Lua
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編程範型 | 多範式:指令碼,指令式(程序式,基於原型,物件導向),函數式 |
---|---|
設計者 | Roberto Ierusalimschy Waldemar Celes Luiz Henrique de Figueiredo |
面市時間 | 1993年 |
目前版本 |
|
型態系統 | 動態、強型別、鴨子 |
實作語言 | ANSI C |
作業系統 | 跨平台 |
授權條款 | MIT授權條款 |
副檔名 | .lua |
網站 | www |
主要實作產品 | |
Lua, LuaJIT, LuaVela, MoonSharp, Luvit, LuaRT | |
衍生副語言 | |
Metalua, Idle, GSL Shell, Luau | |
啟發語言 | |
Scheme、SNOBOL、Modula-2、CLU、C++ | |
影響語言 | |
GameMonkey, Io, JavaScript, Julia, MiniD, Red, Ring[2], Ruby, Squirrel, MoonScript, C-- |
Lua(發音: /ˈluːə/,葡萄牙語「月亮」)是一個簡潔、輕量、可擴充的手稿語言。Lua有著相對簡單的C語言API而很容易嵌入應用中[3]。很多應用程式使用Lua作為自己的嵌入式手稿語言,以此來實現可組態性、可擴充性[4]。
歷史
Lua是在1993年由羅伯托·耶魯薩林斯希、Luiz Henrique de Figueiredo和Waldemar Celes建立的,他們當時是巴西的里約熱內盧天主教大學的電腦圖形技術組(Tecgraf)成員。Lua的先驅是資料描述/組態語言「SOL」(簡單對象語言)和「DEL」(資料錄入語言)[5]。他們於1992年–1993年在Tecgraf獨立開發了需要增加靈活性的兩個不同專案(都是用於工程應用的互動式圖形程式)。在SOL和DEL中缺乏很多控制流結構,需要向它們增加完全的編程能力。
在《The Evolution of Lua》中,這門語言的作者寫道[6]:
在1993年,唯一真正的競爭者是Tcl,它已經明確的設計用於嵌入到應用之中。但是,Tcl有著不熟知的語法,未對資料描述提供良好的支援,並且只在Unix平台上執行。我們不考慮LISP或Scheme,因為它們有著不友好的語法。Python仍處在幼年期。在Tecgraf的自由的自力更生氛圍下,我們非常自然的嘗試開發自己的手稿語言 ... 由於這門語言的很多潛在使用者不是專業編程者,語言應當避免神秘的語法和語意。新語言的實現應當是高度可移植的,因為Tecgraf的客戶有著非常多樣的各種電腦平台。最後,由於我們預期Tecgraf的其他產品也需要嵌入手稿語言,新語言應當追隨SOL的例子並提供為帶有C API的庫。
Lua主要受到了下列前輩語言的影響:
- Modula-2:從中引入了大部份控制結構語法,
if
、while
、repeat
/until
。 - CLU:多賦值和從函式呼叫的多個返回值,這是對參照參數或顯式指標的更簡單的替代。
- C++:「允許局部變數只在需要的地方聲明的靈巧想法」[6]。
- SNOBOL和AWK:關聯陣列。
- LISP和Scheme:在發表於《Dr. Dobb's Journal》的文章中,Lua的創立者還聲稱,有著單一且無所不在的資料結構機制(列表)的LISP和Scheme,對他們決定將表格開發為Lua的主要資料結構起到了主要影響[7]。Lua的語意久而久之日趨受到Scheme的影響[6],特別是介入了匿名函式和完全的詞法作用域。
Lua在版本5.0之前在類似BSD授權條款之下發行。自從版本5.0以來,Lua採用了MIT授權條款。
特性
Lua是一種輕量語言,它的官方版本只包括一個精簡的核心和最基本的庫。這使得Lua體積小、啟動速度快。它用ANSI C語言編寫[8],並以原始碼形式開放,編譯後的完整參考直譯器只有大約247kB[8],到5.4.3版本,該體積變成283kB(Linux,amd64),依然非常小巧,可以很方便的嵌入別的程式裡。和許多「大而全」的語言不一樣,網路通訊、圖形介面等都沒有預設提供。但是Lua可以很容易地被擴充:由宿主語言(通常是C或C++)提供這些功能,Lua可以使用它們,就像是本來就內建的功能一樣。事實上,現在已經有很多成熟的擴充模組可供選用。
Lua是一個動態型別語言,支援增量式垃圾收集策略。有內建的,與作業系統無關的協同運作式多執行緒支援。Lua原生支援的資料類型很少,只提供了數值(預設是雙精度浮點數,可組態)、布林量、字串、表格、函式、執行緒以及使用者自訂資料這幾種。但是其處理表和字串的效率非常之高,加上元表的支援,開發者可以高效的類比出需要的複雜資料類型(比如集合、陣列等)。
語法和語意
