非尋常方式學習ApacheTomcat架構及10.0.12源碼編譯

2021 年 12 月 7 日
筆記
JAVA, 大廠面試, 經驗分享

概述

開啟部落格分享已近三個月，感謝所有花時間精力和小編一路學習和成長的夥伴們，有你們的支援，我們繼續再接再厲
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定義

Tomcat官網 //tomcat.apache.org/

Apache Tomcat軟體是Jakarta Servlet、Jakarta Server Pages、Jakarta Expression Language、Jakarta WebSocket、Jakarta annotation和Jakarta Authentication規範的開源實現。簡單來說也是一個基於Servlet、JSP規範的輕量級Web應用伺服器，在中小型系統和並發訪問用戶不是很多的場合下被普遍使用，也是大部分Java技術棧開發和調試Web程式的首選，目前官方最新版本為10.0.12 Released，而10.1.0-M6 Released還是alpha階段。

Tomcat最初是由Sun的軟體架構師詹姆斯·鄧肯·戴維森開發的，後來他幫助將其變為開源項目，並由Sun貢獻給Apache軟體基金會，成為Apache的定級項目

Tomcat、Jetty、Undertow這幾個都是非常有名實現Servlet規範的應用伺服器，Tomcat本身也是業界上非常優秀的中間件，簡單可可以將Tomcat看成是一個Http伺服器+Servlet容器，Servlet 容器是管理和運行 Servlet 的；相信大家對這隻三腳貓Logo都是非常熟悉了，不管是在學校和還是工作都經常使用它，特別是Java程式設計師最初學習編程都經歷過在Idea或Eclipse中配置Tomcat啟動Web項目，當然還可以通過基於tomcat maven插件或者SpringBoot內嵌web容器（我們在前面《Spring Boot淺聊入門v2.5.3文章》說到Spring Boot內嵌Tomcat容器其實就是New 創建Tomcat的實例）方式調試運行。

Servlet簡介

大家都非常了解Java Web的三大組件Servlet，Filter，Listener，但我們本篇決定不展開聊Servlet規範部分，當前面試官也會讓你談談對於Servlet的理解，我們這裡只是簡單提下後續有時間再針對Servlet相關知道再來深入研究分析，這裡主要為了學習tomcat架構實現而簡單說下Servlet容器工作流程：

Web客戶向Servlet容器（比如tomcat）發出Http請求；
Servlet容器解析Web客戶的Http請求；
Servlet容器創建一個HttpRequest對象，在這個對象中封裝Http請求資訊；
Servlet容器創建一個HttpResponse對象；
Servlet容器調用HttpServlet的service方法，把HttpRequest和HttpResponse對象作為service方法的參數傳給HttpServlet對象；
- HttpServlet事實上是servlet的一種子類實例也是最一般的實例。當編寫一個servlet時,必須直接或間接實現servlet介面,最可能實現的方法就是擴展javax.servlet.genericservlet或javax.servlet.http.httpservlet，其中genericservlet類提供了servlet介面的基本實現,httpservlet類擴展了genericservlet並且提供了servlet介面中具體於http的實現。
HttpServlet調用HttpRequest的有關方法，獲取HTTP請求資訊；
HttpServlet調用HttpResponse的有關方法，生成響應數據；
- 一般通過HttpServletRequest和HttpServletResponse獲取HTTP請求資訊和返迴響應。事實上servlet理論上可以處理多種形式的請求響應形式 http只是其中之一所以HttpServletRequest HttpServletResponse分別是ServletRequest和ServletResponse的子類。一般，HttpServlet對應HttpServletRequest和HttpServletResponse。
Servlet容器把HttpServlet的響應結果傳給Web客戶。

官方用戶指南

Tomcat10.0官方用戶指南 //tomcat.apache.org/tomcat-10.0-doc/index.html

簡單安裝

#安裝Tomcat需要先保證有安裝JDK環境，建議JDK版本為8以上，JDK17現在都已可用了
#解壓文件
unzip apache-tomcat-10.0.12.zip
#進入目錄
cd apache-tomcat-10.0.12/bin
#啟動tomcat
./startup.sh
#查看默認配置8080埠服務是否啟動
netstat -lntp | grep 8080

