搜索引擎索引的数据结构和算法
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最近一直在研究 sphinx 的工作机制，在《Sphinx 的介绍和原理探索》简单地介绍了其工作原理之后，还有很多问题没有弄懂，比如底层的数据结构和算法，于是更进一步地从数据结构层面了解其工作原理。在网上搜了很多资料，发现没有很多介绍这方面的文章，后来找到了一本书，《这就是搜索引擎》，拜读了本书的第三章，介绍了主流搜索引擎用的数据结构及其工作原理，sphinx使用的数据结构也是一样的，用的也是倒排索引。
注：本文不会对sphinx和搜索引擎严格区分开，同一作搜索引擎看待。
先附图一枚：
索引基础
先介绍与搜索引擎有关的一些基本概念，了解这些概念对后续了解工作机制非常重要。
单词-文档矩阵
单词-文档矩阵是表达两者之间所具有的一种包含关系的概念模型。如下图所示，每列代表一个文档，每行代表一个单词，打对钩的位置代表包含关系。
从纵向看，可以得知每列代表文档包含了哪些单词；从横向看，每行代表了哪些文档包含了某个单词。搜索引擎的索引其实就是实现单词-文档矩阵的具体数据结构。可以有不同的方式来实现上述概念模型，比如倒排索引、签名文件、后缀树等方式。但实验数据表明，倒排索引是单词到文档映射关系的最佳实现方式。
倒排索引基本概念
文档（Document）：以文本形式存在的存储对象。如：网页、Word、PDF、XML等不同格式的文件。
文档集合（Document Collection）：若干文档构成的集合。如：大量的网页。
文档编号（Document ID）：搜索引擎内部，唯一标识文档的唯一编号。
单词编号（Word ID）：搜索引擎内部，唯一标识单词的唯一编号。
倒排索引（Inverted Index）：实现单词–文档矩阵的一种具体存储形式。倒排索引主要有单词词典和倒排文件组成。
单词词典（Lexicon）：文档集合中出现过的所有单词构成的字符串集合，单词词典内每条索引项记载单 词本身的一些信息及指向倒排列表的指针。
倒排列表（PostingList）：出现了某个单词的所有文档的文档列表及单词在该文档中出现的位置信息。 列表中每条记录称为一个倒排项（Posting）。
倒排文件（Inverted File）：保存所有单词的倒排列表的文件，倒排文件是存储倒排索引的物理文件。
概念之间的关系如图：.
倒排索引简单实例
下面举一个实例，这样对倒排索引有一个更直观的感受。
假设文档集合包含5个文档，每个文档内容如下图所示：
建立的倒排索引如下图：
单词ID：记录每个单词的单词编号；
单词：对应的单词；
文档频率：代表再文档集合中有多少个文档包含某个单词
倒排列表：包含单词ID及其他必要信息
TF：单词在某个文档中出现的次数
POS：单词在文档中出现的位置
以单词“加盟”为例，其单词编号为6，文档频率为3，代表整个文档集合中有三个文档包含这个单词，对应的倒排列表为{(2;1;),(3;1;),(5;1;)}，含义是在文档2，3，5出现过这个单词，在每个文档的出现过1次，单词“加盟”在第一个文档的POS是4，即文档的第四个单词是“加盟”，其他的类似。
这个倒排索引已经是一个非常完备的索引系统，实际搜索系统的索引结构基本如此。
单词词典
单词词典用来维护文档集合中出现过的所有单词的相关信息，同时用来记载某个单词对应的倒排列表在倒排文件中的位置信息。在查询时到单词词典里查询，就能获得相应的倒排列表，并以此作为后序排序的基础。
常用数据结构：哈希加链表和树形词典结构。
哈希加链表
下图是哈希加链表词典结构的示意图。主体是哈希表，每个哈希表项保存一个指针，指针指向冲突连表，相同哈希值的单词形成链表结构。
构建过程：
对文档进行分词；
对于做好的分词，利用哈希函数获取哈希值；
根据哈希值对应的哈希表项找到对应的冲突链表；
如果冲突链表已经存在该单词
不处理
否则
加入冲突连表
树形结构