Lua是一種多重程式設計範式的程式設計語言:它只提供了很小的一個特性集合來滿足不同程式設計範式的需要,而不是為某種特定的程式設計範式提供繁雜的特性支援。例如,Lua並不提供繼承這個特性,但是你可以用元表格來類比它。諸如命名空間、類這些概念都沒有在語言基本特性中實現,但是我們可以用表格結構(Lua唯一提供的複雜資料結構)輕易類比。正是提供了這些基本的元特性,我們可以任意的對語言進行自需的改造。
Lua實現了少量的進階特徵比如頭等函式、垃圾回收、閉包、正當尾呼叫、類型轉換(於執行時間在字串和數值之間自動轉換)、協程(協同運作多工)和動態模組裝載。
詞法
經典的Hello World!程式可以寫為如下[9]:
print("Hello World!")
或者如下:
print 'Hello World'
print [[Hello World]]
在Lua中注釋可以於雙連字元並列至此行的結束,類似於Ada、Eiffel、Haskell、SQL和VHDL。多行字串和注釋用雙方括號來裝飾。
下例中實現了一個階乘函式:
function factorial(n)
local x = 1
for i = 2, n do
x = x * i
end
return x
end
控制流
Lua有四種類型的迴圈:while
迴圈,repeat
迴圈(類似於do while
迴圈),數值for
迴圈,和通用for
迴圈,和條件語句if exp then ... {elseif exp then ...} [else ...] end
。
--condition = true
while condition do
--statements
end
repeat
--statements
until condition
for i = first, last, delta do --delta可以是负数,允许计数增加或减少的循环
--statements
--example: print(i)
end
通用for
迴圈:
for key, value in pairs(_G) do
print(key, value)
end
將在表格_G
上使用標準迭代器函式pairs
進行迭代,直到它返回nil
。
可以有巢狀的迴圈,就是在其他迴圈中的迴圈。
local grid = {
{ 11, 12, 13 },
{ 21, 22, 23 },
{ 31, 32, 33 }
}
for y, row in ipairs(grid) do
for x, value in ipairs(row) do
print(x, y, grid[y][x])
end
end
函式
Lua將函式處理為頭等值,在下例子中用print
函式的表現可以修改來展示:
do
local oldprint = print
-- 存储当前的print函数为oldprint
function print(s)
--[[重新定义print函数。新函数只有一个实际参数。
平常的print函数仍可以通过oldprint使用。]]
oldprint(s == "foo" and "bar" or s)
end
end
任何對print
的進一步呼叫都要經由新函式,並且由於Lua的詞法作用域,這個舊的print
函式將只能被這個新的修改了的print
訪問到。
Lua還支援閉包,展示如下:
function addto(x)
-- 返回一个把实际参数加到x上
return function(y)
--[=[ 在我们引用变量x的时候,它在当前作用域的外部,
它的生命期会比这个匿名函数短,Lua建立一个闭包。]=]
return x + y
end
end
fourplus = addto(4)
print(fourplus(3)) -- 打印7
--这也可以通过如下方式调用这个函数来完成:
print(addto(4)(3))
--[[这是因为这直接用视件参数3调用了从addto(4)返回的函数。
如果经常这么调用的话会减少数据消耗并提升性能。]]
每次呼叫的時候為變數x
建立新的閉包,所以返回的每個新匿名函式都訪問它自己的x
參數。閉包由Lua的垃圾收集器來管理,如同任何其他對象一樣。
function create_a_counter()
local count = 0
return function()
count = count + 1
return count
end
end
create_a_counter()
會返回一個匿名函式,這個匿名函式會把count
加1
後再回傳。在匿名函式中的變數count
的值會一直被儲存在匿名函式中。因此呼叫create_a_counter()
時產生一個記數器函式,每次呼叫記數器函式,都會得到一個比上次大1
的值。
變數類型
Lua是一種動態型別語言,因此語言中沒有類型的定義,不需要聲明變數類型,每個變數自己儲存了類型。
有8種基本類型:nil、布林值(boolean)、數字型(number)、字串型(string)、使用者自訂類型(userdata)、函式(function)、執行緒(thread)和表(table)。
print(type(nil)) -- 输出 nil
print(type(99.7+12*9)) -- 输出 number
