
import org.springframework.util.backoff.FixedBackOff;

import java.util.Map;

@Configuration
@EnableConfigurationProperties(KafkaConsumerProperties.class)
@Slf4j
public class KafkaConsumerConfig {
    @Autowired
    private KafkaConsumerProperties kafkaConsumerProperties;

    @Autowired
    private KafkaTemplate<String, String> kafkaTemplate;

    @Bean
    public KafkaListenerContainerFactory<ConcurrentMessageListenerContainer<String, String>> kafkaListenerContainerFactory() {
        ConcurrentKafkaListenerContainerFactory<String, String> factory = new ConcurrentKafkaListenerContainerFactory<>();
        factory.setConsumerFactory(consumerFactory());
        // 并发数 多个微服务实例会均分
        factory.setConcurrency(2);
//        factory.setBatchListener(true);
        factory.setCommonErrorHandler(commonErrorHandler());

        ContainerProperties containerProperties = factory.getContainerProperties();
        // 是否设置手动提交
        containerProperties.setAckMode(ContainerProperties.AckMode.MANUAL_IMMEDIATE);

        return factory;
    }
    
    private ConsumerFactory<String, String> consumerFactory() {
        Map<String, Object> consumerConfigs = kafkaConsumerProperties.consumerConfigs();
        log.info("消费者的配置信息:{}", JSONObject.toJSONString(consumerConfigs));
        return new DefaultKafkaConsumerFactory<>(consumerConfigs);
    }
    
    public CommonErrorHandler commonErrorHandler() {
        // 创建 FixedBackOff 对象
        BackOff backOff = new FixedBackOff(5000L, 3L);

        DefaultErrorHandler defaultErrorHandler = new DefaultErrorHandler(new DeadLetterPublishingRecoverer(kafkaTemplate), backOff);

        return defaultErrorHandler;
    }
}
MessageListener
package com.ychen.goodscenter.fafka;

import com.ychen.goodscenter.service.OrderService;
import com.ychen.goodscenter.vo.req.SubmitOrderReq;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.apache.kafka.clients.consumer.ConsumerRecord;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.dao.DuplicateKeyException;
import org.springframework.kafka.annotation.KafkaListener;
import org.springframework.kafka.support.Acknowledgment;
import org.springframework.stereotype.Component;

@Component
@Slf4j
public class MessageListener {
    @Autowired
    private OrderService orderService;

    @KafkaListener(topics = TopicConstants.ORDER_MESSAGE_TOPIC, containerFactory = "kafkaListenerContainerFactory")
    public void processMessage(ConsumerRecord<Long, SubmitOrderReq> record, Acknowledgment acknowledgment) {
        log.info("order-message-topic message Listener, Thread ID: " + Thread.currentThread().getId());

        try {
            log.info("order-message-topic message received, orderId: {}", record.value().getOrderId());

            orderService.submitOrder(record.value());
            // 同步提交
            acknowledgment.acknowledge();
            log.info("order-message-topic message acked: orderId: {}", record.value().getOrderId());
        } catch (DuplicateKeyException dupe) {
            // 处理异常情况
            log.error("order-message-topic message error DuplicateKeyException", dupe);
            // 重复数据,忽略掉,同步提交
            acknowledgment.acknowledge();
        }
    }
}

六、整体并发测试

接着上次的测试进行改正:电商系统设计到开发02 单机性能压测-CSDN博客

1 数据准备

用户数:100w,用户ID 1~100_0000,每个用户余额 10w

商品数:100w,商品ID  1~100_0000, 单价都为1元,数量均为1亿件,商家ID均为 100

模拟:1w个用户同时抢购同一件商品

通过查询订单数,账户总金额来核对来验证程序是否正确

测试前总金额为1000 0000 0000

通过查看Jmeter的聚合报告看接口的吞吐量

2 机器准备

我的本地window电脑作为测试机器(i7 13代处理器,32G内存+1T固态硬盘)

使用Wmware 虚拟了4台Centos机器分别是

Centos00 ,1CPU + 2G内存+  20G固态硬盘   |  部署 Consul server,Sentinel Dashboard

Centos01 ,1CPU + 1G内存+  20G固态硬盘   |  部署 MySQL5.7.44

Centos02 ,1CPU + 1G内存+  20G固态硬盘   |  部署 user-center

Centos03 ,1CPU + 1G内存+  20G固态硬盘   |  部署 goods-center

Centos04 ,1CPU + 3G内存+  20G固态硬盘   |  部署 kafka3.5 kraft 3个broker集群模式

 3 压测脚本

随机1w个用户,模拟下订单操作

4 压测 (10000个样本)