使用B树或者B+树的结构。与哈希表不同的是，需要字典项能按照大小排序，即使用数字或字符序。 树形结构中，使用层级查找，中间节点保存一定顺序范围的词典项目存储在哪个子树中，最底层的叶子节点存储单词的地址信息。
倒排列表
倒排列表用来记录哪些文档包含了某个单词。倒排列表由倒排索引项组成，每个倒排索引项由文档ID，单词出现次数TD以及单词在文档中哪些位置出现过等信息。包含某单词的一些列倒排索引项形成了某个单词对应的倒排列表。下图是倒排列表示意图：
建立索引
前面介绍了索引结构，那么，有了数据之后索引是怎么建立的呢？主要有三种建立索引的方法。
两遍文档遍历法（2-Pass In-Memory Inversion）
此方法在内存里完成索引的创建过程。要求内存要足够大。
第一遍
收集一些全局的统计信息。包括文档集合包含的文档个数N，文档集合内所包含的不同单词个数M，每个单词在多少个文档中出现过的信息DF。
将所有单词对应的DF值全部相加，就可以知道建立最终索引所需的内存大小是多少。 获取信息后，根据统计信息分配内存等资源，同事建立好单词相对应倒排列表在内存中的位置信息。
第二遍
逐个单词建立倒排列表信息。获得包含某个单词的每个文档的文档ID，以及这个单词在文档中的出现次数TF，然后不断填充第一遍扫描时所分配的内存。当第二遍扫描结束的时候，分配的内存正好被填充满，每个单词用指针所指向的内存区域“片段”，其起始位置和终止位置之间的数据就是这个单词对应的倒排列表。
排序法（Sort-based Inversion）
在建立索引过程中，始终在内存中分配固定大小的空间，用来存放词典信息和索引的中间结果，当分配的空间被消耗光的时候，把中间结果写入磁盘，清空内存里中间结果所占空间，以用做下一轮存放索引中间结果的存储区。参考下图：
上图是排序法建立索引中间结果的示意图。建立过程：
1. 读入文档后，对文档进行编号，赋予唯一的文档ID，并对文档内容解析；
2. 将单词映射为单词ID；
3. 建立（单词ID、文档ID、单词频率）三元组；
4. 将三元组追加进中间结果存储区末尾；
5. 然后依次序处理下一个文档；
6. 当分配的内存定额被占满时，则对中间结果进行排序（根据单词ID->文档ID的排序原则）；
7. 将排好序的三元组写入磁盘文件中。
注：在排序法建立索引的过程中，词典是一直存储在内存中的，由于分配内存是固定大小，渐渐地词典占用内存越来越大，那么，越往后，可用来存储三元组的空间越来越少。
建立好索引后，需要合并。
合并时，系统为每个中间结果文件在内存中开辟一个数据缓冲区，用来存放文件的部分数据。将不同缓冲区中包含的同一个单词ID的三元组进行合并，如果某个单词ID的所有三元组全部合并完成，说明这个单词的倒排列表已经构建完成，则将其写入最终索引中，同事将各个缓冲区中对应这个单词ID的三元组内容清空。缓冲区继续从中间结果文件读取后续的三元组进行下一轮合并。当所有中间结果文件都依次被读入缓冲区，并合并完成后，形成最终的索引文件。
归并法（Merge-based Inversion）
归并法与排序法类似，不同的是，每次将内存中数据写入磁盘时，包括词典在内的所有中间结果都被写入磁盘，这样内存所有内容都可以被清空，后续建立索引可以使用全部的定额内存。归并法的示意图如下所示：
与排序法的差异：
1、排序法在内存中存放的是词典信息和三元组数据，词典和三元组数据并没有直接的联系，词典只是为了将单词映射为单词ID。归并法则是在内存中建立一个完整的内存索引结构，是最终文章索引的一部分。
2、在将中间结果写入磁盘临时文件时，归并法将这个内存的倒排索引写入临时文件，随后彻底清空所占内存。而排序法只是将三元组数据排序后写入磁盘临时文件，词典作为一个映射表一直存储在内存中。
3、合并时，排序法是对同一单词的三元组依次进行合并；归并法的临时文件则是每个单词对应的部分倒排列表，所以在合并时针对每个单词的倒排列表进行合并，形成这个单词的最终倒排列表。
动态索引
