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介绍
这篇文章提出了一种基于Thunk技术，让一个成员函数成为一个回调函数的通用方法。文章主要讨论原理，同时也提供了一份实现和示例。
背景
许多库需要我们提供一个函数作为回调，这使得使用 “面向对象编程”（OOP） 出现了麻烦。因为普通的C函数没有成员函数需要的this指针。Thunk技术是一种快速但是平台相关的解决此问题的方法。我最近研究过许多有关thunk技术的文章，我认为许多解决方案都是针对于特定问题的。我设计了一组类,来提供一种通用的解决方案。
环境
开发环境 ： IA32，Windows Xp SP2，Visual Studio 2005
用法
源代码提供了5（实际上4）个类（全都在 Thunk 名字空间中）。它们的每一个对象都有2个属性，对象和方法。它们可以动态的创建一些机器码。执行这些机器码将在逻辑上和调用 Obj.Method(…); 举例来说，如果我们想要设计一个类来进行窗口子类化的工作，我们可以按下面5个步骤使用通用Thunk
class CSubClassing {private: Thunk::ThisToStd m_thunk; //1.选择一个合适的Thunk类// ThisToStd 类使一个使用__thiscall 约定的成员函数 (LRESULT SubProc(…) )//成为一个使用_stdcall 约定的回调函数WNDPROC)//2.实例化一个对象.public:CSubClassing() { m_thunk.Attach(this);//3.附加到想要回调的对象上 m_thunk.AttachMethod(&CSubClassing::SubProc);// 4.附加成员函数 // to do}void Attach(HWND hWnd) { m_oldProc = (WNDPROC)SetWindowLong(hWnd,GWL_PROC ,m_thunk.MakeCallback ());// 5.转化到回调函数指针//SetWindowLong函数使用一个LONG值来表示WNDPROC // to do}private: //这个非静态成员函数将被Windows回调 LRESULT SubProc(HWND hWnd,UINT msg,WPARAM wParam,LPARAM lParam) { if (msg!=WE_NEEDED) return CallWndProc(m_oldProc,hWnd,msg,wParam,lParam); // to do }WNDPROC m_oldProc;} 这5个类(class)都有相同的界面和使用方式。一旦你依据成员函数与回调函数的调用约定选定好了一个Thunk类，就可以按照上面的步骤做一些有用的事情 ： 如WNDPROC,THREADPROC,hooking,等等
更多详细信息 见 Thunk.h和 示例(sample)工程(project)
示例工程包含5个程序的源代码，但是没有可执行文件，否则会太庞大。工程可以在Visual Studio 2005上顺利编译，只要工程的目录结构维持原样。5个程序使用一份相同的测试代码——TestClass.h TestClass.cpp main.cpp。不同之处在预处理器的定义。这样，它们分别测试了 ThisToStd,ThisToCdecl,StdToStd,StdToCdecl和CdeclToCdecl的功能。除了这些，你还可以从中得知使用一个Thunk类，需要包含和加入到工程中的最少文件。（只包含Thunk.h 并把Thunk.cpp 加入工程中也能工作，但不是最好方法）
原理
原理中最重要的是函数的调用约定（Calling Convention） ，调用者和被调者之间的约定。普通C函数通常使用3种调用约定 ： “__cdecl” “__stdcall” “__fastcall” 成员函数通常使用 “__thiscall””__stdcall” “__cdecl”
我们需要着重关注以下3点：
- 调用者（普通C函数）怎么准备参数和返回地址？
- 被调用者（成员函数）希望并且要求的参数和返回地址是什么？它如何取得它们？
- 平衡堆栈是谁的责任？
调用者准备的参数和返回地址总不是被调用者所期待的那样，因为被调用者还需要一个this指针。平衡堆栈的方式也许也会不同。我们的工作就是以被调用者期望的方式，准备好this指针，同时弥补2者在平衡堆栈上的差异。