100个线程,循环100次

查看结果:

数据库 10000个订单,符合预期,总金额1000 0000 0000符合预期,程序没有问题

聚合报告 (用户请求的吞吐量为295)

kafka消费者总耗时:480秒 

吞吐量 = 10000/480 = 20.8

5 压测总结

下图为没有使用kafka100个线程并发下单的接口测试报告

对比上次没由使用kafka的接口,用户吞请求吐量增加了将近3倍,平均响应时间下降为原来的1/3

但是业务吞吐量,却只有原来的1/5 不到,从查看消费者日志我们可以看到,因为只有一台消费者且用的都是同一个线程,自然吞吐量会很低,下一步,我们考虑如何提升消息吞吐量

七、提升生产者吞吐量

说明:每一步性能的提升,都可能会导致数据安全性的减少

1 生产者相应同步改异步

为了不受消费者影响,我们在启动程序时,先注销消费者代码

单独测试只有生产者代码时的吞吐量,另外加大线上数和循环次数,让差距更加明显一点

采用200线程,200次循环

改造代码,改成默认的异步发送到Kafka,这个改动将有丢失消息的风险

改造前

    public void sendOrderMessageSync(SubmitOrderReq msg) {
        CompletableFuture<SendResult<Long, SubmitOrderReq>> future =
                kafkaTemplate.send(TopicConstants.ORDER_MESSAGE_TOPIC, msg.getOrderId(), msg);
        try {
            // 同步等待发送结果
            SendResult<Long, SubmitOrderReq> result = future.get();
            // 处理成功发送的情况
            log.info("order-message-topic message send successfully: " + result.getRecordMetadata().toString());
        } catch (Exception e) {
            // 处理发送失败的情况
            log.info("order-message-topic message send error message: " + e.getMessage());
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

改造后

    public void sendOrderMessage(SubmitOrderReq msg) {
        log.info("order-message-topic message sending, orderId: {}", msg.getOrderId());
        kafkaTemplate.send(TopicConstants.ORDER_MESSAGE_TOPIC, msg.getOrderId(), msg);
        log.info("order-message-topic message sent, orderId: {}", msg.getOrderId());
    }

改造前吞吐量595

改造后吞吐量663

这种改造提升不明显,吞吐量有微量的提升,不过中位数时延降的比较明显(毕竟是异步立即返回)

2 生产者ack = all 改成ack = 1

表示只要只要master收到消息并落盘就可以返回了

 改造前吞吐量595

改造后吞吐量616

提升不是很明显,可能是因为我使用的是伪集群模式,3台实例都部署在同一个虚拟机中

八、提升消费者吞吐量

这一步,没有部署监视器(前面说了使用Kraft模式部署,太新了,目前可部署的监控还没找到),只能我使用手动计时测试

统计5分钟,数据库生成的订单数

改造前,我们使用之前已经测试过的吞吐量数据 20 

1 增加并发数

执行5分钟后,生成的订单数为:10114

吞吐量为: 10114 / 300 = 33 

原因:因为我创建分区的时候指定的分区数为2,那么即使并发数设置为8,那么也最多只能运行2个线程消费,从下面日志中能验证这一点

2 增加topic分区数

将分区数从2个增加到8个,执行下面命令

bin/kafka-topics.sh --bootstrap-server localhost:9092 --alter --topic order-message-topic --partitions 8

然后发送一些消息到新的分区用于测试

消息准备的好了,清空数据库的订单,开始测试,这次有8个线程进行消费了

测试结果:

吞吐量为: 17910/ 300 = 59

原因:比原来的20吞吐量,已经提升了将近3倍,没有引入Kafka的情况下吞吐量为110,毕竟只有8个线程消费,最高吞吐量的线程数量

3 提交offset改成批量提交

代码改动如下:

// 改动前
containerProperties.setAckMode(ContainerProperties.AckMode.MANUAL_IMMEDIATE);

// 改动后
containerProperties.setAckMode(ContainerProperties.AckMode.MANUAL);

在本章第2步的基础上改进的,所以一会对比第2步

测试结果:

