數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)范式深入淺出
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??? 關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)之時(shí)是要遵守一定的規(guī)則的，尤其是數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)范式。現(xiàn)簡單介紹1NF(第一范式)，2NF(第二范式)，3NF(第三范式)和BCNF，另有第四范式和第五范式留到以后再介紹。在你設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫之時(shí)，若能符合這幾個(gè)范式，你就是數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的高手。
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第一范式(1NF)：在關(guān)系模式R中的每一個(gè)具體關(guān)系r中，如果每個(gè)屬性值都是不可再分的最小數(shù)據(jù)單位，則稱R是第一范式的關(guān)系。
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??? 例：如職工號(hào)，姓名，電話號(hào)碼組成一個(gè)表(一個(gè)人可能有一個(gè)辦公室電話和一個(gè)家里電話號(hào)碼)，規(guī)范成為1NF有三種方法：
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1、重復(fù)存儲(chǔ)職工號(hào)和姓名。這樣關(guān)鍵字只能是電話號(hào)碼。
??? 2、職工號(hào)為關(guān)鍵字，電話號(hào)碼分為單位電話和住宅電話兩個(gè)屬性
??? 3、職工號(hào)為關(guān)鍵字，但強(qiáng)制每條記錄只能有一個(gè)電話號(hào)碼。
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??? 以上三個(gè)方法，第一種方法最不可取，按實(shí)際情況選取后兩種情況。
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第二范式(2NF)：如果關(guān)系模式R(U,F)中的所有非主屬性都完全依賴于任意一個(gè)候選關(guān)鍵字，則稱關(guān)系R是屬于第二范式的。
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??? 例：選課關(guān)系SCI(SNO,CNO,GRADE,CREDIT)其中SNO為學(xué)號(hào)，CNO為課程號(hào)，GRADEGE為成績，CREDIT為學(xué)分。由以上條件，關(guān)鍵字為組合關(guān)鍵字(SNO,CNO)
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??? 在應(yīng)用中使用以上關(guān)系模式有以下問題：
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??? a.數(shù)據(jù)冗余，假設(shè)同一門課由40個(gè)學(xué)生選修，學(xué)分就重復(fù)40次。
??? b.更新異常，若調(diào)整了某課程的學(xué)分，相應(yīng)的元組CREDIT值都要更新，有可能會(huì)出現(xiàn)同一門課學(xué)分不同。
??? c.插入異常，如計(jì)劃開新課，由于沒人選修，沒有學(xué)號(hào)關(guān)鍵字，只能等有人選修才能把課程和學(xué)分存入。
??? d.刪除異常，若學(xué)生已經(jīng)結(jié)業(yè)，從當(dāng)前數(shù)據(jù)庫刪除選修記錄。某些門課程新生尚未選修，則此門課程及學(xué)分記錄無法保存。
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??? 原因：非關(guān)鍵字屬性CREDIT僅函數(shù)依賴于CNO，也就是CREDIT部分依賴組合關(guān)鍵字(SNO,CNO)而不是完全依賴。
??? 解決方法：分成兩個(gè)關(guān)系模式 SC1(SNO,CNO,GRADE)，C2(CNO,CREDIT)。新關(guān)系包括兩個(gè)關(guān)系模式，它們之間通過SC1中的外關(guān)鍵字CNO相聯(lián)系，需要時(shí)再進(jìn)行自然聯(lián)接，恢復(fù)了原來的關(guān)系
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第三范式(3NF)：如果關(guān)系模式R(U,F)中的所有非主屬性對(duì)任何候選關(guān)鍵字都不存在傳遞信賴，則稱關(guān)系R是屬于第三范式的。
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??? 例：如S1(SNO,SNAME,DNO,DNAME,LOCATION)各屬性分別代表學(xué)號(hào)、姓名、所在系、系名稱、系地址。