架構源碼剖析

整體架構

Tomcat源碼中大量使用模板方法和適配器的設計模式，封裝很多的組件，組件之間呈現出明顯的層級關係，一層套著一層，這就是經典的套娃式架構設計；個人推薦從tomca配置文件開始理解其架構這個也是基於套娃式架構設計的優點得來。Tomcat 模組分層結構及相關模組的功能說明如下圖：

Tomcat 核心組件架構圖如下所示：

上面有些功能我們可以通過上面的1.3章節提供的官方用戶指南查閱到相關資訊，這裡簡單羅列幾條說明

Listener 組件
- 可以在 Tomcat 生命周期中完成某些容器相關的監聽器。
JNDI
- JNDI是 Java 命名與目錄介面，是屬於 J2EE 規範的，Tomcat 對其進行了實現。JNDI 在 J2EE 中的角色就是「交換機」，即 J2EE 組件在運行時間接地查找其他組件、資源或服務的通用機制（你可以簡單理解為給資源取個名字，再根據名字來找資源）。
Cluster 組件
- 提供了集群功能，可以將對應容器需要共享的數據同步到集群中的其他 Tomcat 實例中。
Realm 組件
- 提供了容器級別的用戶-密碼-許可權的數據對象，配合資源認證模組使用。
Loader 組件
- Web 應用載入器，用於載入 Web 應用的資源，它要保證不同 Web 應用之間的資源隔離。
Manager 組件
- Servlet 映射器，它屬於 Context 內部的路由映射器，只負責該 Context 容器的路由導航。

Catalina 是 Tomcat 中的一個重要組件，它負責的是解析 Tomcat 的配置文件（server.xml），以此來創建伺服器 Server 組件並進行管理。下面是Tomcat的conf目錄下大名鼎鼎server.xml核心配置的內容結構，Server-Service-(Connector+Engine)，在GlobalNamingResouce 域中可以定義全局資源 tomcat-user.xml，在web.xml文件中也有常見如session-config配置session超時時間默認是30分鐘。

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<Server port="8005" shutdown="SHUTDOWN">
  <Listener className="org.apache.catalina.startup.VersionLoggerListener" />
  <GlobalNamingResources>
    <Resource name="UserDatabase" auth="Container"
              type="org.apache.catalina.UserDatabase"
              description="User database that can be updated and saved"
              factory="org.apache.catalina.users.MemoryUserDatabaseFactory"
              pathname="conf/tomcat-users.xml" />
  </GlobalNamingResources>
  <Service name="Catalina">
    <Executor name="tomcatThreadPool" namePrefix="catalina-exec-"
        maxThreads="150" minSpareThreads="4"/>
    <Connector executor="tomcatThreadPool"
               port="8080" protocol="HTTP/1.1"
               connectionTimeout="20000"
               redirectPort="8443" />
    </Connector>
    <Engine name="Catalina" defaultHost="localhost">
      <Realm className="org.apache.catalina.realm.LockOutRealm">
        <Realm className="org.apache.catalina.realm.UserDatabaseRealm"
               resourceName="UserDatabase"/>
      </Realm>
      <Host name="localhost"  appBase="webapps"
            unpackWARs="true" autoDeploy="true">
        <Valve className="org.apache.catalina.valves.AccessLogValve" directory="logs"
               prefix="localhost_access_log" suffix=".txt"
               pattern="%h %l %u %t &quot;%r&quot; %s %b" />
      </Host>
    </Engine>
  </Service>
</Server>