print(type(true)) -- 输出 boolean
print(type("Hello Wikipedia")) -- 输出 string
print(type(print)) -- 输出 function
print(type({1, 2, test = "test"})) -- 输出 table
表格
表格(table)是Lua中最重要的資料結構(並且是設計中唯一內建的複合資料類型),並且是所有使用者建立類型的基礎。它們是增加了自動數值鍵和特殊語法的關聯陣列。
表格是鍵和資料的有序對的搜集,其中的資料用鍵來參照;換句話說,它是雜湊異構關聯陣列。
表格使用{}
構造器語法來建立。
a_table = {} -- 建立一个新的空表格
表格總是用參照來傳遞的(參見傳共享呼叫)。
鍵(索引)可以是除了nil
和NaN的任何值,包括函式。
a_table = {x = 10} -- 建立一个新表格,具有映射"x"到数10的一个表项。
print(a_table["x"]) -- 打印于这个字符串关联的值,这里是10。
b_table = a_table
b_table["x"] = 20 -- 在表格中的值变更为20。
print(b_table["x"]) -- 打印20。
print(a_table["x"]) -- 还是打印20,因为a_table和b_table都引用相同的表格。
通過使用字串作為鍵,表格經常用作結構(或記錄)。由於這種用法太常見,Lua為訪問這種欄位提供了特殊語法[10]。
point = { x = 10, y = 20 } -- 建立一个新表格
print(point["x"]) -- 打印10
print(point.x) -- 同上一行完全相同含义。易读的点只是语法糖。
通過使用表格來儲存有關函式,它可以充當名字空間。
Point = {}
Point.new = function(x, y)
return {x = x, y = y} -- return {["x"] = x, ["y"] = y}
end
Point.set_x = function(point, x)
point.x = x -- point["x"] = x;
end
表格被自動的賦予了數值鍵,使得它們可以被用作陣列資料類型。第一個自動索引是1
而非0
,因為很多其他程式語言都這樣(儘管顯式的索引0
是允許的)。
數值鍵1
不同於字串鍵"1"
。
array = { "a", "b", "c", "d" } -- 索引被自动赋予。
print(array[2]) -- 打印"b"。在Lua中自动索引开始于1。
print(#array) -- 打印4。#是表格和字符串的长度算符。
array[0] = "z" -- 0是合法索引。
print(#array) -- 仍打印4,因为Lua数组是基于1的。
表格的長度t
被定義為任何整數索引n
,使得t[n]
不是nil
而t[n+1]
是nil
;而且如果t[1]
是nil
, n
可以是0
。對於一個正規表格,具有非nil
值從1
到給定n
,它的長度就精確的是n
,它的最後的值的索引。如果這個陣列有「洞」(就是說在其他非nil
值之間的nil
值),則#t
可以是直接前導於nil
值的任何一個索引(就是說可以把任何這種nil
值當作陣列的結束[11])。
ExampleTable =
{
{1, 2, 3, 4},
{5, 6, 7, 8}
}
print(ExampleTable[1][3]) -- 打印"3"
print(ExampleTable[2][4]) -- 打印"8"
表格可以是對象的陣列。
function Point(x, y) -- "Point"对象构造器
return { x = x, y = y } -- 建立并返回新对象(表格)
end
array = { Point(10, 20), Point(30, 40), Point(50, 60) } -- 建立point的数组
-- array = { { x = 10, y = 20 }, { x = 30, y = 40 }, { x = 50, y = 60 } };
print(array[2].y) -- 打印40
使用雜湊對映來類比陣列通常比使用真正陣列要慢;但Lua表格為用作陣列而做了最佳化來避免這個問題[12]。
元表格
可擴充的語意是Lua的關鍵特徵,而「元表格」概念允許以強力方式來客製化Lua的表格。下列例子展示了一個「無限」表格。對於任何n
,fibs[n]
會給出第n
個斐波那契數,使用了動態規劃和記憶化。
fibs = { 1, 1 } -- 给fibs[1]和fibs[2]初始值。
setmetatable(fibs, {
__index = function(values, n) --[[__index是Lua预定义的函数,
如果"n"不存在则调用它。]]
values[n] = values[n - 1] + values[n - 2] -- 计算并记忆化fibs[n]。