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??? 關(guān)鍵字SNO決定各個(gè)屬性。由于是單個(gè)關(guān)鍵字，沒有部分依賴的問題，肯定是2NF。但這關(guān)系肯定有大量的冗余，有關(guān)學(xué)生所在的幾個(gè)屬性DNO,DNAME,LOCATION將重復(fù)存儲(chǔ)，插入，刪除和修改時(shí)也將產(chǎn)生類似以上例的情況。
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??? 原因：關(guān)系中存在傳遞依賴造成的。即SNO -> DNO。 而DNO -> SNO卻不存在，DNO -> LOCATION, 因此關(guān)鍵字 SNO 對(duì) LOCATION 函數(shù)決定是通過傳遞依賴 SNO -> DNO -> LOCATION 實(shí)現(xiàn)的。也就是說，SNO不直接決定非主屬性LOCATION。
??? 解決目地：每個(gè)關(guān)系模式中不能留有傳遞依賴。
??? 解決方法：分為兩個(gè)關(guān)系 S(SNO,SNAME,DNO)，D(DNO,DNAME,LOCATION)
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??? 注意：關(guān)系S中不能沒有外關(guān)鍵字DNO。否則兩個(gè)關(guān)系之間失去聯(lián)系。
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BCNF：如果關(guān)系模式R(U,F)的所有屬性(包括主屬性和非主屬性)都不傳遞依賴于R的任何候選關(guān)鍵字，那么稱關(guān)系R是屬于BCNF的。或是關(guān)系模式R，如果每個(gè)決定因素都包含關(guān)鍵字(而不是被關(guān)鍵字所包含)，則RCNF的關(guān)系模式。
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??? 例：配件管理關(guān)系模式 WPE(WNO,PNO,ENO,QNT)分別表倉庫號(hào)、配件號(hào)、職工號(hào)、數(shù)量。有以下條件：
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??? a.一個(gè)倉庫有多個(gè)職工。
??? b.一個(gè)職工僅在一個(gè)倉庫工作。
??? c.每個(gè)倉庫里一種型號(hào)的配件由專人負(fù)責(zé)，但一個(gè)人可以管理幾種配件。
??? d.同一種型號(hào)的配件可以分放在幾個(gè)倉庫中。
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??? 分析：由以上得 PNO 不能確定QNT，由組合屬性(WNO,PNO)來決定，存在函數(shù)依賴(WNO,PNO) -> ENO。由于每個(gè)倉庫里的一種配件由專人負(fù)責(zé)，而一個(gè)人可以管理幾種配件，所以有組合屬性(WNO,PNO)才能確定負(fù)責(zé)人，有(WNO,PNO)-> ENO。因?yàn)?一個(gè)職工僅在一個(gè)倉庫工作，有ENO -> WNO。由于每個(gè)倉庫里的一種配件由專人負(fù)責(zé)，而一個(gè)職工僅在一個(gè)倉庫工作，有?(ENO,PNO)-> QNT。
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??? 找一下候選關(guān)鍵字，因?yàn)?span id="wmqeeuq" class="730204302-14042009">(WNO,PNO) -> QNT，(WNO,PNO)-> ENO ，因此?(WNO,PNO)可以決定整個(gè)元組，是一個(gè)候選關(guān)鍵字。根據(jù)ENO->WNO，(ENO,PNO)->QNT，故(ENO,PNO)也能決定整個(gè)元組，為另一個(gè)候選關(guān)鍵字。屬性ENO,WNO,PNO 均為主屬性，只有一個(gè)非主屬性QNT。它對(duì)任何一個(gè)候選關(guān)鍵字都是完全函數(shù)依賴的，并且是直接依賴，所以該關(guān)系模式是3NF。
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??? 分析一下主屬性。因?yàn)镋NO->WNO，主屬性ENO是WNO的決定因素，但是它本身不是關(guān)鍵字，只是組合關(guān)鍵字的一部分。這就造成主屬性WNO對(duì)另外一個(gè)候選關(guān)鍵字(ENO,PNO)的部分依賴，因?yàn)?span id="wmqeeuq" class="730204302-14042009">(ENO,PNO)-> ENO但反過來不成立，而PNO->WNO，故(ENO,PNO)-> WNO 也是傳遞依賴。
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??? 雖然沒有非主屬性對(duì)候選關(guān)鍵遼的傳遞依賴，但存在主屬性對(duì)候選關(guān)鍵字的傳遞依賴，同樣也會(huì)帶來麻煩。如一個(gè)新職工分配到倉庫工作，但暫時(shí)處于實(shí)習(xí)階段，沒有獨(dú)立負(fù)責(zé)對(duì)某些配件的管理任務(wù)。由于缺少關(guān)鍵字的一部分PNO而無法插入到該關(guān)系中去。又如某個(gè)人改成不管配件了去負(fù)責(zé)安全，則在刪除配件的同時(shí)該職工也會(huì)被刪除。
