【正点原子Linux连载】第三十六章Linux内核启动流程--摘自【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南

正点原子 · 发表于 2020-6-23 15:02:03

本帖最后由正点原子于 2020-10-24 16:12 编辑

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第三十六章Linux内核启动流程

看完Linux内核的顶层Makefile以后再来看Linux内核的大致启动流程，Linux内核的启动流程要比uboot复杂的多，涉及到的内容也更多，因此本章我们就大致的了解一下Linux内核的启动流程。

36.1 链接脚本vmlinux.lds
要分析Linux启动流程，同样需要先编译一下Linux源码，因为有很多文件是需要编译才会生成的。首先分析Linux内核的连接脚本文件arch/arm/kernel/vmlinux.lds，通过链接脚本可以找到Linux内核的第一行程序是从哪里执行的。vmlinux.lds中有如下代码：
示例代码36.1.1 vmlinux.lds链接脚本

492 OUTPUT_ARCH(arm)
493 ENTRY(stext)
494 jiffies = jiffies_64;
495 SECTIONS
496{
497/*
498 * XXX: The linker does not define how output sections are
499 * assigned to input sections when there are multiple statements
500 * matching the same input section name. There is no documented
501 * order of matching.
502 *
503 * unwind exit sections must be discarded before the rest of the
504 * unwind sections get included.
505 */
506 /DISCARD/:{
507 *(.ARM.exidx.exit.text)
508 *(.ARM.extab.exit.text)
509
......
645}

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第493行的ENTRY指明了了Linux内核入口，入口为stext，stext定义在文件arch/arm/kernel/head.S中，因此要分析Linux内核的启动流程，就得先从文件arch/arm/kernel/head.S的stext处开始分析。
36.2 Linux内核启动流程分析
36.2.1 Linux内核入口stext
stext是Linux内核的入口地址，在文件arch/arm/kernel/head.S中有如下所示提示内容：
示例代码36.2.1.1 arch/arm/kernel/head.S代码段

/*
* Kernel startup entry point.
* ---------------------------
*
* This is normally called from the decompressor code. The requirements
* are: MMU = off, D-cache = off, I-cache = dont care, r0 = 0,
* r1 = machine nr, r2 = atags or dtb pointer.
.....
*/

复制代码

      根据示例代码36.2.1.1中的注释，Linux内核启动之前要求如下：
      ①、关闭MMU。
      ②、关闭D-cache。
      ③、I-Cache无所谓。
      ④、r0=0。
      ⑤、r1=machinenr(也就是机器ID)。
      ⑥、r2=atags或者设备树(dtb)首地址。
      Linux内核的入口点stext其实相当于内核的入口函数，stext函数内容如下：
示例代码36.2.1.2 arch/arm/kernel/head.S代码段

80 ENTRY(stext)
......
91 @ ensure svc mode and all interrupts masked
92 safe_svcmode_maskall r9
93
94 mrc p15,0, r9, c0, c0 @ get processor id
95 bl __lookup_processor_type @ r5=procinfo r9=cpuid
96 movs r10, r5 @ invalid processor (r5=0)?
97 THUMB( it eq ) @ force fixup-able long branch encoding
98 beq __error_p @ yes, error 'p'
99
......
107
108 #ifndef CONFIG_XIP_KERNEL
......
113 #else
114 ldr r8,=PLAT_PHYS_OFFSET @ always constant in this case
115 #endif
116
117/*
118 * r1 = machine no, r2 = atags or dtb,
119 * r8 = phys_offset, r9 = cpuid, r10 = procinfo
120 */
121 bl __vet_atags
......
128 bl __create_page_tables
129
130/*
131 * The following calls CPU specific code in a position independent
132 * manner. See arch/arm/mm/proc-*.S for details. r10 = base of
133 * xxx_proc_info structure selected by __lookup_processor_type
134 * above. On return, the CPU will be ready for the MMU to be
135 * turned on, and r0 will hold the CPU control register value.
136 */
137 ldr r13,=__mmap_switched @ address to jump to after
138 @ mmu has been enabled
139 adr lr, BSYM(1f) @ return(PIC) address
140 mov r8, r4 @ set TTBR1 to swapper_pg_dir
141 ldr r12,[r10, #PROCINFO_INITFUNC]
142 add r12, r12, r10
143 ret r12
1441: b __enable_mmu
145 ENDPROC(stext)