return values[n]
end
})
物件導向程式設計
儘管Lua沒有內建的類的概念,可以用過兩個語言特徵實現物件導向程式設計:頭等函式和表格。通過放置函式和有關資料入表格,形成一個對象。繼承(單繼承和多重繼承二者)可以通過使用元表格機制來實現,告訴這個對象在哪些父對象中尋找不存在的方法。
對於這些技術不採用「類」的概念,而是採用原型,類似於Self或JavaScript。建立新對象要麼通過工廠方法(從頭構造一個新對象),要麼通過複製現存的對象。
建立一個基本的向量對象:
local Vector = {}
Vector.__index = Vector
function Vector:new(x, y, z) -- 构造器
return setmetatable({x = x, y = y, z = z}, Vector)
end
function Vector:magnitude() -- 另一个方法
-- 使用self引用隐蔽的对象
return math.sqrt(self.x^2 + self.y^2 + self.z^2)
end
local vec = Vector:new(0, 1, 0) -- 建立一个向量
print(vec:magnitude()) -- 调用一个方法 (输出: 1)
print(vec.x) -- 访问一个成员变量 (输出: 0)
Lua為便利對象定向提供了一些語法糖。要聲明在原型表格內的成員函式,可以使用function table:func(args)
,它等價於function table.func(self, args)
。呼叫類別方法也使用冒號,object:func(args)
等價於object.func(object, args)
。
下面是使用:
語法糖的對應的類:
local Vector = {}
Vector.__index = Vector
function Vector:new(x, y, z) -- 构造子
-- 因为函数定义使用冒号,
-- 其第一个实际参数是"self"
-- 它引用到"Vector"
return setmetatable({x = x, y = y, z = z}, self)
end
function Vector:magnitude() -- 另一个方法
-- 使用self引用隐含的对象
return math.sqrt(self.x^2 + self.y^2 + self.z^2)
end
local vec = Vector:new(0, 1, 0) -- 建立一个向量
print(vec:magnitude()) -- 调用方法(输出:1)
print(vec.x) -- 访问成员变量(输出:0)
繼承
Lua支援使用元表格來使得Lua具有類繼承[13]。在這個例子中,我們允許向量在衍生的類中將它們的值乘以一個常數:
local Vector = {}
Vector.__index = Vector
function Vector:new(x, y, z) -- 构造子
-- 这里的self引用到我们调用"new"方法的任何类
-- 在派生的类中,self将是派生的类;
-- 在Vector类中,self将是Vector。
return setmetatable({x = x, y = y, z = z}, self)
end
function Vector:magnitude() -- 另一个方法
-- 使用self引用隐含的对象
return math.sqrt(self.x^2 + self.y^2 + self.z^2)
end
-- 类继承的例子
local VectorMult = {}
VectorMult.__index = VectorMult
setmetatable(VectorMult, Vector) -- 使得VectorMult成为Vector的孩子
function VectorMult:multiply(value)
self.x = self.x * value
self.y = self.y * value
self.z = self.z * value
return self
end
local vec = VectorMult:new(0, 1, 0) -- 建立一个向量
print(vec:magnitude()) -- 调用一个方法(输出:1)
print(vec.y) -- 访问一个成员变量(输出:1)
vec:multiply(2) -- 将向量的所有分量乘以2
print(vec.y) -- 再次访问成员变量(输出:2)
Lua還支援多重繼承,__index
可以要麼是一個函式要麼是一個表格[14]。也支援運算子多載,Lua元表格通過設定元素比如__add
、__sub
等來重寫表的運算子操作行為[15]。
實現