在真实环境中，搜索引擎需要处理的文档集合内有些文档可能被删除或者内容被修改。如果要在内容被删除或修改之后马上在搜索结果中体现出来，动态索引可以实现这种实时性需求。动态索引有三个关键的索引结构：倒排索引、临时索引和已删除文档列表。
临时索引：在内存中实时建立的倒排索引，当有新文档进入系统时，实时解析文档并将其追加进这个临时索引结构中。
已删除列表：存储已被删除的文档的相应文档ID，形成一个文档ID列表。当文档被修改时，可以认为先删除旧文档，然后向系统增加一篇新文档，通过这种间接方式实现对内容更改的支持。
当系统发现有新文档进入时，立即将其加入临时索引中。有新文档被删除时，将其加入删除文档队列。文档被更改时，则将原先文档放入删除队列，解析更改后的文档内容，并将其加入临时索引。这样就可以满足实时性的要求。
在处理用户的查询请求时，搜索引擎同时从倒排索引和临时索引中读取用户查询单词的倒排列表，找到包含用户查询的文档集合，并对两个结果进行合并，之后利用删除文档列表进行过滤，将搜索结果中那些已经被删除的文档从结果中过滤，形成最终的搜索结果，并返回给用户。
索引更新策略
动态索引可以满足实时搜索的需求，但是随着加入文档越来越多，临时索引消耗的内存也会随之增加。因此要考虑将临时索引的内容更新到磁盘索引中，以释放内存空间来容纳后续的文档，此时就需要考虑合理有效的索引更新策略。
完全重建策略（Complete Re-Build）
对所有文档重新建立索引。新索引建立完成后，老的索引被遗弃释放，之后对用户查询的响应完全由新的索引负责。在重建过程中，内存中仍然需要维护老的索引对用户的查询做出响应。如图所示
再合并策略（Re-Merge）
有新文档进入搜索系统时，搜索系统在内存维护临时倒排索引来记录其信息，当新增文档达到一定数量，或者指定大小的内存被消耗完，则把临时索引和老文档的倒排索引进行合并，以生成新的索引。过程如下图所示：
更新步骤：
1、当新增文档进入系统，解析文档，之后更新内存中维护的临时索引，文档中出现的每个单词，在其倒排列表末尾追加倒排列表项，这个临时索引可称为增量索引
2、一旦增量索引将指定的内存消耗光，增量索引和老的倒排索引内容需要进行合并。
高效的原因：在对老的倒排索引进行遍历时，因为已经按照索引单词的词典序由低到高排好顺序，所以可以顺序读取文件内容，减少磁盘寻道时间。
缺点：因为要生成新的倒排索引文件，所以老索引中的倒排列表没发生变化也需要读出来并写入新索引中。增加了I/O的消耗。
原地更新策略（In-Place）
原地更新策略的出发点是为了解决再合并策略的缺点。
在索引合并时，并不生成新的索引文件，而是直接在原先老的索引文件里进行追加操作，将增量索引里单词的倒排列表项追加到老索引相应位置的末尾，这样就可达到上述目标，即只更新增量索引里出现的单词相关信息，其他单词相关信息不变动。
为了能够支持追加操作，原地更新策略在初始建立的索引中，会在每个单词的倒排列表末尾预留出一定的磁盘空间，这样，在进行索引合并时，可以将增量索引追加到预留空间中。如下图：
实验数据证明，原地更新策略的索引更新效率比再合并策略低，原因： 1、由于需要做快速迁移，此策略需要对磁盘可用空间进行维护和管理，成本非常高。 2、做数据迁移时，某些单词及其对应倒排列表会从老索引中移出，破坏了单词连续性，因此需要维护一个单词到其倒排文件相应位置的映射表。降低了磁盘读取速度及消耗大量内存（存储映射信息）。
混合策略（Hybrid）
将单词根据其不同性质进行分类，不同类别的单词，对其索引采取不同的索引更新策略。常见做法：根据单词的倒排列表长度进行区分，因为有些单词经常在不同文档中出现，所以其对应的倒排列表较长，而有些单词很少见，则其倒排列表就较短。根据这一性质将单词划分为长倒排列表单词和短倒排列表单词。长倒排列表单词采取原地更新策略，而短倒排列表单词则采取再合并策略。
因为长倒排列表单词的读/写开销明显比短倒排列表单词大很多，所以采用原地更新策略能节省磁盘读/写次数。而大量短倒排列表单词读/写开销相对而言不算太大，所以利用再合并策略来处理，则其顺序读/写优势也能被充分利用。