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      第92行，调用函数safe_svcmode_maskall确保CPU处于SVC模式，并且关闭了所有的中断。safe_svcmode_maskall定义在文件arch/arm/include/asm/assembler.h中。
      第94行，读处理器ID，ID值保存在r9寄存器中。
      第95行，调用函数__lookup_processor_type检查当前系统是否支持此CPU，如果支持的就获取procinfo信息。procinfo是proc_info_list类型的结构体， proc_info_list在文件 arch/arm/include/asm/procinfo.h中的定义如下：
示例代码36.2.1.3 proc_info_list结构体

struct proc_info_list {
unsignedint cpu_val;
unsignedint cpu_mask;
unsignedlong __cpu_mm_mmu_flags; /* used by head.S */
unsignedlong __cpu_io_mmu_flags; /* used by head.S */
unsignedlong __cpu_flush; /* used by head.S */
constchar *arch_name;
constchar *elf_name;
unsignedint elf_hwcap;
constchar *cpu_name;
struct processor *proc;
struct cpu_tlb_fns *tlb;
struct cpu_user_fns *user;
struct cpu_cache_fns *cache;
};

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      Linux内核将每种处理器都抽象为一个proc_info_list结构体，每种处理器都对应一个procinfo。因此可以通过处理器ID来找到对应的procinfo结构，__lookup_processor_type函数找到对应处理器的procinfo以后会将其保存到r5寄存器中。
      继续回到示例代码36.2.1.2中，第121行，调用函数__vet_atags验证atags或设备树(dtb)的合法性。函数__vet_atags定义在文件arch/arm/kernel/head-common.S中。
      第128行，调用函数__create_page_tables创建页表。
      第137行，将函数__mmap_switched的地址保存到r13寄存器中。__mmap_switched定义在文件arch/arm/kernel/head-common.S，__mmap_switched最终会调用start_kernel函数。
      第144行，调用__enable_mmu函数使能MMU，__enable_mmu定义在文件arch/arm/kernel/head.S中。__enable_mmu最终会通过调用__turn_mmu_on来打开MMU，__turn_mmu_on最后会执行r13里面保存的__mmap_switched函数。
36.2.2 __mmap_switched函数
      __mmap_switched函数定义在文件arch/arm/kernel/head-common.S中，函数代码如下：
示例代码36.2.2.1 __mmap_switched函数

81 __mmap_switched:
82 adr r3, __mmap_switched_data
83
84 ldmia r3!,{r4, r5, r6, r7}
85 cmp r4, r5 @ Copy data segment if needed
861: cmpne r5, r6
87 ldrne fp,[r4], #4
88 strne fp,[r5], #4
89 bne 1b
90
91 mov fp, #0 @ Clear BSS (and zero fp)
921: cmp r6, r7
93 strcc fp,[r6],#4
94 bcc 1b
95
96 ARM( ldmia r3,{r4, r5, r6, r7, sp})
97 THUMB( ldmia r3,{r4, r5, r6, r7})
98 THUMB( ldr sp,[r3, #16])
99 str r9,[r4] @ Save processor ID
100 str r1,[r5] @ Save machine type
101 str r2,[r6] @ Save atags pointer
102 cmp r7, #0
103 strne r0,[r7] @ Save control register values
104 b start_kernel
105 ENDPROC(__mmap_switched)

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第104行最终调用start_kernel来启动Linux内核，start_kernel函数定义在文件init/main.c中。
36.2.3 start_kernel函数
start_kernel通过调用众多的子函数来完成Linux启动之前的一些初始化工作，由于start_kernel函数里面调用的子函数太多，而这些子函数又很复杂，因此我们简单的来看一下一些重要的子函数。精简并添加注释后的start_kernel函数内容如下：
示例代码36.2.3.1 start_kernel函数

asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
{
char*command_line;
char*after_dashes;
lockdep_init();/* lockdep是死锁检测模块，此函数会初始化
* 两个hash表。此函数要求尽可能早的执行！
*/
set_task_stack_end_magic(&init_task);/* 设置任务栈结束魔术数，
*用于栈溢出检测
*/
smp_setup_processor_id();/* 跟SMP有关(多核处理器)，设置处理器ID。
* 有很多资料说ARM架构下此函数为空函数，那是因
* 为他们用的老版本Linux，而那时候ARM还没有多
*核处理器。
*/
debug_objects_early_init(); /* 做一些和debug有关的初始化 */
boot_init_stack_canary(); /* 栈溢出检测初始化 */
cgroup_init_early(); /* cgroup初始化，cgroup用于控制Linux系统资源*/
local_irq_disable(); /* 关闭当前CPU中断 */
early_boot_irqs_disabled = true;
/*
* 中断关闭期间做一些重要的操作，然后打开中断
*/
boot_cpu_init(); /* 跟CPU有关的初始化 */
page_address_init(); /* 页地址相关的初始化 */
pr_notice("%s", linux_banner);/* 打印Linux版本号、编译时间等信息 */
setup_arch(&command_line);/* 架构相关的初始化，此函数会解析传递进来的
* ATAGS或者设备树(DTB)文件。会根据设备树里面
* 的model和compatible这两个属性值来查找
* Linux是否支持这个单板。此函数也会获取设备树
* 中chosen节点下的bootargs属性值来得到命令
* 行参数，也就是uboot中的bootargs环境变量的
* 值，获取到的命令行参数会保存到
*command_line中。
*/
mm_init_cpumask(&init_mm); /* 看名字，应该是和内存有关的初始化 */
setup_command_line(command_line);/* 好像是存储命令行参数 */
setup_nr_cpu_ids();/* 如果只是SMP(多核CPU)的话，此函数用于获取
* CPU核心数量，CPU数量保存在变量
* nr_cpu_ids中。
*/
setup_per_cpu_areas();/* 在SMP系统中有用，设置每个CPU的per-cpu数据 */
smp_prepare_boot_cpu();
build_all_zonelists(NULL,NULL); /* 建立系统内存页区(zone)链表 */
page_alloc_init(); /* 处理用于热插拔CPU的页 */
/* 打印命令行信息 */
pr_notice("Kernel command line: %s\n", boot_command_line);
parse_early_param();/* 解析命令行中的console参数 */
after_dashes = parse_args("Booting kernel",
static_command_line, __start___param,
__stop___param - __start___param,
-1,-1,&unknown_bootoption);
if(!IS_ERR_OR_NULL(after_dashes))
parse_args("Setting init args", after_dashes,NULL,0,-1,-1,
set_init_arg);
jump_label_init();
setup_log_buf(0); /* 设置log使用的缓冲区*/
pidhash_init();/* 构建PID哈希表，Linux中每个进程都有一个ID,
* 这个ID叫做PID。通过构建哈希表可以快速搜索进程
* 信息结构体。
*/
vfs_caches_init_early(); /* 预先初始化vfs(虚拟文件系统)的目录项和
*索引节点缓存
*/
sort_main_extable(); /* 定义内核异常列表 */
trap_init(); /* 完成对系统保留中断向量的初始化 */
mm_init(); /* 内存管理初始化 */
sched_init(); /* 初始化调度器，主要是初始化一些结构体 */
preempt_disable(); /* 关闭优先级抢占 */
if(WARN(!irqs_disabled(), /* 检查中断是否关闭，如果没有的话就关闭中断 */
"Interrupts were enabled *very* early, fixing it\n"))
local_irq_disable();
idr_init_cache(); /* IDR初始化，IDR是Linux内核的整数管理机
* 制，也就是将一个整数ID与一个指针关联起来。
*/
rcu_init(); /* 初始化RCU，RCU全称为Read Copy Update(读-拷贝修改) */
trace_init(); /* 跟踪调试相关初始化 */
context_tracking_init();
radix_tree_init(); /* 基数树相关数据结构初始化 */
early_irq_init(); /* 初始中断相关初始化,主要是注册irq_desc结构体变
* 量，因为Linux内核使用irq_desc来描述一个中断。
*/
init_IRQ();/* 中断初始化 */
tick_init();/* tick初始化 */
rcu_init_nohz();
init_timers();/* 初始化定时器 */
hrtimers_init();/* 初始化高精度定时器 */
softirq_init();/* 软中断初始化 */
timekeeping_init();
time_init(); /* 初始化系统时间 */
sched_clock_postinit();
perf_event_init();
profile_init();
call_function_init();
WARN(!irqs_disabled(),"Interrupts were enabled early\n");
early_boot_irqs_disabled = false;
local_irq_enable(); /* 使能中断 */
kmem_cache_init_late(); /* slab初始化，slab是Linux内存分配器 */
console_init(); /* 初始化控制台，之前printk打印的信息都存放
* 缓冲区中，并没有打印出来。只有调用此函数
* 初始化控制台以后才能在控制台上打印信息。
*/
if(panic_later)
panic("Too many boot %s vars at `%s'", panic_later,
panic_param);
lockdep_info();/* 如果定义了宏CONFIG_LOCKDEP，那么此函数打印一些信息。*/
locking_selftest() /* 锁自测 */
......
page_ext_init();
debug_objects_mem_init();
kmemleak_init(); /* kmemleak初始化，kmemleak用于检查内存泄漏 */
setup_per_cpu_pageset();
numa_policy_init();
if(late_time_init)
late_time_init();
sched_clock_init();
calibrate_delay();/* 测定BogoMIPS值，可以通过BogoMIPS来判断CPU的性能
* BogoMIPS设置越大，说明CPU性能越好。
*/
pidmap_init(); /* PID位图初始化 */
anon_vma_init(); /* 生成anon_vma slab缓存 */
acpi_early_init();
......
thread_info_cache_init();
cred_init(); /* 为对象的每个用于赋予资格(凭证) */
fork_init(); /* 初始化一些结构体以使用fork函数 */
proc_caches_init(); /* 给各种资源管理结构分配缓存 */
buffer_init(); /* 初始化缓冲缓存 */
key_init(); /* 初始化密钥 */
security_init(); /* 安全相关初始化 */
dbg_late_init();
vfs_caches_init(totalram_pages); /* 为VFS创建缓存 */
signals_init(); /* 初始化信号 */
page_writeback_init(); /* 页回写初始化 */
proc_root_init(); /* 注册并挂载proc文件系统 */
nsfs_init();
cpuset_init(); /* 初始化cpuset，cpuset是将CPU和内存资源以逻辑性
* 和层次性集成的一种机制，是cgroup使用的子系统之一
*/
cgroup_init(); /* 初始化cgroup */
taskstats_init_early(); /* 进程状态初始化 */
delayacct_init();
check_bugs(); /* 检查写缓冲一致性 */
acpi_subsystem_init();
sfi_init_late();
if(efi_enabled(EFI_RUNTIME_SERVICES)){
efi_late_init();
efi_free_boot_services();
}
ftrace_init();
rest_init(); /* rest_init函数 */
}