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??? 解決辦法：分成管理EP(ENO,PNO,QNT)，關(guān)鍵字是(ENO,PNO)工作EW(ENO,WNO)其關(guān)鍵字是ENO
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??? 缺點(diǎn)：分解后函數(shù)依賴的保持性較差。如此例中，由于分解,函數(shù)依賴（WNO，PNO）-> ENO 丟失了, 因而對(duì)原來的語義有所破壞。沒有體現(xiàn)出每個(gè)倉庫里一種部件由專人負(fù)責(zé)。有可能出現(xiàn)一部件由兩個(gè)人或兩個(gè)以上的人來同時(shí)管理。因此，分解之后的關(guān)系模式降低了部分完整性約束。
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??? 一個(gè)關(guān)系分解成多個(gè)關(guān)系，要使得分解有意義，起碼的要求是分解后不丟失原來的信息。這些信息不僅包括數(shù)據(jù)本身，而且包括由函數(shù)依賴所表示的數(shù)據(jù)之間的相互制約。進(jìn)行分解的目標(biāo)是達(dá)到更高一級(jí)的規(guī)范化程度，但是分解的同時(shí)必須考慮兩個(gè)問題：無損聯(lián)接性和保持函數(shù)依賴。有時(shí)往往不可能做到既有無損聯(lián)接性，又完全保持函數(shù)依賴。需要根據(jù)需要進(jìn)行權(quán)衡。
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1NF直到BCNF的四種范式之間有如下關(guān)系：
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??? BCNF > 3NF > 2NF > 1NF
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小結(jié)：
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??? 目地：規(guī)范化目的是使結(jié)構(gòu)更合理，消除存儲(chǔ)異常，使數(shù)據(jù)冗余盡量小，便于插入、刪除和更新
??? 原則：遵從概念單一化“一事一地”原則，即一個(gè)關(guān)系模式描述一個(gè)實(shí)體或?qū)嶓w間的一種聯(lián)系。規(guī)范的實(shí)質(zhì)就是概念的單一化。
??? 方法：將關(guān)系模式投影分解成兩個(gè)或兩個(gè)以上的關(guān)系模式。
??? 要求：分解后的關(guān)系模式集合應(yīng)當(dāng)與原關(guān)系模式“等價(jià)”，即經(jīng)過自然聯(lián)接可以恢復(fù)原關(guān)系而不丟失信息，并保持屬性間合理的聯(lián)系。
??? 注意：一個(gè)關(guān)系模式結(jié)這分解可以得到不同關(guān)系模式集合，也就是說分解方法不是唯一的。最小冗余的要求必須以分解后的數(shù)據(jù)庫能夠表達(dá)原來數(shù)據(jù)庫所有信息為前提來實(shí)現(xiàn)。其根本目標(biāo)是節(jié)省存儲(chǔ)空間，避免數(shù)據(jù)不一致性，提高對(duì)關(guān)系的操作效率，同時(shí)滿足應(yīng)用需求。實(shí)際上，并不一定要求全部模式都達(dá)到BCNF不可。有時(shí)故意保留部分冗余可能更方便數(shù)據(jù)查詢。尤其對(duì)于那些更新頻度不高，查詢頻度極高的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)更是如此。
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??? 在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，除了函數(shù)依賴之外還有多值依賴，聯(lián)接依賴的問題，從而提出了第四范式，第五范式等更高一級(jí)的規(guī)范化要求。在此，以后再談。
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??? 各位朋友，你看過后有何感想，其實(shí)，任何一本數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)理論的書都會(huì)講這些東西，考慮到很多網(wǎng)友是半途出家，來做數(shù)據(jù)庫。特找一本書大抄特抄一把，各位有什么問題，也別問我了，自已去找一本關(guān)系數(shù)據(jù)庫理論的書去看吧，說不定，對(duì)各位大有幫助。說是說以上是基礎(chǔ)理論的東西，請(qǐng)大家想想，你在做數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的時(shí)候有沒有考慮過遵過以上幾個(gè)范式呢，有沒有在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)做得不好之時(shí)，想一想，對(duì)比以上所講，到底是違反了第幾個(gè)范式呢？