查询处理
建立好索引之后，如何用倒排索引来响应用户的查询呢？主要有下面三种查询处理机制。
一次一文档（Doc at a Time）
以倒排列表中包含的文档为单位，每次将其中某个文档与查询的最终相似性得分计算完毕，然后开始计算另外一个文档的最终得分，直到所有文档的得分计算完毕为止。然后根据文档得分进行大小排序，输出得分最高的K个文档作为搜索结果输出，即完成了一次用户查询的响应。实际实现中，只需在内存中维护一个大小为K的优先级队列。如下图所示是一次一文档的计算机制示意图：
虚线箭头标出查询处理计算的前进方向。查询时，对于文档1而言，因为两个单词的倒排列表中都包含这个文档，所以可以根据各自的TF和IDF等参数计算文档和查询单词的相似性，之后将两个分数相加得到文档1和用户查询的相似性得分Score1。其他的也是类似计算。最后根据文档得分进行大小排序，输出得分最高的K隔文档作为搜索结果输出。
一次一单词（Term at a Time）
与一次一文档不同，一次一单词采取“先横向再纵向”的方式，首先将某个单词对应的倒排列表中的每个文档ID都计算一个部分相似性得分，也就是说，在单词-文档矩阵中首先进行横向移动，在计算完某个单词倒排列表中包含的所有文档后，接着计算下一个单词倒排列表中包含的文档ID，即进行纵向计算，如果发现某个文档ID已经有了得分，则在原先得分基础上累加。当所有单词都处理完毕后，每个文档最终的相似性得分计算结束，之后按照大小排序，输出得分最高的K个文档作为搜索结果。 下图是一次一单词的运算机制。
虚线箭头指示出了计算的前进方向，为了保存数据，在内存中使用哈希表来保存中间结果及最终计算结果。在查询时，对于文档1，根据TD和IDF等参数计算这个文档对”搜索引擎“的相似性得分，之后根据文档ID在哈希表中查找，并把相似性得分保存在哈希表中。依次对其他文档计算后，开始下一个单词（此处是”技术“）的相似性得分的计算。计算时，对于文档1，计算了相似性得分后，查找哈希表，发现文档1以及存在得分，则将哈希表对应的得分和刚刚计算得到的得分相加作为最终得分，并更新哈希表1中文档1对应的得分，这样就得到文档1和用户查询最终的相似性得分，类似的计算其他文档，最后将结果排序后输出得分最高的K个文档作为搜索结果。
跳跃指针（Skip Pointers）
基本思想：将一个倒排列表数据化整为零，切分为若干个固定大小的数据块，一个数据块作为一组，对于每个数据块，增加元信息来记录关于这个块的一些信息，这样即使是面对压缩后的倒排列表，在进行倒排列表合并的时候也能有两个好处：
1、无须解压所有倒排列表项，只解压部分数据即可
2、无须比较任意两个文档ID。
下图是将“Google”这个查询词对应的倒排列表加入跳跃指针后的数据结构。
假设对于“Google”这个单词的倒排列表来说，数据块的大小为3。然后在每块数据前加入管理信息，比如第一块的管理信息是«5,Pos1»，5表示块中第一个文档ID编号，Pos1是跳跃指针，指向第2块的起始位置。假设要在单词“Google”压缩后的倒排列表里查找文档ID为7的文档。首先，对倒排列表前两个数值进行数据解压缩，读取第一组的跳跃指针数据，发现其值为，其中Pos1指出了第2组的跳跃指针在倒排列表中的起始位置，于是可以解压缩Pos1位置处连续两个数值，得到。5和13是两组数据中最小的文档ID（即每组数据的第一个文档ID），我们要找的是7，那么如果7号文档包含在单词”Google“的倒排列表中的话，就一定会出现在第一组，否则说明倒排列表中不包含这个文档。解压第1组数据后，根据最小文档编号逆向恢复其原始的文档编号，此处的原始文档ID是：5+2=7，与我们要找的文档ID相同，说明7号文档在单词”Google“的倒排列表中，于是可以结束这次查找。
从上面的查找过程可知，在查找数据时，只需要对其中一个数据块进行解压缩和文档编号查找即可获得结果，而不必解压所有数据，很明显加快查找速度，并节省内存空间。
缺点：增加指针比较操作的次数。
