C語言字符串安全查找的三種方式詳解

更新時間：2025年10月09日 08:50:12 作者：byte輕騎兵

C語言開發(fā)中,字符串操作是安全漏洞的重災區(qū),傳統(tǒng)函數(shù)缺乏邊界檢查,若輸入字符串未正確以\0結尾,極易觸發(fā)緩沖區(qū)溢出,導致程序崩潰或被惡意利用,所以本文給大家介紹了C語言字符串安全查找的三種方式,并作了詳細的分析,需要的朋友可以參考下

引言

在 C 語言開發(fā)中，字符串操作是安全漏洞的 “重災區(qū)”—— 傳統(tǒng)函數(shù)（如strchr、strrchr、strstr）缺乏邊界檢查，若輸入字符串未正確以\0結尾，極易觸發(fā)緩沖區(qū)溢出，導致程序崩潰或被惡意利用（如注入攻擊）。

為解決這一問題，C11 標準（ISO/IEC 9899:2011） 引入 “邊界檢查接口”（Bounds-checking interfaces），其中strchr_s、strrchr_s、strstr_s便是傳統(tǒng)查找函數(shù)的安全增強版本。它們通過增加長度參數(shù)、明確錯誤處理，從根源上降低安全風險，成為安全關鍵型應用（如嵌入式系統(tǒng)、金融軟件）的首選工具。

一、安全字符串函數(shù)概述

strchr_s、strrchr_s、strstr_s保留了傳統(tǒng)函數(shù)的核心查找功能，同時新增以下安全特性：

強制傳入字符串長度參數(shù)，限制操作范圍，防止越界訪問；
通過返回值（錯誤碼）報告異常，而非依賴 “未定義行為”；
主動校驗無效參數(shù)（如空指針、超范圍長度）；
檢查字符串是否在指定長度內正確終止（避免處理不完整字符串）。

注：使用這些函數(shù)需先定義宏__STDC_WANT_LIB_EXT1__（通常在包含<string.h>前），以啟用 C11 標準的安全接口。

二、strchr_s：安全的正向字符查找

1. 函數(shù)簡介

strchr_s用于在字符串中從左到右查找第一個匹配字符，核心優(yōu)勢是通過 “長度參數(shù) + 錯誤校驗”，確保查找不超出緩沖區(qū)邊界。

2. 函數(shù)原型

errno_t strchr_s(char const* str, rsize_t strsz, int c, char const** result);

參數(shù)名	說明
str	待查找的源字符串指針（需以\0結尾，且非空）
strsz	源字符串的最大長度（含\0，通常用sizeof(str)獲取數(shù)組長度）
c	目標字符（雖為int類型，實際會被轉換為char，兼容EOF）
result	輸出參數(shù)：存儲查找結果（成功則指向匹配字符，失敗則為NULL）

返回值：

成功（找到 / 未找到字符）：返回0；
失敗（參數(shù)無效 / 長度異常）：返回非零錯誤碼（如EINVAL、ESPACE）。

錯誤碼含義：

：str或result為NULL（無效指針）；
ESPACE：strsz為0、超過RSIZE_MAX（通常為SIZE_MAX/2），或字符串未在strsz內終止。

3. 實現(xiàn)邏輯（偽代碼）

function strchr_s(str: const char*, strsz: rsize_t, c: int, result: const char**) -> errno_t:
    // 1. 校驗無效指針
    if str == NULL or result == NULL:
        return EINVAL
    
    // 2. 校驗長度合法性
    if strsz == 0 or strsz > RSIZE_MAX:
        *result = NULL
        return ESPACE
    
    // 3. 轉換目標字符（int→char）
    c_char = (char)c
    
    // 4. 正向遍歷查找
    for i from 0 to strsz - 1:
        if str[i] == c_char:
            *result = &str[i]  // 找到匹配，記錄位置
            return 0
        if str[i] == '\0':
            break  // 已達字符串實際結尾，停止遍歷
    
    // 5. 未找到字符（非錯誤，返回0）
    *result = NULL
    return 0

4. 工作流程示意圖

5. 使用場景

strchr_s適用于所有需查找單個字符的場景，尤其適合：

處理不可信輸入（如用戶輸入的郵箱、配置項）；
驗證字符串格式（如檢查郵箱是否含@、路徑是否含分隔符）；
分割字符串（如按:分割鍵值對"name:zhangsan"）。