Server ：代表了一個 Tomcat 實例，包含了 Servlet 容器以及其他組件，負責組裝並啟動 Servlet 引擎、Tomcat 連接器。每個Tomcat都只有一個Server，表示整個服務環境。一個Server中可以有多個Service。Server就管理多個Service。tomcat源碼中服務繼承自LifeCycle，tomcat服務組件頂層介面，有唯一實現StandardServer。
Service：服務是 Server 內部的組件，一個Server中可以有多個Service，它將若干個 Connector 組件綁定到一個 Container，每一個Service中可以有多個Connector和一個Container(Engine)。
- Connector主要用來接收請求，解析請求內容，封裝request和response，然後將準備好的數據交給Container處理。
- Container就是我們常說的容器，裡面可以有多個Host,一個host表示一個虛擬主機，就是一個對應一個WebApps. 最後Container處理完請求之後會將響應內容返回給Connecter,再由Connecter返回給客戶端。
- Executor 執行器：tomcat執行緒池的配置，提供給Connector。
Connecter：負責處理用戶的 servlet 請求，並返回對象給 web 用戶的模組

我們知道tomcat是處理http的請求，意味著tomcat使用的是 HTTP 協議進行數據傳輸，而HTTP 協議是一種應用層協議，其本質就是一種瀏覽器與伺服器之間約定好的通訊格式，因此tomcat作為一個Http伺服器需要包含接受連接、解析請求數據、處理請求和發送響應這幾大塊功能。在這裡我們再分析tomcat最核心的兩個功能：

處理 Socket 連接，負責網路位元組流與 Request 和 Response 對象的轉化。
載入和管理 Servlet，由 Servlet 具體負責處理 Request 請求。

Tomcat 最底層使用的是Socket進行連接的，所以這裡也涉及網路IO模型，通過socket監聽本機埠，接收和處理監聽埠的網路請求，Request和Response是按照Http協議來封裝的，所以Connector同時需要實現TCP/IP協議和Http協議；基於核心功能Tomcat 設計了兩個核心組件連接器（Connector）和容器（Container）來分別實現，連接器複雜對外接收和解析請求，封裝request和response,最後把數據交給Containner，容器負責內部處理。

網路通訊。
應用層協議解析。
Tomcat Request/Response 與 ServletRequest/ServletResponse 的轉化。

連接器

連接器主要需要完成以下三個核心功能：

socket 通訊，也就是網路通訊。
應用層協議解析，解析處理應用層協議，封裝成一個 Request 對象。
將 Request 轉換為 ServletRequest，將 Response 轉換為 ServletResponse。

Tomcat 通過 EndPoint、Processor 和 Adapter這 3 個組件來實現連接器，這三個組件之間通過抽象介面進行交互。從一個請求的正向流程來看， Endpoint 負責提供請求位元組流給 Processor，Processor 負責提供 Tomcat 定義的 Request 對象給 Adapter，Adapter 負責提供標準的 ServletRequest 對象給 Servlet 容器：

Endpoint 和 Processor 可以自由組合，放在一起抽象成了 ProtocolHandler 組件，連接器用 ProtocolHandler 來處理網路連接和應用層協議。Connector中具體用事件處理器來處理請求【ProtocoHandler】；不同的ProtocoHandler代表不同的連接類型【所以一個Service中可以有多個Connector】例如：Http11Protocol使用普通的Socket來連接的，Http11NioProtocol使用NioSocket連接。

EndPoint：對接 I/O 模型，提供位元組流給Processor，監聽通訊埠，是對傳輸層的抽象，處理底層Socket的網路連接，用來實現 TCP/IP 協議的。是一個介面，對應的抽象類為AbstractEndPoint，有很多實現類，比如NioEndPoint，JIoEndPoint等。在其中有兩個組件，一個是Acceptor，另外一個是SocketProcessor。 Acceptor用於監聽Socket連接請求，SocketProcessor用於處理接收到的Socket請求。EndPoint 接收到 Socket 連接後，生成一個 SocketProcessor 任務提交到執行緒池去處理，SocketProcessor 的 Run 方法會調用 Processor 組件去解析應用層協議，Processor 通過解析生成 Request 對象後，會調用 Adapter 的 Service 方法。
Processor：對接應用層協議，提供Tomcat Request對象給Adapter，Processor是用於實現HTTP協議的，也就是說Processor是針對應用層協議的抽象。 Processor接受來自EndPoint的Socket，然後解析成Tomcat Request和Tomcat Response對象，最後通過Adapter 提交給容器。對應的抽象類為AbstractProcessor，有很多實現類，比如AjpProcessor、Http11Processor等。
Adapter：遵循 Servlet 規範，提供ServletRequest給容器，ProtocolHandler介面負責解析請求並生成 Tomcat Request 類。需要把這個 Request 對象轉換成 ServletRequest。 Tomcat 引入CoyoteAdapter，這是適配器模式的經典運用，連接器調用 CoyoteAdapter 的 sevice 方法，傳入的是 Tomcat Request 對象，CoyoteAdapter 負責將 Tomcat Request 轉成 ServletRequest，再調用容器的 service 方法，將請求適配到Servlet容器 Container 架構。