吞吐量为: 18269/ 300 = 60

原因:相对第二步提升不明显,理论上能提升一点点,但是不明显

4 增加消费者机器消费

仍然是8个分区,由原来1台实例,改成现在2台实例,看看吞吐量

在本章第3步的基础改动

测试结果:

吞吐量为: 16878/ 300 = 56

原因:可能是我本地Window的机器消费能力不如Linux虚拟机的消费能力,但是大致看上去,启动2台实例去消费8个分区和启动一台实例开启8个线程去消费8个分区的消费能力是差不多的,当然需要的条件是吞吐量瓶颈不在CPU资源和网络资源上,我的推断我的程序的瓶颈在于数据库,那么8个线程用到的数据库连接数为8个,那么这8个线程决定了吞吐量的大小,为了验证这一猜想,我决定还是增加一小节,将分区数增加到20,并发数增加到20

5 增加分区和并发数为20

20个分区的数据准备好了,接下来开始测试吧

测试结果:

吞吐量为: 18882/ 300 = 62

原因:相比于第3步,增加的不是很明显,说明再提升并发数,性能已经不是很明显了,说明瓶颈不是在这里,要继续优化,估计只能从代码处入手了。

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&#x1f525;在信息安全领域&#xff0c;CISP-PTE认证正逐渐成为行业的新星。作为中国信息安全测评中心推出的专业认证&#xff0c;CISP-PTE为信息安全从业者提供了国内Z高标准的资质培训。 &#x1f3af;为什么选择CISP-PTE&#xff1f; 1️⃣业界认可&#xff1a;CISP-PTE是…

JAVA_EE_api_中英文对照版

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STM32标准库——(3)GPIO输入

1.按键简介 按键&#xff1a;常见的输入设备&#xff0c;按下导通&#xff0c;松手断开 按键抖动&#xff1a;由于按键内部使用的是机械式弹簧片来进行通断的&#xff0c;所以在按下和松手的瞬间会伴随有一连串的抖动 1.1 硬件电路图 上面两个是外加上拉电阻&#xff08;常用…

Python学习从0到1 day9 Python函数

苦难是花开的伏笔 ——24.1.25 函数 1.定义 函数&#xff1a;是组织好的&#xff0c;可重复使用的&#xff0c;用来实现特定功能的代码段 2.案例 在pycharm中完成一个案例需求&#xff1a;不使用内置函数len&#xff08;&#xff09;&#xff0c;完成字符串长度的计算 #统计字…

MyBatis 批量插入数据优化

前言 最近在项目上遇到了批量插入的场景问题&#xff0c;由于每次需要插入超过 10w 的数据量并且字段也蛮多的导致如果使用循环单次插入的方式插入数据插入的效率不高。相信读者们在实际开发中也遇到过这样类似的场景&#xff0c;那么批量插入如何实现呢&#xff1f; 其实我也…

分寝室

L1-7 分寝室 分数 20 作者 陈越 单位 浙江大学 学校新建了宿舍楼&#xff0c;共有 n 间寝室。等待分配的学生中&#xff0c;有女生 n0​ 位、男生 n1​ 位。所有待分配…

Vue使用svg图片-svg-sprite-loader插件

需求&#xff1a;设计给的一个按钮图标是svg的&#xff0c;不是element自带的图标使用插件svg-sprite-loader svg-sprite-loader 什么是svg-sprite-loader&#xff1f; 将多个 svg 打包成 svg-sprite。svg 雪碧图。类似于 CSS 中的 Sprite 技术。图标图形整合在 一起&#xf…

爆火《幻兽帕鲁》被指用AI缝合宝可梦,开发者自曝传奇经历:是人类的奇迹

梦晨 克雷西 发自 凹非寺 量子位 | 公众号 QbitAI 4天卖出600万份&#xff0c;爆火游戏《幻兽帕鲁》最高180万人同时在线&#xff0c;直接登顶。 这个成绩&#xff0c;甚至在整个Steam游戏平台历史上也能排到第二&#xff0c;连平台自家王牌CS2都被挤下去了。 同时&#xff0…

NGINX如何实现rtmp推流服务

最近直播大火&#xff0c;直播推流软件遍地开花&#xff0c;那么用NGINX如何进行推流呢&#xff1f;下面我们就简单的介绍一下用NGINX的rtmp模块如何实现视频推流&#xff0c;我们主要从一下几点介绍&#xff1a; 推流拉流推流认证拉流认证 package mainimport ("fmt&qu…
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