6. 示例代碼

#define __STDC_WANT_LIB_EXT1__ 1  // 啟用C11安全函數(shù)
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

int main() {
    // 場景1：驗證郵箱格式（查找@）
    char email[] = "user@example.com";
    const char* result;
    errno_t err;  // 存儲錯誤碼

    // 調用strchr_s查找@
    err = strchr_s(email, sizeof(email), '@', &result);

    // 錯誤處理
    if (err != 0) {
        printf("查找失?。″e誤碼：%d\n", err);
        return 1;
    }

    // 結果處理
    if (result != NULL) {
        printf("找到'@'，位置（索引）：%td\n", result - email);
        printf("郵箱用戶名：%.*s\n", (int)(result - email), email);  // 截取用戶名
        printf("郵箱域名：%s\n", result + 1);                      // 截取域名
    } else {
        printf("未找到'@'，郵箱格式非法！\n");
    }

    // 場景2：查找超出字符串長度的字符（邊界測試）
    char buffer[10] = "test";  // 緩沖區(qū)大小10，實際字符串長度4（含\0）
    err = strchr_s(buffer, 10, 'x', &result);
    if (err == 0 && result == NULL) {
        printf("\n在buffer中未找到'x'（邊界檢查生效）\n");
    }

    return 0;
}

運行結果：

找到'@'，位置（索引）：4

郵箱用戶名：user

郵箱域名：example.com

在buffer中未找到'x'（邊界檢查生效）

7 注意事項

長度參數(shù)必須含\0：strsz需包含字符串的終止符\0，如char str[] = "abc"的strsz應為4（而非3）；
錯誤碼優(yōu)先校驗：不能僅通過result是否為NULL判斷成功 —— 需先檢查err是否為0（如err=EINVAL時result也為NULL）；
c的類型轉換：c為int是為兼容EOF（值為-1），函數(shù)內部會轉為char，無需手動處理；
查找\0的特殊情況：若c='\0'，函數(shù)會返回指向字符串末尾\0的指針（符合 C11 標準）。

三、strrchr_s：安全的反向字符查找

1. 函數(shù)簡介

strrchr_s是strchr_s的反向版本，用于從字符串末尾（右→左）查找最后一個匹配字符。同樣通過邊界檢查，避免越界訪問，核心場景是 “提取最右側字符相關內容”（如文件名、后綴）。

2. 函數(shù)原型

errno_t strrchr_s(char const* str, rsize_t strsz, int c, char const** result);

參數(shù)、返回值、錯誤碼與strchr_s完全一致，僅查找方向不同。

3. 實現(xiàn)邏輯（偽代碼）

function strrchr_s(str: const char*, strsz: rsize_t, c: int, result: const char**) -> errno_t:
    // 1. 校驗無效指針
    if str == NULL or result == NULL:
        return EINVAL
    
    // 2. 校驗長度合法性
    if strsz == 0 or strsz > RSIZE_MAX:
        *result = NULL
        return ESPACE
    
    // 3. 轉換目標字符
    c_char = (char)c
    
    // 4. 第一步：定位字符串實際結尾（找到\0）
    str_end = NULL
    for i from 0 to strsz - 1:
        if str[i] == '\0':
            str_end = &str[i]
            break
    if str_end == NULL:  // 字符串未在strsz內終止
        *result = NULL
        return ESPACE
    
    // 5. 第二步：從結尾反向查找
    current = str_end - 1  // 從\0的前一個字符開始
    while current >= str:
        if *current == c_char:
            *result = current
            return 0
        current = current - 1
    
    // 6. 特殊情況：查找\0
    if c_char == '\0':
        *result = str_end
        return 0
    
    // 7. 未找到字符
    *result = NULL
    return 0

4. 工作流程示意圖

5. 使用場景

strrchr_s的核心場景是 “提取最右側字符后的內容”，典型案例：

從文件路徑中提取文件名（如"/home/user/test.c"→"test.c"，查找最后一個/）；
獲取文件后綴（如"image.png"→".png"，查找最后一個.）；
分割帶重復分隔符的字符串（如"a,b,c,d"→"d"，查找最后一個,）。