复制代码

start_kernel里面调用了大量的函数，每一个函数都是一个庞大的知识点，如果想要学习Linux内核，那么这些函数就需要去详细的研究。本教程注重于嵌入式Linux入门，因此不会去讲太多关于Linux内核的知识。start_kernel函数最后调用了rest_init，接下来简单看一下rest_init函数。
36.2.4 rest_init函数
rest_init函数定义在文件init/main.c中，函数内容如下：
示例代码36.2.4.1 rest_init函数

383static noinline void __init_refok rest_init(void)
384{
385int pid;
386
387 rcu_scheduler_starting();
388 smpboot_thread_init();
389/*
390 * We need to spawn init first so that it obtains pid 1, however
391 * the init task will end up wanting to create kthreads, which,
392 * if we schedule it before we create kthreadd, will OOPS.
393 */
394 kernel_thread(kernel_init,NULL, CLONE_FS);
395 numa_default_policy();
396 pid = kernel_thread(kthreadd,NULL, CLONE_FS | CLONE_FILES);
397 rcu_read_lock();
398 kthreadd_task = find_task_by_pid_ns(pid,&init_pid_ns);
399 rcu_read_unlock();
400 complete(&kthreadd_done);
401
402/*
403 * The boot idle thread must execute schedule()
404 * at least once to get things moving:
405 */
406 init_idle_bootup_task(current);
407 schedule_preempt_disabled();
408/* Call into cpu_idle with preempt disabled */
409 cpu_startup_entry(CPUHP_ONLINE);
410}