Lua程式不是從文字式的Lua檔案直接解釋的,而是編譯成位元組碼,接著把它執行在Lua虛擬機器上。編譯過程典型的對於使用者是不可見並且是在執行時間進行的,但是它可以離線完成用來增加裝載效能或通過排除編譯器來減少對宿主環境的主記憶體占用。Lua位元組碼還可以在Lua之內產生和執行,使用來自字串庫的dump
函式和load/loadstring/loadfile
函式。Lua版本5.3.4是用大約24,000行C代碼實現的[4][8]。
像大多數CPU,而不像多數虛擬機器(它們是基於堆疊的),Lua VM是基於暫存器的,因此更加類似真實的硬體設計。暫存器架構既避免了過多的值複製又減少了每函式的指令的總數。Lua 5的虛擬機器是第一個廣泛使用的基於暫存器的純VM[16]。Parrot和Android的Dalvik是另外兩個周知的基於暫存器的VM。PCScheme的VM也是基於暫存器的[17]。
下面的例子列出上面定義的階乘函式的位元組碼(通過luac
5.1編譯器來展示)[18]:
function <factorial.lua:1,7> (9 instructions, 36 bytes at 0x8063c60) 1 param, 6 slots, 0 upvalues, 6 locals, 2 constants, 0 functions 1 [2] LOADK 1 -1 ; 1 2 [3] LOADK 2 -2 ; 2 3 [3] MOVE 3 0 4 [3] LOADK 4 -1 ; 1 5 [3] FORPREP 2 1 ; to 7 6 [4] MUL 1 1 5 7 [3] FORLOOP 2 -2 ; to 6 8 [6] RETURN 1 2 9 [7] RETURN 0 1
C API
Lua意圖被嵌入到其他應用之中,為了這個目的而提供了C API。API被分成兩部份:Lua核心庫和輔助庫[19]。Lua API的設計消除了對用C代碼的手動參照管理的需要,不同於Python的API。API就像語言本身一樣是極簡主義的。進階功能通過輔助庫來提供,它們很大程度上構成自預處理器宏,用以幫助做複雜的表格操作。
Lua C API是基於堆疊的。Lua提供壓入和彈出最簡單C資料類型(整數、浮點數等)進入和離開堆疊的函式,還有通過堆疊操作表格的函式。Lua堆疊稍微不同於傳統堆疊,例如堆疊可以直接的被索引。負數索引指示從棧頂開始往下的偏移量。例如−1是在頂部的(最新進壓入的值),而整數索引指示從底部(最舊的值)往上的偏移量。在C和Lua函式之間集結資料也使用堆疊完成。要呼叫一個Lua函式,把實際參數壓入堆疊,並接著使用lua_call
來呼叫實際的函式。在寫從Lua直接呼叫的C函式的時候,實際參數讀取自堆疊。
下面是從C呼叫Lua函式的例子:
#include <stdio.h>
#include <lua.h> // Lua主要库 (lua_*)
#include <lauxlib.h> // Lua辅助库 (luaL_*)
int main(void)
{
// 建立一个Lua状态
lua_State *L = luaL_newstate();
// 装载并执行一个字符串
if (luaL_dostring(L, "function foo (x,y) return x+y end")) {
lua_close(L);
return -1;
}
// 压入全局"foo"(上面定义的函数)的值
// 到堆栈,跟随着整数5和3
lua_getglobal(L, "foo");
lua_pushinteger(L, 5);
lua_pushinteger(L, 3);
lua_call(L, 2, 1); // 调用有二个实际参数和一个返回值的函数
printf("Result: %d\n", lua_tointeger(L, -1)); // 打印在栈顶的项目的整数值
lua_pop(L, 1); // 返回堆栈至最初状态
lua_close(L); // 关闭Lua状态
return 0;
}
如下這樣執行這個例子:
$ cc -o example example.c -llua $ ./example Result: 8
C API還提供一些特殊表格,位於各種Lua堆疊中的「偽索引」之上。Lua 5.2之前[20],在LUA_GLOBALSINDEX
之上是全域表格;_G
來自Lua內部,它是主名字空間。還有一個登錄檔位於LUA_REGISTRYINDEX
,在這裡C程式可以儲存Lua值用於以後檢索。
還可以使用Lua API寫擴充模組。擴充模組是通過向Lua指令碼提供本地設施,用來擴充直譯器的功能的共享對象。從Lua方面看來,這種模組出現為一個名字空間表格,它持有自己的函式和變數。Lua指令碼可以使用require
裝載擴充模組[19],就像用Lua自身寫的模組一樣。一組仍在增長中的叫做「rock」的模組可以通過叫做LuaRocks的軟體套件管理器取得到[21],類似於CPAN、RubyGems和Python eggs。對大多數流行的程式語言包括其他手稿語言,都存在預先寫好的Lua繫結[22]。對於C++,有許多基於模板的方式和一些自動繫結生成器。
應用