6. 示例代碼（提取文件名與后綴）

#define __STDC_WANT_LIB_EXT1__ 1
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

// 安全提取文件名（支持/和\路徑分隔符）
const char* get_filename_s(const char* path, rsize_t path_len) {
    const char* result;
    errno_t err;

    // 第一步：查找最后一個/
    err = strrchr_s(path, path_len, '/', &result);
    if (err != 0) return NULL;  // 參數(shù)錯誤，返回空

    if (result != NULL) {
        return result + 1;  // 跳過/，返回文件名起始位置
    }

    // 第二步：若未找到/，查找最后一個\（Windows路徑）
    err = strrchr_s(path, path_len, '\\', &result);
    if (err != 0) return NULL;

    return (result != NULL) ? (result + 1) : path;  // 無分隔符則返回原路徑
}

int main() {
    // 測試不同路徑格式
    char path1[] = "/home/user/documents/report.pdf";  // Linux路徑
    char path2[] = "C:\\Users\\user\\photos\\vacation.jpg";  // Windows路徑
    char path3[] = "readme.txt";  // 無路徑（僅文件名）

    // 提取文件名
    const char* filename1 = get_filename_s(path1, sizeof(path1));
    const char* filename2 = get_filename_s(path2, sizeof(path2));
    const char* filename3 = get_filename_s(path3, sizeof(path3));

    printf("路徑1的文件名：%s\n", filename1);
    printf("路徑2的文件名：%s\n", filename2);
    printf("路徑3的文件名：%s\n", filename3);

    // 提取文件后綴（查找最后一個.）
    const char* ext;
    errno_t err = strrchr_s(filename1, strlen(filename1) + 1, '.', &ext);
    if (err == 0 && ext != NULL) {
        printf("\n文件1的后綴：%s\n", ext);
    }

    return 0;
}

運行結果：

路徑1的文件名：report.pdf
路徑2的文件名：vacation.jpg
路徑3的文件名：readme.txt

文件1的后綴：.pdf

7 注意事項

路徑以分隔符結尾的處理：若路徑為"/home/user/docs/"（末尾為/），result會指向該/，此時result+1為\0（空字符串），需額外判斷；
性能對比：strrchr_s需先遍歷到字符串結尾，再反向查找，效率略低于strchr_s，但安全性無差異；
與strchr_s的共性問題：同樣需注意長度參數(shù)含\0、錯誤碼優(yōu)先校驗、c的類型轉換。

四、strstr_s：安全的子串查找

1. 函數(shù)簡介

strstr_s用于在主串（haystack）中查找子串（needle）的首次出現(xiàn)位置，是strstr的安全版本。它通過同時校驗主串和子串的長度，防止 “子串越界” 或 “主串未終止” 導致的安全問題，核心場景是 “多字符匹配”（如關鍵詞搜索、協(xié)議解析）。

2. 函數(shù)原型

errno_t strstr_s(char const* haystack, rsize_t haystacksz, 
                 char const* needle, rsize_t needlesz, 
                 char const** result);

參數(shù)名	說明
`haystack`	主串（待查找的字符串，需以`\0`結尾）
`haystacksz`	主串的最大長度（含`\0`）
`needle`	子串（目標查找內容，需以`\0`結尾）
`needlesz`	子串的最大長度（含`\0`）
`result`	輸出參數(shù)：成功則指向主串中子串的起始位置，失敗則為`NULL`

返回值與錯誤碼：

成功（找到 / 未找到子串）：返回0；
失?。悍祷胤橇沐e誤碼（EINVAL/ESPACE/EILSEQ）。

新增錯誤碼EILSEQ：子串長度（實際長度）大于主串長度，不可能匹配。

3. 實現(xiàn)邏輯（偽代碼：樸素算法）

strstr_s的核心是 “主串遍歷 + 子串逐字符比對”，以下為易理解的樸素實現(xiàn)（標準庫通常用 KMP/BM 算法優(yōu)化，時間復雜度從O(n*m)降至O(n+m)）：

function strstr_s(haystack: const char*, haystacksz: rsize_t,
                 needle: const char*, needlesz: rsize_t,
                 result: const char**) -> errno_t:
    // 1. 校驗無效指針
    if haystack == NULL or needle == NULL or result == NULL:
        return EINVAL
    