复制代码

      第387行，调用函数rcu_scheduler_starting，启动RCU锁调度器
      第394行，调用函数kernel_thread创建kernel_init线程，也就是大名鼎鼎的init内核进程。init进程的PID为1。init进程一开始是内核进程(也就是运行在内核态)，后面init进程会在根文件系统中查找名为“init”这个程序，这个“init”程序处于用户态，通过运行这个“init”程序，init进程就会实现从内核态到用户态的转变。
      第396行，调用函数kernel_thread创建kthreadd内核进程，此内核进程的PID为2。kthreadd进程负责所有内核进程的调度和管理。
      第409行，最后调用函数cpu_startup_entry来进入idle进程，cpu_startup_entry会调用cpu_idle_loop，cpu_idle_loop是个while循环，也就是idle进程代码。idle进程的PID为0，idle进程叫做空闲进程，如果学过FreeRTOS或者UCOS的话应该听说过空闲任务。idle空闲进程就和空闲任务一样，当CPU没有事情做的时候就在idle空闲进程里面“瞎逛游”，反正就是给CPU找点事做。当其他进程要工作的时候就会抢占idle进程，从而夺取CPU使用权。其实大家应该可以看到idle进程并没有使用kernel_thread或者fork函数来创建，因为它是有主进程演变而来的。
      在Linux终端中输入“ps-A”就可以打印出当前系统中的所有进程，其中就能看到init进程和kthreadd进程，如图36.2.4.1所示：

图36.2.4.1 Linux系统当前进程

从图36.2.4.1可以看出，init进程的PID为1，kthreadd进程的PID为2。之所以图36.2.4.1中没有显示PID为0的idle进程，那是因为idle进程是内核进程。我们接下来重点看一下init进程，kernel_init就是init进程的进程函数。
36.2.5 init进程
kernel_init函数就是init进程具体做的工作，定义在文件init/main.c中，函数内容如下：
示例代码36.2.5.1 kernel_init函数

928staticint __ref kernel_init(void*unused)
929{
930int ret;
931
932 kernel_init_freeable(); /* init进程的一些其他初始化工作 */
933/* need to finish all async __init code before freeing the
memory */
934 async_synchronize_full(); /* 等待所有的异步调用执行完成 */
935 free_initmem(); /* 释放init段内存 */
936 mark_rodata_ro();
937 system_state = SYSTEM_RUNNING;/* 标记系统正在运行 */
938 numa_default_policy();
939
940 flush_delayed_fput();
941
942if(ramdisk_execute_command){
943 ret = run_init_process(ramdisk_execute_command);
944if(!ret)
945return0;
946 pr_err("Failed to execute %s (error %d)\n",
947 ramdisk_execute_command, ret);
948}
949
950/*
951 * We try each of these until one succeeds.
952 *
953 * The Bourne shell can be used instead of init if we are
954 * trying to recover a really broken machine.
955 */
956if(execute_command){
957 ret = run_init_process(execute_command);
958if(!ret)
959return0;
960 panic("Requested init %s failed (error %d).",
961 execute_command, ret);
962}
963if(!try_to_run_init_process("/sbin/init")||
964!try_to_run_init_process("/etc/init")||
965!try_to_run_init_process("/bin/init")||
966!try_to_run_init_process("/bin/sh"))
967return0;
968
969 panic("No working init found. Try passing init= option to kernel. "
970"See Linux Documentation/init.txt for guidance.");
971}