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??? 我見過的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，很少有人做到很符合以上幾個(gè)范式的，一般說來，第一范式大家都可以遵守，完全遵守第二第三范式的人很少了，遵守的人一定就是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的高手了，BCNF的范式出現(xiàn)機(jī)會(huì)較少，而且會(huì)破壞完整性，你可以在做設(shè)計(jì)之時(shí)不考慮它，當(dāng)然在ORACLE中可通過觸發(fā)器解決其缺點(diǎn)。以后我們共同做設(shè)計(jì)之時(shí)，也希望大家遵守以上幾個(gè)范式。
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附：對(duì)6個(gè)范式的通俗歸納
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1NF：一個(gè)table中的列是不可再分的(即列的原子性)
例：(A,B,C-D-E) 分解為 (A,B,C,D,E)
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2NF：非主鍵列必須完全依賴整個(gè)主鍵
例：(A,B,C,D)主鍵(A,B)，且(A,B)->C,A->D，則分解為(A,B,C)主鍵(A,B)外鍵A,(A,D)主鍵A
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3NF：一個(gè)table中的非主鍵列C不存在 A->B->C 情況
例：(A,B,C,D)主鍵A，且A->B,A->C,B->D，則分解為(A,B,C)主鍵A外鍵B,(B,D)主鍵B
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BCNF：3NF去掉非主鍵限制
例：(A,B,C,D)主鍵(A,B,C)，且(A,B)->C,C->A，則分解為(A,B,D),(C,A)，但是會(huì)失去(A,B)->C，破壞數(shù)據(jù)一致性
注：如果滿足3NF，且主鍵只有一個(gè)屬性或主鍵屬性間無依賴，則自動(dòng)滿足BCNF
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4NF：禁止主鍵列和非主鍵列一對(duì)多關(guān)系(消除多值依賴)
例：(A,B,C)主鍵(A,B)，且(A,B)->C，則分解為(A,C),(B,C)
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5NF：將一個(gè)table盡可能的分割成小的塊，以排除在table中所有連接依賴
例：(A,B,C)主鍵(A,B,C)，則分解為(A,B),(B,C),(A,C)
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再稍微詳細(xì)一點(diǎn)的舉例說明：
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第一范式:
定義：如果關(guān)系R 中所有屬性的值域都是單純域，那么關(guān)系模式R是第一范式的
那么符合第一模式的特點(diǎn)就有
1)有主關(guān)鍵字
2)主鍵不能為空，
3)主鍵不能重復(fù),
4)字段不可以再分
例如：
StudyNo??|?Name?|?Sex?? |??Contact
20040901???john???Male?????Email:kkkk@ee.net,phone:222456
20040901???mary???famale?? email:kkk@fff.net,phone:123455
以上的表就不符合，第一范式：主鍵重復(fù)(實(shí)際中數(shù)據(jù)庫不允許重復(fù)的)，而且Contact字段可以再分
所以變更為正確的是
StudyNo??|?Name |?Sex?? |??Email????????|?Phone
20040901???john???Male?????
kkkk@ee.net
??? 222456
20040902???mary???famale???
kkk@fff.net
??? 123455
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第二范式：
定義：如果關(guān)系模式R是第一范式的，而且關(guān)系中每一個(gè)非主屬性不部分依賴于主鍵，稱R是第二范式的。
所以第二范式的主要任務(wù)就是滿足第一范式的前提下，消除部分函數(shù)依賴。
StudyNo??|?Name?|?Sex?? |??Email????????|?Phone??? |??ClassNo? | ClassAddress
01?????????john???Male?????
kkkk@ee.net
????222456????? 200401?????A樓2
02?????????mary???famale???
kkk@fff.net
????123455????? 200402?????A樓3
這個(gè)表完全滿足于第一范式,主鍵由StudyNo和ClassNo組成，這樣才能定位到指定行
但是,ClassAddress部分依賴于關(guān)鍵字(ClassNo-〉ClassAddress),所以要變?yōu)閮蓚€(gè)表
表一
StudyNo??|?Name?|?Sex?? |??Email?????? ?|?Phone??? |??ClassNo
01???????? john???Male?????
kkkk@ee.net
????222456????? 200401?????