    // 2. 校驗長度合法性
    if haystacksz == 0 or haystacksz > RSIZE_MAX or
       needlesz == 0 or needlesz > RSIZE_MAX:
        *result = NULL
        return ESPACE
    
    // 3. 計算主串/子串的實際長度（不含\0）
    haystack_len = 0
    while haystack_len < haystacksz and haystack[haystack_len] != '\0':
        haystack_len += 1
    if haystack_len == haystacksz and haystack[haystack_len-1] != '\0':
        *result = NULL
        return ESPACE  // 主串未終止
    
    needle_len = 0
    while needle_len < needlesz and needle[needle_len] != '\0':
        needle_len += 1
    if needle_len == needlesz and needle[needle_len-1] != '\0':
        *result = NULL
        return ESPACE  // 子串未終止
    
    // 4. 特殊情況：子串為空（返回主串起始位置）
    if needle_len == 0:
        *result = haystack
        return 0
    
    // 5. 子串長于主串（直接返回未找到）
    if needle_len > haystack_len:
        *result = NULL
        return 0
    
    // 6. 樸素查找：主串遍歷+子串比對
    max_pos = haystack_len - needle_len  // 主串遍歷的最大位置
    for i from 0 to max_pos:
        match = true
        // 逐字符比對子串
        for j from 0 to needle_len - 1:
            if haystack[i+j] != needle[j]:
                match = false
                break
        if match:
            *result = &haystack[i]
            return 0
    
    // 7. 未找到子串
    *result = NULL
    return 0

4. 工作流程示意圖

5. 使用場景

strstr_s是多字符匹配的核心工具，典型場景：

文本關鍵詞搜索（如日志中查找 “error”“warning”）；
協(xié)議解析（如從"HTTP/1.1 200 OK"中提取 “200” 狀態(tài)碼）；
URL 處理（如從"https://github.com"中提取"github.com"）；
敏感詞過濾（如用戶輸入中檢測違規(guī)詞匯）。

6. 示例代碼（敏感詞檢測與 URL 解析）

#define __STDC_WANT_LIB_EXT1__ 1
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

// 安全檢測文本是否含敏感詞
int check_sensitive_word(const char* text, rsize_t text_len,
                        const char* word, rsize_t word_len) {
    const char* result;
    errno_t err = strstr_s(text, text_len, word, word_len, &result);

    if (err != 0) {
        printf("檢測失敗！錯誤碼：%d\n", err);
        return -1;  // 錯誤標識
    }
    return (result != NULL) ? 1 : 0;  // 1=含敏感詞，0=不含
}

// 安全提取URL域名（支持http/https）
const char* get_url_domain(const char* url, rsize_t url_len) {
    const char* result;
    errno_t err;

    // 先查找"https://"（長度8）
    err = strstr_s(url, url_len, "https://", 9, &result);  // 9=8+1（含\0）
    if (err == 0 && result != NULL) {
        return result + 8;
    }

    // 再查找"http://"（長度7）
    err = strstr_s(url, url_len, "http://", 8, &result);   // 8=7+1
    if (err == 0 && result != NULL) {
        return result + 7;
    }

    return url;  // 非HTTP/HTTPS協(xié)議，返回原URL
}

int main() {
    // 場景1：敏感詞檢測
    char log[] = "2024-06-01: user input contains 'badword'";
    char sensitive[] = "badword";
    int has_sensitive = check_sensitive_word(log, sizeof(log), 
                                            sensitive, sizeof(sensitive));
    
    if (has_sensitive == 1) {
        printf("日志含敏感詞：%s\n", sensitive);
    } else if (has_sensitive == 0) {
        printf("日志無敏感詞\n");
    }