为了简单起见，我们以 “ void func(int); void C::func(int); ”为例，首先，我们来看看当使用__stdcall 约定的func被调用的时候，会发生什么。
func(1212); 编译器会像这样准备参数和返回地址 ：
PUSH 1212 ; 使得堆栈增加4
CALL func; 使得堆栈也增加4（因为返回地址也被压入堆栈）
0x50000:...;被调用者返回这里，我们假设这里的地址是0x50000
调用者希望被调用者使用 RET 4 （使得堆栈减少8：参数1212使用4，返回地址0x50000也使用4）来平衡堆栈，所以在这之后没有多余的机器码。所以，在这之后，堆栈是这个样子：
...12120x50000 <- ESP
然后，我们来看看使用__thiscall 的被调用者所希望的参数和返回地址。一个真正的成员函数被调用时。
C obj;obj.func(1212);
编译器以这样的方式准备参数：
PUSH 1212;MOV ECX,obj;CALL C::func
所以，在这之后，堆栈是这个样子：
…12120x50000 <- ESP
ECX 保存着 this 指针。
这也就是被调用者(void __thiscall C::func(int); ) 需要的形式。
第3，我们看看被调用者如何返回。
事实上，它使用 RET 4 来返回到0x50000
所以，我们唯一需要做的就是准备好this指针，然后跳转到成员函数。（不需要更多的工作，参数和返回值已在正确位置，堆栈也将被正确的平衡。）
设计 ThisToStd
在我们设计第1个，也是最简单的类 ThisToStd 之前，我们还需要3种信息。
1、我们需要一种得到函数地址的方法。
对于数据指针，我们可以转化（cast）它到一个 int 值
void *p = &someValue;int address = reinterpret_cast (p);/* 如果检查对64位机的可移植性，将会得到一个警告。不过可以忽略它，因为这个thunk只用在32位机上^_^*/
不同于数据指针，函数指针有更多的限制。
void __stdcall fun(int) { … }void C::fun(int) {}//int address = (int)fun; // 不允许//int address = (int)&C::fun; // 同样错误有2种方法来进行一个强力的转化
template dst_type pointer_cast(src_type src) { return *static_cast ( static_cast (&src) );}template dst_type union_cast(src_type src) { union { src_type src; dst_type dst; } u = {src}; return u.dst;}
所以，我们可以实现一个方法
template int PointerToInt32(Pointer pointer){ return pointer_cast (pointer); // or union_cast (pointer);}int address = PointerToInt32(&fun); // 可以int address = (int)&C::fun; // 也可以
更多详细信息见 ThunkBase.h
2.转移指令的目的地
许多转移指令的目的地使用“到源的偏移量”来表示
比如：当CPU 执行到0xFF000000 处的指令时, 指令像这个样子：
0xFF000000 : 0xE9 0x33 0x55 0x77 0x990xFF000005 : ...
0xE9 是一个 JMP 指令，紧接着的4字节将被解释为偏移
offset = 0x99775533 (在Intel x86 机器上，低字节存储在低地址上) = -1720232653
源 (src) = 0xFF000000 (JMP指令的地址) = 4278190080
目的地 (dst) = src+offset+5 (JMP占1字节，偏移占4字节) = 4278190080 – 1720232653 +5 = 2557957432 = 0x98775538
所以在指令 “ JMP -1720232653 “ 之后，下一条被执行的指令将在
0x98775538 : ...