实践表明：假设倒排列表的长度为L（即包含L个文档ID），使用根号L作为块大小，则效果较好。
多字段索引
即对文档的多个字段进行索引。 实现多字段索引的方式：多索引方式、倒排列表方式和扩展列表方式。
多索引方式
针对每个不同的字段，分别建立一个索引，当用户指定某个字段作为搜索范围时，可以从相应的索引里提取结果。当用户没有指定特定字段时，搜索引擎会对所有字段都进行查找并合并多个字段的相关性得分，这样效率较低。多索引方式示意图如下：
倒排列表方式
将字段信息存储在某个关键词对应的倒排列表内，在倒排列表中每个文档索引项信息的末尾追加字段信息，这样在读出用户查询关键词的倒排列表的同时，就可以根据字段信息，判断关键词是否在某个字段出现，以此来进行过滤。倒排列表方式示意图如下：
扩展列表方式
这是用得比较多的支持多字段索引的方法。为每个字段建立一个列表，该列表记录了每个文档这个字段对应的出现位置信息。下图是扩展列表的示意图：
为方便起见，只针对”标题“字段所建立扩展列表。比如第一项，代表对于文档1而言，其标题的位置为从第一个单词到第4个单词这个范围，其他项含义类似。
对于查询而言，假设用户在标题字段搜索”搜索引擎“，通过倒排列表可以知道文档1、3、4包含这个查询词，接下来需要判断这些文档是否在标题字段中出现过查询词？对于文档1，”搜索引擎“这个查询词的出现位置是6和10。而通过对应的标题扩展列表可知，文档1的标题范围是1到4，说明文档1的标题内不包含查询词，即文档1不满足要求。对于文档3，”搜索引擎出现的位置是2、8、15，对应的标题扩展列表中，标题出现范围为1到3，说明在位置2出现的这个查询词是在标题范围内的，即满足要求，可以作为搜索结果输出。文档4也是类似的处理。
短语查询
短语查询的本质是如何在索引中维护单词之间的顺序关系或者位置信息。较常见的支持短语查询技术包括：位置信息索引、双词索引和短语索引。也可将三者结合使用。
位置信息索引（Position Index）
在索引中记录单词位置信息，可以很方便地支持短语查询。但是其付出的存储和计算代价很高。示意图如下：
的含义是，5文档包含“爱情“这个单词，且这个单词在文档中出现2次，其对应的位置为3和7，其他的含义与此相同。
查询时，通过倒排列表可知，文档5和文档9同时包含两个查询词，为了判断在这两个文档中，用户查询是否以短语的形式存在，还要判断位置信息。”爱情“这个单词在5号文档的出现位置是3和7，而”买卖“在5号文档的出现位置是4，可以知道5号文档的位置3和位置4分别对应单词”爱情“和”买卖“，即两者是一个短语形式，而根据同样的分析可知9号文档不是短语，所以5号文档会被作为搜索结果返回。
双词索引（Nextword Index）
统计数据表明，二词短语在短语中所占比例最大，因此针对二词短语提供快速查询，能解决短语查询的问题。但是这样做的话倒排列表个数会发生爆炸性增长。双词索引的数据结构如下图：
由图可知，内存中包含两个词典，分别是”首词“和”下词“词典，”首词“词典有指向”下词“词典某个位置的指针，”下词“词典存储了紧跟在”首词“词典的常用短语的第2个单词，”下词“词典的指针指向包含这个短语的倒排列表。比如”我的“这个短语，其倒排列表包含文档5和7，”的父亲“这个短语，其倒排列表包含文档5，其余词典也是类似的含义。
对于查询，用户输入”我的父亲“进行查询，搜索引擎将其进行分词得到”我的“和”的父亲“两个短语，然后分别查找词典信息，发现包含”我的“这个短语的是文档5和文档7，而包含”的父亲“这个短语的有文档5。查看其对应的出现位置，可以知道文档5是符合条件的搜索结果，这样就完成了对短语查询的支持。
双词索引会使得索引急剧增大，一般实现并非对所有单词都建立双词索引，而是只对计算代价高的短语建立双词索引。
短语索引（Phrase Index）
直接在词典中加入多次短语并维护短语的倒排列表。缺点就是不可能事先将所有短语都建好索引。通用做法就是挖掘出热门短语。下图是加入短语索引后的整体索引结构：