    // 場景2：URL域名提取
    char url1[] = "https://github.com";
    char url2[] = "http://www.baidu.com";
    char url3[] = "ftp://ftp.example.com";  // 非HTTP協(xié)議

    const char* domain1 = get_url_domain(url1, sizeof(url1));
    const char* domain2 = get_url_domain(url2, sizeof(url2));
    const char* domain3 = get_url_domain(url3, sizeof(url3));

    printf("\nURL1域名：%s\n", domain1);
    printf("URL2域名：%s\n", domain2);
    printf("URL3域名：%s\n", domain3);

    return 0;
}

運行結果：

日志含敏感詞：badword

URL1域名：github.com
URL2域名：www.baidu.com
URL3域名：ftp://ftp.example.com

7. 注意事項

雙長度參數(shù)需同步校驗：haystacksz和needlesz均需包含各自的\0，如子串"abc"的needlesz應為4；
子串為空的特殊處理：根據(jù) C11 標準，若needle為空（""），result會返回主串起始位置（而非NULL）；
大小寫敏感：strstr_s區(qū)分大小寫（如"ABC"≠"abc"），如需不敏感匹配，需先將主串 / 子串統(tǒng)一轉為大寫 / 小寫；
性能優(yōu)化：樸素算法在 “主串 / 子串均為 AAAAA...B” 時效率低，實際開發(fā)中可優(yōu)先使用標準庫實現(xiàn)（如 GCC 的strstr_s用 KMP 優(yōu)化）。

五、安全函數(shù)與傳統(tǒng)函數(shù)的差異對比

為清晰區(qū)分strchr_s/strrchr_s/strstr_s與傳統(tǒng)函數(shù)，下表從核心特性維度對比：

對比維度	strchr（傳統(tǒng)）	strchr_s（安全）	strstr（傳統(tǒng)）	strstr_s（安全）
函數(shù)原型	`char* strchr(const char*, int)`	`errno_t strchr_s(..., rsize_t, ..., **)`	`char* strstr(const char, const char)`	`errno_t strstr_s(..., rsize_t, ..., rsize_t, **)`
返回值含義	直接返回查找結果（指針 / NULL）	返回錯誤碼（0 = 成功），結果通過輸出參數(shù)獲取	直接返回查找結果（指針 / NULL）	返回錯誤碼（0 = 成功），結果通過輸出參數(shù)獲取
長度參數(shù)	無（依賴`\0`終止）	有（`strsz`，強制邊界檢查）	無（依賴`\0`終止）	有（`haystacksz`+`needlesz`）
錯誤處理	未定義（如空指針會崩潰）	明確錯誤碼（EINVAL/ESPACE）	未定義（如子串未終止會越界）	明確錯誤碼（EINVAL/ESPACE/EILSEQ）
空指針處理	程序崩潰或不可預測行為	返回 EINVAL，`result=NULL`	程序崩潰或不可預測行為	返回 EINVAL，`result=NULL`
未終止字符串處理	越界訪問（緩沖區(qū)溢出風險）	返回 ESPACE，拒絕處理	越界訪問（緩沖區(qū)溢出風險）	返回 ESPACE，拒絕處理
適用場景	信任輸入的簡單場景	不可信輸入、安全關鍵場景	信任輸入的簡單場景	不可信輸入、安全關鍵場景
標準依賴	C89 及以后（所有編譯器支持）	C11 及以后（需定義`__STDC_WANT_LIB_EXT1__`）	C89 及以后（所有編譯器支持）	C11 及以后（需定義`__STDC_WANT_LIB_EXT1__`）

六、經(jīng)典面試題

??問：strchr_s在什么情況下會返回 EINVAL錯誤？請列舉至少三種情況。??

??答：??

當 str參數(shù)為 NULL但 strsz不為 0 時
當 result輸出參數(shù)為 NULL指針時
當 strsz參數(shù)為 0 但 str不為 NULL時（部分實現(xiàn)）
當任何參數(shù)不滿足前置條件，如指針對齊問題等

問：在處理網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包時，為什么 strstr_s比 strstr更安全？請從攻擊者角度分析。??

??答：?? 攻擊者可以構造特殊數(shù)據(jù)包：

發(fā)送不含 \0終止符的長字符串，導致 strstr越界讀取
精心設計偏移使查找操作跨越緩沖區(qū)邊界
利用越界讀取獲取敏感信息或導致程序崩潰

strstr_s通過 destsz和 srcsz雙重限制，確保搜索在預定邊界內進行，即使面對惡意數(shù)據(jù)也能安全處理。

問：如果項目需要同時支持 Windows 和 Linux，如何實現(xiàn)安全字符串函數(shù)的跨平臺兼容？??