基于这点，我们可以实现2个方法：
void SetTransterDST(void *src /* the address of transfer instruction*/ ,int dst /* the destination*/ ) { unsigned char *op = static_cast (src); switch (*op++) { case 0xE8: // CALL offset (dword) case 0xE9: // JMP offset (dword) { int *offset = reinterpret (op); *offset = dst – reinterpret (src) - sizeof(*op)*1 – sizeof(int); } break; case 0xEB: // JMP offset (byte) ... break; case ...: ... break; default : assert(!”not complete!”); }}int GetTransnferDST(const void *src) { const unsigned char *op = static_cast< const unsigned char *>(src); switch (*op++) { case 0xE8: //CALL offset (dword) case 0xE9: //JMP offset (dword) { const int *offset = reinterpret_cast (op); return *offset + PointerToInt32(src) + sizeof(*op) +sizeof(int); } break; case 0xEB: // JMP offset(byte) ... break; case ...: ... break; default: assert(!”not complete!”); break; } return 0;} 更多详细信息 见 ThunkBase.cpp 3.栈的生长 在Win32平台下，栈朝着低地址生长。 也就是说，当栈增加N ESP就减少N，反之亦然。我们来设计这个类
class ThisToStd{public:ThisToStd(const void *Obj = 0,int memFunc = 0);const void *Attach(const void *newObj);int Attach(int newMemFunc);private:#pragma pack( push , 1) // 强制编译器使用1字节长度对齐结构unsigned char MOV_ECX;const void *m_this;unsigned char JMP;const int m_memFunc;#pragma pack( pop ) // 恢复对齐};ThisToStd:: ThisToStd(const void *Obj,int memFunc): MOV_ECX(0xB9),JMP(0xE9) { Attach(Obj); // 设置this指针Attach(memFunc); // 设置成员函数地址（使用偏移）}const void* ThisToStd::Attach(const void *newObj) { const void *oldObj = m_this; m_this = newObj; return oldObj;}int ThisToStd::Attach(int newMemFunc) { int oldMemFunc = GetTransferDST(&JMP);SetTransferDST(&JMP,newMemFunc);return oldMemFunc;}我们以如下方式使用这个类 ：
typedef void ( __stdcall * fun1)(int);class C { public : void __thiscall fun1(int){} };C obj; ThisToStd thunk;thunk.Attach(&obj); // 假设 &obj = OBJ_ADDint memFunc = PointerToInt32(&C::fun1); //假设memFunc = MF_ADDthunk.Attach(memFunc); // thunk.m_memFunc 将被设置为MF_ADD – (&t.JMP)-5fun1 fun = reinterpret_cast (&thunk); //假设 &thunk = T_ADDfun(1212); // 与 obj.fun(1212) 有同样效果 它是如何工作的，当CPU执行到 fun(1212); 机器码如下：
PUSH 1212; CALL DWORD PTR [fun]; 0x50000 : … ; 假设 RET_ADD = 0x50000// CALL DOWRD PTR [fun] 与CALL(0xE8) offset(dword) 不同//我们只需要知道: 它将RET_ADD压栈，然后跳转到T_ADD
执行完这2条指令后，栈是这个样子 ：
…1212RET_ADD <- ESP
下一条被执行的指令，是在thunk 的地址处 (T_ADD)
thunk的第1字节是 “const unsigned char MOV_ECX” –被初始化为0xB9.
紧接着的4字节是 “const void *m_this”
在 thunk.Attach(&obj); 后，m_this = OBJ_ADD
这5字节组成一条合法的指令
T_ADD : MOV ECX,OBJ_ADD
thunk的第6字节是 “const unsigned char JMP” –被初始化为0xE9.
紧接着的4字节是 “const int m_memFunc”
将被 thunk.Attach(memFunc) 修改
这5字节又组成一条合法指令
T_ADD+5 : JMP offset
offset = MF_ADD - &thunk.JMP – 5 ( 由 thunk.Attach() 和SetTransferDST 设置)
所以，这条指令执行后，下一条被执行指令将在这里：
MF_ADD : …
现在，this指正已经准备好，（参数和返回地址也由fun(1212)准备好，而且 C::fun1 将会使用RET 4 返回到 RET_ADD,并正确的平衡堆栈。
所以，它成功了!