在電動遊戲開發中,Lua被程式設計師廣泛的用作手稿語言,主要由於它的可感知到的易於嵌入、快速執行,和短學習曲線[23]。
在2003年,GameDev.net組織的一次投票,說明了Lua是遊戲編程的最流行手稿語言[24]。在2012年1月12日,Lua被《遊戲開發者》宣布為編程工具範疇的Front Line獎2011年度獲獎者[25]。
大量非遊戲應用也出於可擴充性而使用Lua,比如TeX排版設定語言實現LuaTeX、鍵-值資料庫Redis、文字編輯器Neovim和web伺服器Nginx。
通過Scribunto擴充,Lua可獲得為MediaWiki軟體中的伺服器端手稿語言,Wikipedia和其他wiki都基於了它[26][27]。它的應用包括允許從Wikidata整合資料到文章中[28],和助力於自動生物分類框系統。
Lua可以用於嵌入式硬體,不僅可以嵌入其他程式語言,而且可以嵌入微處理器中,例如NodeMCU開源硬體項目將Lua嵌入到Wi-Fi SoC中[29],另外,遊戲平台Roblox所有遊戲都是利用Lua進行編程的。另外, 還有中國大陸發起的開源LuatOS專案[30],也是將Lua應用到嵌入式領域,但不僅限於Wifi,它包含2G/4G/NBIOT等通訊模組,也包含stm32/w800等嵌入式mcu,同時也支援在windows/linux平台上執行的模擬器。
編譯成Lua的語言
- Moonscript,是動態、空白敏感的手稿語言,它受到CoffeeScript的啟發,編譯成Lua[32][33][34]。
- Haxe,支援編譯成Lua目標,支援Lua 5.1-5.3還有LuaJIT 2.0和2.1。
- Fennel,目標為Lua的Lisp方言[35]。
- Urn,建造在Lua之上的Lisp方言[36]。
- Amulet,類ML的函數式語言,其編譯器輸出Lua檔案[37]。
- LunarML,產生Lua/JavaScript的Standard ML編譯器[38]。
參照
- ^ [ANN] Lua 5.4.7 now available. 2024年6月25日 [2024年6月27日].
- ^ Ring Team. The Ring programming language and other languages. ring-lang.net. ring-lang. 5 December 2017 [2020-09-22]. (原始內容存檔於2018-12-25).
- ^ Yuri Takhteyev. From Brazil to Wikipedia. Foreign Affairs. 21 April 2013 [25 April 2013]. (原始內容存檔於2014-10-24).
- ^ 4.0 4.1 Ierusalimschy, Roberto; de Figueiredo, Luiz Henrique; Filho, Waldemar Celes. Lua—An Extensible Extension Language. Software: Practice and Experience. June 1996, 26 (6): 635–652 [24 October 2015]. doi:10.1002/(SICI)1097-024X(199606)26:6<635::AID-SPE26>3.0.CO;2-P. (原始內容存檔於2020-10-04).
- ^ The evolution of an extension language: a history of Lua. 2001 [2008-12-18]. (原始內容存檔於2020-11-09).。
- ^ 6.0 6.1 6.2 Ierusalimschy, R.; Figueiredo, L. H.; Celes, W. The evolution of Lua (PDF). Proc. of ACM HOPL III. 2007: 2–1–2–26. ISBN 978-1-59593-766-7. doi:10.1145/1238844.1238846.
- ^ Figueiredo, L. H.; Ierusalimschy, R.; Celes, W. Lua: an Extensible Embedded Language. A few metamechanisms replace a host of features. Dr. Dobb's Journal. Vol. 21 no. 12. December 1996: 26–33 [2020-09-21]. (原始內容存檔於2020-10-04).
- ^ 8.0 8.1 8.2 About Lua. Lua.org. [2011-08-11]. (原始內容存檔於2011-08-09).
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外部連結
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