??答：?? 推薦三種方案：

??特性檢測宏??：使用 #ifdef __STDC_LIB_EXT1__檢測編譯器支持
??適配層封裝??：實現(xiàn)統(tǒng)一接口，底層調用平臺相關實現(xiàn)
??第三方庫??：引入 safeclib等跨平臺兼容庫

最佳實踐是創(chuàng)建項目內的安全字符串包裝層，集中處理平臺差異，為業(yè)務代碼提供統(tǒng)一接口。

問：將傳統(tǒng)函數(shù)strchr的調用代碼遷移為strchr_s，需注意哪些關鍵步驟？請舉例說明。

答：遷移需圍繞 “參數(shù)適配”“錯誤處理”“結果獲取” 三個核心步驟，具體如下：

步驟 1：啟用 C11 安全函數(shù)

在包含<string.h>前定義宏__STDC_WANT_LIB_EXT1__，確保編譯器啟用安全接口：

#define __STDC_WANT_LIB_EXT1__ 1
#include <string.h>

步驟 2：調整函數(shù)參數(shù)（新增長度參數(shù)與輸出參數(shù)）

傳統(tǒng)strchr調用：char* pos = strchr(str, 'a');
安全strchr_s需新增：① 長度參數(shù)（strsz）；② 輸出參數(shù)（result指針）。

步驟 3：新增錯誤處理邏輯

傳統(tǒng)函數(shù)不返回錯誤碼，遷移后需先校驗err是否為0，再處理result（避免將 “參數(shù)錯誤” 與 “未找到” 混淆）。

步驟 4：調整結果獲取方式

strchr_s的結果通過輸出參數(shù)result獲取，而非直接返回。

遷移示例（從strchr到strchr_s）：

傳統(tǒng)代碼：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    char str[] = "name:zhangsan";
    // 傳統(tǒng)調用：直接返回結果
    char* pos = strchr(str, ':');
    
    if (pos != NULL) {
        printf("找到':'，后續(xù)內容：%s\n", pos + 1);
    } else {
        printf("未找到':'\n");
    }
    return 0;
}

遷移后代碼：

#define __STDC_WANT_LIB_EXT1__ 1  // 步驟1：啟用安全函數(shù)
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>  // 步驟1：包含錯誤碼頭文件

int main() {
    char str[] = "name:zhangsan";
    const char* result;  // 步驟2：新增輸出參數(shù)
    errno_t err;         // 步驟2：新增錯誤碼變量

    // 步驟2：調用strchr_s，新增長度參數(shù)sizeof(str)
    err = strchr_s(str, sizeof(str), ':', &result);

    // 步驟3：優(yōu)先處理錯誤
    if (err != 0) {
        printf("查找錯誤！錯誤碼：%d\n", err);
        return 1;
    }

    // 步驟4：通過result獲取結果
    if (result != NULL) {
        printf("找到':'，后續(xù)內容：%s\n", result + 1);
    } else {
        printf("未找到':'\n");
    }
    return 0;
}

關鍵注意點：

長度參數(shù)必須包含\0（如sizeof(str)而非strlen(str)）；
錯誤碼err的校驗優(yōu)先級高于result（如err=EINVAL時result也為NULL，但屬于參數(shù)錯誤，需單獨處理）。

strchr_s、strrchr_s、strstr_s是 C11 標準為解決傳統(tǒng)字符串函數(shù)安全問題而設計的核心工具，它們通過 “強制長度參數(shù) + 明確錯誤處理”，從根源上規(guī)避了緩沖區(qū)溢出等風險。

開發(fā)實踐中，需根據(jù)場景選擇函數(shù)：

簡單信任輸入場景：傳統(tǒng)函數(shù)（strchr等）更簡潔；
不可信輸入（如用戶輸入、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)）或安全關鍵模塊：必須使用安全函數(shù)（strchr_s等）。

掌握安全函數(shù)的使用與遷移方法，不僅能提升代碼健壯性，更是 C 語言開發(fā)者應對安全面試的核心考點。

以上就是C語言字符串安全查找的三種方式詳解的詳細內容，更多關于C語言字符串安全查找的資料請關注腳本之家其它相關文章！

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