设计 StdToStd
让我们由以下3步分析：
1. 调用者如何准备参数和返回地址？
一般的说，一个使用__stdcall 的普通C函数会将参数从右向左依次压栈。我们假设它使得栈增长了 N。注意：N并不总等于参数数目×4！
CALL 指令将返回地址压栈，使得栈再增长4
参数 m <-ESP +4 +N
参数 m-1
…
参数 1 <- ESP + 4
返回地址 <- ESP
它将平衡堆栈的工作交给被调用者。（使用RET N）
2. 被调用者如何得到参数与返回地址？（它希望何种方式？）
一个和上述普通C函数具有相同参数列表，使用__stdcall的成员函数，希望参数，返回地址和this指针像这样准备 ：
参数 m <- ESP + 8 + N
参数 m-1
…
参数 1 < -ESP + 8
this < -ESP +4
返回地址 <-ESP
3. 被调用者如何返回？
它使用 RET N+4 返回。
所以我们的工作是在参数1和返回地址之间插入this指针，然后跳转到成员函数。
（我们插入了一个this指针使得栈增加了4，所以被调用者使用 RET N+4 是正确的）
在设计 StdToStd 之前，让我们定义一些有用的宏。
相信我，这将使得源代码更加容易阅读和改进。
MachineCodeMacro.h#undef CONST#undef CODE#undef CODE_FIRST#ifndef THUNK_MACHINE_CODE_IMPLEMENT#define CONST const#define CODE(type,name,value) type name;#define CODE_FIRST(type,name,value) type name;#else#define CONST#define CODE(type,name,value) ,name(value)#define CODE_FIRST(type,name,value) :name(value)#endifThunkBase.h#include “MachineCodeMacro.h”namespace Thunk { typedef unsigned char byte; typedef unsigend short word; typedef int dword; typedef const void* dword_ptr;}StdToStd.h#include #define STD_TO_STD_CODES() \/* POP EAX */ \CONST CODE_FIRST(byte,POP_EAX,0x58) \/* PUSH m_this */ \CONST CODE(byte,PUSH,0x68) \ CODE(dword_ptr,m_this,0) \/* PUSH EAX */ \CONST CODE(byte,PUSH_EAX,0x50) \/* JMP m_memFunc(offset) */ \CONST CODE(byte,JMP,0xE9) \CONST CODE(dword,m_memFunc,0)namespace Thunk { class StdToStd { public: StdToStd(const void *Obj = 0,int memFunc = 0); StdToStd(const StdToStd &src); const void* Attach(const void *newObj); int Attach(int newMemFunc); private:#pragma pack( push ,1 ) STD_TO_STD_CODES()#pragma pack( pop )};StdToStd.cpp#include #define THUNK_MACHINE_CODE_IMPLEMENT#include namespace Thunk { StdToStd::StdToStd(dword_ptr Obj,dword memFunc) STD_TO_STD_CODES() { Attach(Obj); Attach(memFunc); } StdToStd::StdToStd(const StdToStd &src) STD_TO_STD_CODES() { Attach(src.m_this); Attach( GetTransferDST(&src.JMP) ); } dwrod_ptr StdToStd::Attach(dword_ptr newObj) { dword_ptr oldObj = m_this; m_this = newObj; return oldObj; } dword StdToStd::Attach(dword newMemFunc) { dword oldMemFunc = GetTransferDST(&JMP); SetTransferDST(&JMP,newMemFunc); return oldMemFunc; }} 宏 CONST CODE_FIRST(byte,POP_EAX,0x58) 在StdToStd.h 中，将被替换成: “const byte POP_EAX;”
(宏THUNK_MACHINE_CODE_IMPLEMENT没有定义)
在StdToStd.cpp 中，将被替换成: “:POP_EAX(0x58)”
(宏THUNK_MACHINE_CODE_IMPLEMENT 被定义)
在StdToStd.cpp中，宏 CODE_FIRST 于CODE 的不同之处在于 CODE 被替换为 “, 某某” 而不是 “: 某某” .使得初始化列表合法。
宏（macro） STD_TO_STD_CODES() 的注释(comment) 详细说明了这个类是如何工作的。
设计 ThisToCdecl
让我们还是依照那3个步骤分析：