复制代码

      第932行，kernel_init_freeable函数用于完成init进程的一些其他初始化工作，稍后再来具体看一下此函数。
第940行，ramdisk_execute_command是一个全局的char指针变量，此变量值为“/init”，也就是根目录下的init程序。ramdisk_execute_command也可以通过uboot传递，在bootargs中使用“rdinit=xxx”即可，xxx为具体的init程序名字。
      第943行，如果存在“/init”程序的话就通过函数run_init_process来运行此程序。
      第956行，如果ramdisk_execute_command为空的话就看execute_command是否为空，反正不管如何一定要在根文件系统中找到一个可运行的init程序。execute_command的值是通过uboot传递，在bootargs中使用“init=xxxx”就可以了，比如“init=/linuxrc”表示根文件系统中的linuxrc就是要执行的用户空间init程序。
      第963~966行，如果ramdisk_execute_command和execute_command都为空，那么就依次查找“/sbin/init”、“/etc/init”、“/bin/init”和“/bin/sh”，这四个相当于备用init程序，如果这四个也不存在，那么Linux启动失败！
      第969行，如果以上步骤都没有找到用户空间的init程序，那么就提示错误发生！
      最后来简单看一下kernel_init_freeable函数，前面说了，kernel_init会调用此函数来做一些init进程初始化工作。kernel_init_freeable定义在文件init/main.c中，缩减后的函数内容如下：
示例代码36.2.5.2 kernel_init_freeable函数

973static noinline void __init kernel_init_freeable(void)
974{
975/*
976 * Wait until kthreadd is all set-up.
977 */
978 wait_for_completion(&kthreadd_done);/* 等待kthreadd进程准备就绪 */
......
998
999 smp_init(); /* SMP初始化 */
1000 sched_init_smp(); /* 多核(SMP)调度初始化 */
1001
1002 do_basic_setup();/* 设备初始化都在此函数中完成 */
1003
1004/* Open the /dev/console on the rootfs, this should never fail */
1005if(sys_open((constchar __user *)"/dev/console", O_RDWR,0)<0)
1006 pr_err("Warning: unable to open an initial console.\n");
1007
1008(void) sys_dup(0);
1009(void) sys_dup(0);
1010/*
1011 * check if there is an early userspace init. If yes, let it do
1012 * all the work
1013 */
1014
1015if(!ramdisk_execute_command)
1016 ramdisk_execute_command ="/init";
1017
1018if(sys_access((constchar __user *) ramdisk_execute_command,0)!=0){
1019 ramdisk_execute_command =NULL;
1020 prepare_namespace();
1021}
1022
1023/*
1024 * Ok, we have completed the initial bootup, and
1025 * we're essentially up and running. Get rid of the
1026 * initmem segments and start the user-mode stuff..
1027 *
1028 * rootfs is available now, try loading the public keys
1029 * and default modules
1030 */
1031
1032 integrity_load_keys();
1033 load_default_modules();
1034}

复制代码

      第1002行，do_basic_setup函数用于完成Linux下设备驱动初始化工作！非常重要。do_basic_setup会调用driver_init函数完成Linux下驱动模型子系统的初始化。
      第1005行，打开设备“/dev/console”，在Linux中一切皆为文件！因此“/dev/console”也是一个文件，此文件为控制台设备。每个文件都有一个文件描述符，此处打开的“/dev/console”文件描述符为0，作为标准输入(0)。
      第1008和1009行，sys_dup函数将标准输入(0)的文件描述符复制了2次，一个作为标准输出(1)，一个作为标准错误(2)。这样标准输入、输出、错误都是/dev/console了。console通过uboot的bootargs环境变量设置，“console=ttymxc0,115200”表示将/dev/ttymxc0设置为console，也就是I.MX6U的串口1。当然，也可以设置其他的设备为console，比如虚拟控制台tty1，设置tty1为console就可以在LCD屏幕上看到系统的提示信息。
      第1020行，调用函数prepare_namespace来挂载根文件系统。跟文件系统也是由命令行参数指定的，也就是uboot的bootargs环境变量。比如“root=/dev/mmcblk1p2 rootwait rw”就表示根文件系统在/dev/mmcblk1p2中，也就是EMMC的分区2中。
      Linux内核启动流程就分析到这里，Linux内核最终是需要和根文件系统打交道的，需要挂载根文件系统，并且执行根文件系统中的init程序，以此来进去用户态。这里就正式引出了根文件系统，根文件系统也是我们系统移植的最后一片拼图。Linux移植三巨头：uboot、Linuxkernel、rootfs(根文件系统)。关于根文件系统后面章节会详细的讲解，这里我们只需要知道Linux内核移植完成以后还需要构建根文件系统即可。

【正点原子Linux连载】第三十六章Linux内核启动流程--摘自【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南

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