对于查询，当搜索引擎接收到用户查询后，现在短语索引里查找，如果找到，则计算后返回给用户搜索结果，否则仍然利用常规索引进行查询处理。
混合方法
将三者结合起来，接收到用户查询后，系统首先在短语索引中查找，如果找到则返回结果，否则在双词索引中查找，如果找到则返回结果，否则从常规索引中对短语进行处理，充分发挥各自的优势。3种方式的混合索引结构如下图所示：
短语查询用来对热门短语和高频短语进行索引，双词索引对包含停用词等高代价短语进行索引。
对于查询，系统首先在短语索引中查找，如果找到则返回结果，否则在双词索引中查找，如果找到则返回结果，否则从常规索引中对短语进行处理，这样就充分发挥各自的优势。
分布式索引（Parallel Indexing）
当搜索引擎需要处理的文档集合太多的时候，就需要考虑分布式解决方案。每台机器维护整个索引的一部分，有多台机器协作来完成索引的建立和对查询的响应。
按文档划分（Document Paritioning）
将整个文档集合切割成若干个子集合，而每台机器负责对某个文档子集合建立索引，并响应查询请求。按文档划分示意图如下：
工作原理：查询分发服务器接收到用户查询请求后，将查询广播给所有索引服务器。每个索引服务器负责部分文档子集合的索引维护和查询响应。当索引服务器接收到用户查询后，计算相关文档，并将得分最高的K个文档送返查询分发服务器。查询分发服务器综合各个索引服务器的搜索结果后，合并搜索结果，将得分最高的m个文档作为最终搜索结果返回给用户。
按单词划分（Term Paritioning）
每个索引服务器负责词典中部分单词的倒排列表的建立和维护。按单词划分示意图如下：
工作原理：一次一个单词。假设查询包含A、B、C三个单词，查询服务器接收到查询后，将查询转发到包含单词A倒排列表的索引服务器节点1，索引服务器节点1提取A的倒排列表，并累计计算搜索结果的中间的分，然后将查询和中间结果传递给包含单词B倒排列表的索引服务器节点，索引服务器节点2也是类似处理，并继续到索引服务器节点3。然后将最终结果返回给查询分发服务器，查询分发服务器计算得分最高的K个文档作为搜索结果输出。
两种方案比较
按文档比较常用，按单词划分只在特殊应用场合才使用。 按单词划分的不足：
可扩展性
搜索引擎处理的文档是经常变动的。如果按文档来对索引划分，只需要增加索引服务器，操作起来很方便。但如果是按单词进行索引划分，则对几乎所有的索引服务器都有直接影响，因为新增文档可能包含所有词典单词，即需要对每个单词的倒排列表进行更新，实现起来相对复杂。
负载均衡
常用单词的倒排列表非常庞大，可能会达到几十M大小。如果按文档划分，这种单词的倒排列表会比较均匀地分布在不同的索引服务器上，而按单词进行索引划分，某个常见单词的倒排列表全部内容都由一台索引服务器维护。如果该单词同时是一个流行词汇，那么该服务器会成为负载过大的性能瓶颈。
容错性
假设某台服务器出现故障。如果按文档进行划分，那么只影响部分文档子集合，其他索引服务器仍然能响应。但如果按单词进行划分，若索引服务器发生故障，则某些单词的倒排列表无法访问，用户查询这些单词的时候，会发现没有搜索结果，直接影响用户体验。
对查询处理方式的支持
按单词进行索引一次只能查询一个单词，而按文档划分的不受此限制。
总结
通过了解搜索引擎使用的数据结构和算法，对其工作原理有了进一步的认识。对于sphinx来说，在线上环境可以考虑增量索引和一次全量索引结合达到实时性的效果。
由于底层基础比较差，花了大半个月重复读了几遍才能弄懂第三章讲的内容，真正体会到数据结构和算法真的很重要。虽然日常工作很少会直接用到数据结构和算法，但是知道了常用的数据结构和算法之后，在遇到问题时就会有更多解决方案的思路，厚积薄发。
到此本文结束，如果还有什么疑问或者建议，可以多多交流，原创文章，文笔有限，才疏学浅，文中若有不正之处，万望告知。
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