1、当一个使用__cdecl 的普通C函数调用时，编译器从右向左压入参数，我们假设这使得栈增加N。CALL指令将返回地址压栈，使得栈再增加4。
堆栈就像这样：
…
参数 m <- ESP + 4 + N
参数 m-1
…
参数 1 <- ESP + 4
返回地址 <- ESP
它使用 ADD ESP,N 平衡堆栈。
2、当一个和上述C普通函数有同样参数列表，使用__thiscall 的成员函数将要被调用时，它希望参数已经被从右向左压入，而且ECX保存着this指针。
…
参数 m <- ESP + 4 + N
参数 m-1
…
参数 1 <- ESP + 4
返回地址 <- ESP
ECX : this
3、当被调用者返回
它使用 RET N ！
所以，我们的工作如下：
- 在调用成员函数之前，将this指针放入ECX
- 在成员函数返回后，将ESP设置成一个正确的值
- 返回到调用者。所以，这个正确的值应该是当调用者执行完ADD ESP,N之后，ESP刚好是被调用者调用前的值。
因为参数数量×4不总是等于N，所以我们不能使用SUB ESP,N来设置ESP（比如参数列表含有double）
我们也不能修改返回地址，使它跨过“ADD ESP,N”的指令，因为这条指令并不总是紧接着CALL指令（调用caller 的CALL指令）
（比如 返回类型是double的情况）
一个可能的实现是在某个地方保存ESP，在被调用者返回后将它传送回ESP。
让我们来看看第1个实现：
ThisToCdecl 36.h#define __THIS_TO__CDECL_CODES() \/* MOV DWORD PTR [old_esp],ESP */ \CONST CODE_FIRST(word,MOV_ESP_TO,0x2589) \CONST CODE(dword_ptr,pold_esp,&old_esp) \ \/* POP ECX */ \CONST CODE(byte,POP_ECX,0x59) \ \/* MOV DWORD PTR [old_return],ECX */ \CONST CODE(word,MOV_POLD_R,0x0D89) \CONST CODE(dword_ptr,p_old_return,&old_return) \ \/* MOV ECX,this */ \CONST CODE(byte,MOV_ECX,0xB9) \ CODE(dword_ptr,m_this,0) \ \/* CALL memFunc */ \CONST CODE(byte,CALL,0xE8) \ CODE(dword,m_memFunc,0) \ \/* MOV ESP,old_esp */ \CONST CODE(byte,MOV_ESP,0xBC) \CONST CODE(dword,old_esp,0) \/* MOV DWORD PTR [ESP],old_retrun */ \CONST CODE(word,MOV_P,0x04C7) \CONST CODE(byte,_ESP,0x24) \CONST CODE(dword,old_return,0) \/* RET */ \CONST CODE(byte,RET,0xC3)
1、我们将ESP保存到old_esp中。
2、然后，弹出返回地址（返回到调用者的地址），并将其保存到old_return 中，
3、在ECX中准备好this指针。
4、调用成员函数（我们弹出调用者的返回地址，而CALL指令会压入一个新的返回地址——栈现在适合被调用者。被调用者将返回到thunk 代码的剩下部分。）
5、恢复ESP和返回地址，然后返回调用者
优化
sizeof(ThisToCdecl)==36 , 我认为这是不可接受的。
如果我们使用PUSH old_return 来代替 MOV DWORD PTR[ESP],old_return,可以节省2字节（因此，我们必须在保存old_esp之前弹栈），于此同时，也增加了一个额外的堆栈操作。（见 ThisToCdecl 34.h）
在这种情况下，相对于时间上的优化，我更加倾向空间上的优化。所以第3个实现如下：
我们可以使用一个叫做Hook的函数来准备this指针，保存old_esp和返回地址，设置被调用者的返回地址，然后跳转到被调用者。这样，thunk对象将包含更少的指令，而变的更小。（23字节）
ThisToCdecl.h#define THIS_TO_CDECL_CODES() \/* CALL Hook */ \CONST CODE_FIRST(byte,CALL,0xE8) \CONST CODE(dword,HOOK,0) \ \/* this and member function */ \ CODE(dword,m_memFunc,0) \ CODE(dword_ptr,m_this,0) \ \/* member function return here! */ \/* MOV ESP,oldESP */ \CONST CODE(byte,MOV_ESP,0xBC) \CONST CODE(dword,oldESP,0) \ \/* JMP oldRet */ \CONST CODE(byte,JMP,0xE9) \CONST CODE(dword,oldRet,0)
这些机器码首先调用“Hook”函数，这个函数做如下工作：
1. 保存 the oldESP 和 oldRet。
2. 将被调用者的返回地址设置到 “member function return here!”。
3. 将ECX设置为this指针。
4. 跳转到成员函数
当成员函数返回后，剩下的thunk代码将修改ESP然后返回到调用者。
Hook函数被实现为：