容器

容器主要用於封裝和管理Servlet以及具體處理Request請求。Tomcat 中設計四大Servlet容器組件，分別是Engine、Host、Context、Wrapper—>Servlet，這 4 種容器不是平行關係，而是父子關係。在tomcat源碼org.apache.catalina.core.StandardEngine四個都有其標準實現，每一個容器都有一個 Pipeline 對象。

Engine：整個 Catalina 的 Servlet 容器引擎，用來管理多個虛擬站點，一個Service最多只能有一個Engine，但是一個引擎可包含多個 Host。
Host：代表的是一個虛擬主機，或者說一個站點，可以給 Tomcat 配置多個虛擬主機地址，而一個虛擬主機下可包含多個 Context。
Context：表示一個 Web 應用程式，相當於我們在webapp下的應用，一個 Web 應用通常有多個 Servlet，一個Web應用可包含多個 Wrapper子容器。
Wrapper：servlet包裝類，包裝Servlet負責管理整個 Servlet 的生命周期，包括裝載、初始化、資源回收等，每一個Wraper都包裝著Servlet。

PipeLine和Valve（管道和閥門）

Engine、Host、Context、Wrapper容器都繼承ContainerBase，而ContainerBase有StandardPipeLine對象，每個容器構造方法setBasic設置默認Valve（StandardEngineValve）,PipeLine和Valve組件的init、start。

Connector使用容器Container處理請求時，connector.getService().getContainer().getPipeLine().getFirst().invoke(request,response);

啟動流程

整個 Tomcat 其實就是一個 Catalina 實例，Tomcat 啟動的時候會初始化這個實例，Catalina 實例通過載入server.xml 完成其他實例的創建，創建並管理一個 Server，Server 創建並管理多個服務，每個服務又可以有多個Connector 和一個 Container。

我們知道啟動tomcat是執行startup.sh腳本文件，這個腳本文件里又執行catalina.sh最終是執行org.apache.catalina.startup.Bootstrap類。

因此得知Tomcat從Bootstrap類main方法開始，以鏈的方式逐級調用各模組的init方法進行初始化，待各個模組都初始化後, 又會逐級調用各個模組的start()方法啟動各個模組;commonLoader、catalinaLoader、sharedLoader這三個類載入器打破雙親委派。下面是tomcat啟動流程時序圖：

內嵌示例

接下來我們演示內嵌tomcat運行示例，創建maven項目，pom文件

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="//maven.apache.org/POM/4.0.0"
         xmlns:xsi="//www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:schemaLocation="//maven.apache.org/POM/4.0.0 //maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
    <parent>
        <artifactId>spring-extend</artifactId>
        <groupId>com.itxs</groupId>
        <version>1.0-SNAPSHOT</version>
    </parent>
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>

    <artifactId>tomcat-test</artifactId>

    <properties>
        <maven.compiler.source>8</maven.compiler.source>
        <maven.compiler.target>8</maven.compiler.target>
    </properties>
    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.apache.tomcat.embed</groupId>
            <artifactId>tomcat-embed-core</artifactId>
            <version>8.5.28</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.apache.tomcat</groupId>
            <artifactId>tomcat-jasper</artifactId>
            <version>8.5.28</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework</groupId>
            <artifactId>spring-web</artifactId>
            <version>5.3.9</version>
            <scope>compile</scope>
        </dependency>
    </dependencies>
</project>