02???????? mary???famale???
kkk@fff.net
????123455????? 200402????
表二
ClassNo? | ClassAddress
200401?????A樓2
200402?????A樓3
第三范式：
滿足第二范式的前提下，消除傳遞依賴。
例:
StudyNo?? |?Name?|?Sex?? |??Email???????|?bounsLevel??|?bouns
20040901????john???Male?????
kkkk@ee.net
?? 優(yōu)秀???????????$1000
20040902???mary???famale???
kkk@fff.net
???良?????????????$600
這個(gè)完全滿足了第二范式,但是bounsLevel和bouns存在傳遞依賴
更改為：
StudyNo?? |?Name |?Sex?? |??Email???????|?bouunsNo
20040901????john???Male?????
kkkk@ee.net
?? 1
20040902????mary???famale???
kkk@fff.net
???2
bounsNo?? |?bounsLevel?? |?? bouns
1???????????優(yōu)秀?????????????$1000
2???????????良???????????????$600
這里我比較喜歡用bounsNo作為主鍵，基于兩個(gè)原因
1) 不要用字符作為主鍵。可能有人說：如果我的等級(jí)一開始就用數(shù)值就代替呢？
2) 但是如果等級(jí)名稱更改了，不叫 1,2,3或優(yōu),良，這樣就可以方便更改，所以我一般優(yōu)先使用與業(yè)務(wù)無關(guān)的字段作為關(guān)鍵字。
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一般滿足前三個(gè)范式就可以避免數(shù)據(jù)冗余。
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第四范式：
主要任務(wù)：滿足第三范式的前提下，消除多值依賴
product??| agent |? factory
Car????????A1???????F1
Bus????????A1???????F2
Car????????A2???????F2
在這里，Car的定位，必須由 agent 和 Factory才能得到（所以主鍵由agent和factory組成）,可以通過 product依賴了agent和factory兩個(gè)屬性
所以正確的是
表1????????????????????????????? 表2：
product?? |?? agent??????????? factory? |?? product
Car??????????? A1????????????????? F1???????Car
Bus??????????? A1????????????????? F2???????Car
Car??????????? A2????????????????? F2???????Bus
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第五范式：
定義: 如果關(guān)系模式R中的每一個(gè)連接依賴, 都是由R的候選鍵所蘊(yùn)含, 稱R是第五范式的
看到定義，就知道是要消除連接依賴,并且必須保證數(shù)據(jù)完整
例子
A?? |?? B? |?? C
a1????? b1???? c1
a2????? b1???? c2
a1????? b2???? c1
a2????? b2???? c2
如果要定位到特定行，必須三個(gè)屬性都為關(guān)鍵字。
所以關(guān)系要變?yōu)?三個(gè)關(guān)系，分別是A 和B,B和C,C和A
如下：
表1????????????????表2??????????????表3
A?? |?? B?????????B?? |?? C????????C??? |???A
a1????? b1????????b1????? c1???????c1???????a1???????????
a1????? b2????????b1????? c2???????c1??????a2
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??? 范式可以避免數(shù)據(jù)冗余，減少數(shù)據(jù)庫的空間，減輕維護(hù)數(shù)據(jù)完整性的麻煩，但是操作難，因?yàn)樾枰?lián)系多個(gè)表才能得到所需要數(shù)據(jù)，而且越高范式性能就會(huì)越差。要權(quán)衡是否使用更高范式是比較麻煩。
??? 一般我在做項(xiàng)目中都，用得最多的也就是第三范式，我認(rèn)為使用到第三范式也就足夠了，性能好而且方便管理數(shù)據(jù)。
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-The End-