void __declspec( naked ) ThisToCdecl::Hook() { _asm { POP EAX //1 // p=&m_memFunc; &m_this=p+4; &oldESP=p+9; &oldRet=p+14 // Save ESP MOV DWORD PTR [EAX+9],ESP //3 ADD DWORD PTR [EAX+9],4 //4 // Save CallerReturn(by offset) //src=&JMP=p+13,dst=CallerReturn,offset=CallerReturn-p-13-5 MOV ECX,DWORD PTR [ESP] //3 SUB ECX,EAX //2 SUB ECX,18 //3 MOV DWORD PTR [EAX+14],ECX //3 // Set CalleeReturn MOV DWORD PTR [ESP],EAX //3 ADD DWORD PTR [ESP],8 //4 // Set m_this MOV ECX,DWORD PTR [EAX+4] //3 // Jump to m_memFunc JMP DWORD PTR[EAX ] //2 }}我们使用 CALL offset(dword) 跳转到Hook，这个指令会将返回地址压栈。所以，CALL HOOK之后，堆栈如下 ：
…
参数 m
参数m-1
…
参数1
调用者返回地址
Hook返回地址 <- ESP
Hook 返回地址刚好是紧接着“CALL HOOK”的指令，—— &m_memFunc
Hook 使用 __declspec( naked ) 强制编译器不生成额外指令。（兼容性：VC8支持。VC6,7不确定，g++不支持）
第1条指令POP EAX 将使堆栈减少4并且得到thunk对象的地址。
…
参数1
调用者返回地址 <- ESP
EAX : p //p=&m_method; &m_this=p+4; &oldESP=p+9; &oldRet=p+14
现在，还有3件事情值得我们注意：
1. thunk对象使用 CALL（0xE8）转移到 Hook。这是一个相对转移
2. thunk对象使用 JMP offset 跳转到调用者，offset将被Hook计算。
3. Hook 使用 JMP DWORD PTR[EAX],这是一个绝对跳转，所以m_memFunc不能使用 SetTransferDST，m_memFunc = PointerToInt32(&C::Fun); 才是正确的。
更详细实现见 ThisToCdecl.h 和 ThisToCdecl.cpp
设计 CdeclToCdecl
1、使用__cdecl 的普通C函数前面已经讨论过
2、一个使用__cdecl 的成员函数希望栈像这个样子：
…
参数 m <-ESP + 8 + N
参数m-1
…
参数1 <-ESP + 8
this <-ESP + 4
返回地址 <- ESP
3、使用__cdecl 的成员函数使用 RET 返回
CdeclToCdecl类与ThisToCdecl十分相似：
thunk对象调用一个 Hook函数来准备this指针，保存old_esp，返回地址，然后跳转到被调用者。
被调用者返回之后，thunk代码修改ESP，然后跳转到调用者。
不同之处在Hook函数，它将this指针插入到参数1与返回值之间，而不是将它传送到ECX。
更详细的实现见 CdeclToCdecl.h 和CdeclToCdecl.cpp
设计 StdToCdecl
让我们拿它和CdeclToCdecl做比较。
唯一不同的是，成员函数使用RET N+4而不是 RET。
当被调用者返回后，不管是RET N+4，还是RET，ESP都将被恢复。
因此，CdeclToCdecl可以胜任StdToCdecl
所以，StdToCdecl 只是一个 typedef “typedef CdeclToCdecl StdToCdecl;” ^_^
设计 CdeclToStd
使用__stdcall 的调用者将堆栈平衡工作交给被调用者。
使用__cdecl 的被调用者使用RET返回到调用者。
而关于ESP的信息在这之中丢失了！
非常不幸，我没办法设计出一个通用的thunk类。 -_-
关于 __fastcall 和更进一步的工作
__fastcall调用约定将小于或等于dword的头2个参数用ECX和EDX传递。
所以设计出一个通用的thunk类似乎是不可能的。（因为和参数相关）
但是特殊的解决方案是存在的。
我认为Thunk的理论比实现更重要。
在你打算解决一个特定的问题 （比如为了特定参数的 __fastcall 和 CdeclToStd ），在另一平台上实现，或者想继续优化这份实现的时候，如果这篇文章能对你有所帮助，我非常高兴 ^_^
源代码可以任意使用，作者不会为此承担任何责任 ^_^。
关于FlushInstructionCache
这些类通常是按如下方式被使用：
class CNeedCallback {private:CThunk m_thunk;public:CNeedCallback() :m_thunk(this,Thunk::Helper::PointerToInt32(&CNeedCallback::Callback)) {}private:returnType Callback(….) {}} 所以，每个thunk对象的Obj和Method属性在构造后就不再改变。我不知道在这种情况下FlushInstructionCache是否有必要。如果你认为有，请在 ThunkBase.cpp中定义 THUNK_FLUSHINSTRUCTIONCACHE ，或者简单的去掉第4行注释。
特别感谢
Illidan_Ne 和Sean Ewington ^_^.
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