創建一個可以測試Servlet，MyFirstServlet.java

package com.itxs;

import javax.servlet.http.HttpServlet;
import javax.servlet.http.HttpServletRequest;
import javax.servlet.http.HttpServletResponse;
import java.io.IOException;

public class MyFirstServlet extends HttpServlet {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    @Override
    protected void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws  IOException {
        doPost(req, resp);
    }
    @Override
    protected void doPost(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws IOException {
        resp.getWriter().print("hello tomcat servlet,access success!!!");
    }
}

TomcatApplication.java文件

package com.itxs;

import org.apache.catalina.LifecycleException;
import org.apache.catalina.core.AprLifecycleListener;
import org.apache.catalina.core.StandardContext;
import org.apache.catalina.startup.Tomcat;
import javax.servlet.ServletException;
import java.io.File;

public class TomcatApplication {

    public static int TOMCAT_PORT = 8080;
    public static String TOMCAT_HOSTNAME = "127.0.0.1";
    public static String WEBAPP_PATH = "src/main";

    public static void main(String[] args) throws LifecycleException {
        TomcatApplication.run();
    }

    public static void run() throws LifecycleException {
        Tomcat tomcat = new Tomcat();
        tomcat.setPort(TomcatApplication.TOMCAT_PORT);
        tomcat.setHostname(TomcatApplication.TOMCAT_HOSTNAME);
        tomcat.setBaseDir("."); // tomcat 資訊保存在項目下
        StandardContext myContext = null;
        try {
            myContext = (StandardContext) tomcat.addWebapp("/itxs", System.getProperty("user.dir") + File.separator + TomcatApplication.WEBAPP_PATH);
            myContext.setReloadable(false);
            // 上下文監聽器
            myContext.addLifecycleListener(new AprLifecycleListener());
            // 註冊servlet
            tomcat.addServlet("/itxs", "myFirstServlet",new MyFirstServlet());
            // servlet mapping
            myContext.addServletMappingDecoded("/first.do", "myFirstServlet");
            tomcat.start();
            tomcat.getServer().await();
        } catch (ServletException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

運行main方法

並訪問//127.0.0.1:8080/itxs/first.do，收到結果頁面

源碼編譯

官方下載tomcat源碼，目前最新穩定版本為10.0.12

#由於tomcat源碼依賴jakartaee-migration模組，而jakartaee-migration未發布到maven repository，我們需要git clone到本地，再mvn install來部署解決tomcat源碼的編譯問題，//github.com/apache/tomcat-jakartaee-migration
#解壓文件，進入到tomcat-jakartaee-migration-main目錄，地址欄上輸入cmd進入命令行窗口並且自動進入當前目錄

#執行maven安裝到本地倉庫
mvn clean install

#加壓apache-tomcat-10.0.12-src.zip的文件，Tomcat源碼並非maven項目結構，但可以通過pom指定java程式碼目錄（無需按照src/main結構來），項目目錄下創建pom.xml文件，內容如下：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="//maven.apache.org/POM/4.0.0"
         xmlns:xsi="//www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:schemaLocation="//maven.apache.org/POM/4.0.0 //maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
 
    <groupId>com.github.sources</groupId>
    <artifactId>source-tomcat</artifactId>
    <version>10.0-SNAPSHOT</version>
    <name>source-tomcat</name>
    <dependencies>
        <dependency>
            <groupId>junit</groupId>
            <artifactId>junit</artifactId>
            <version>4.12</version>
            <scope>test</scope>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.easymock</groupId>
            <artifactId>easymock</artifactId>
            <version>3.5.1</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.apache.ant</groupId>
            <artifactId>ant</artifactId>
            <version>1.10.1</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>wsdl4j</groupId>
            <artifactId>wsdl4j</artifactId>
            <version>1.6.2</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>javax.xml</groupId>
            <artifactId>jaxrpc</artifactId>
            <version>1.1</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.eclipse.jdt</groupId>
            <artifactId>org.eclipse.jdt.core</artifactId>
            <version>3.25.0</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.eclipse.jdt.core.compiler</groupId>
            <artifactId>ecj</artifactId>
            <version>4.6.1</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.apache.tomcat</groupId>
            <artifactId>jakartaee-migration</artifactId>
            <version>0.2.1-SNAPSHOT</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>biz.aQute.bnd</groupId>
            <artifactId>biz.aQute.bndlib</artifactId>
            <version>5.2.0</version>
            <scope>provided</scope>
        </dependency>
    </dependencies>
 
    <build>
        <finalName>Tomcat10.0</finalName>
        <sourceDirectory>java</sourceDirectory>
        <testSourceDirectory>test</testSourceDirectory>
        <resources>
            <resource>
                <directory>java</directory>
            </resource>
        </resources>
        <testResources>
            <testResource>
                <directory>test</directory>
            </testResource>
        </testResources>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
                <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>
                <version>3.6.1</version>
                <configuration>
                    <encoding>UTF-8</encoding>
                    <source>1.8</source>
                    <target>1.8</target>
                </configuration>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>
 
</project>

#由於源碼apache-tomcat-10.0.12的pom文件里的jakartaee-migration的版本為0.2.1-SNAPSHOT，我們改為上面tomcat-jakartaee-migration-main的項目的版本1.0.1-SNAPSHOT

#我們在JDTCompiler里注釋下面三行源碼， 不能會報沒有 CompilerOptions.VERSION_16
//                settings.put(CompilerOptions.OPTION_Source, CompilerOptions.VERSION_16);
//                settings.put(CompilerOptions.OPTION_TargetPlatform, CompilerOptions.VERSION_16);
//                settings.put(CompilerOptions.OPTION_Compliance, CompilerOptions.VERSION_16);

前面章節我們已提到tomcat main函數的入口在org.apache.catalina.startup.Bootstrap里，知道main函數

會遇到測試類的報錯如下，可以嘗試運行忽略測試類，或者直接刪除maven compile時產生的test文件夾，我們這裡直接刪除test文件夾

由於目前tomcat啟動找不到配置文件，因此我們在源碼根目錄下創建source文件夾，並將conf和webapps這兩個目錄轉移到source文件夾中

然後在運行設置里添加如下vm參數

-Dcatalina.home=F:\develop\apache-tomcat-10.0.12-src\source
-Dcatalina.base=F:\develop\apache-tomcat-10.0.12-src\source
-Djava.util.logging.manager=org.apache.juli.ClassLoaderLogManager
-Djava.util.logging.config.file=F:\develop\apache-tomcat-10.0.12-src\source\conf\logging.properties

配置好指定的catalina.home和catalina.base以及日誌相關jvm參數後，啟動Tomcat，到這裡，我們是可以啟動tomcat程式，但是訪問//localhost:8080/ 會報500錯誤，啟動Tomcat BootStrap時未載入JSP編譯器JasperInitializer

#在org.apache.catalina.startup.ContextConfig#configureStart中
webConfig(); // 這句下面添加如下初始化語句
context.addServletContainerInitializer(new JasperInitializer(), null);

重新啟動Tomcat，查看//localhost:8080，出現tomcat的頁面

性能調優

關於性能調優方面可以考慮一下幾個：

記憶體：jvm參數，這個是實際生產中用的較多的。
並發優化：connector開啟執行緒池及執行緒池優化；
快取優化：connector 壓縮和客戶端連接超時；
IO優化：protocol 選擇BIO NIO NIO2（AIO）；
組件優化：APR sendfile epoll openssl Tomcat native；

我們本篇只是簡單理解tomcat架構和搭建tomcat源碼調試環境，後續有時間我們再對tomcat源碼和設計模式做進一步剖析和分享

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整體架構

連接器

容器

PipeLine和Valve（管道和閥門）

啟動流程

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啟動流程

內嵌示例

源碼編譯

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