Python×DuckDB：データ処理を爆速効率化

IT・プログラミング

Python×DuckDB：データ処理を爆速効率化

  1. Python×DuckDB：データ処理を爆速効率化
    1. 設定不要、爆速データ処理！Python×DuckDBでデータ分析をレベルアップ
  2. DuckDBとは？Pythonデータ分析の新たな選択肢
    1. DuckDBの3つの特徴
    2. DuckDBが解決する課題：Pandasだけでは限界がある？
    3. ユースケース：ECサイトの売上データ分析
    4. Pandasとの連携：最強タッグの誕生
    5. 高速なデータ処理能力の秘密
    6. SQLiteとの違いは？
    7. まとめ：DuckDBでデータ分析を加速させよう
  3. DuckDBのインストールと基本操作
    1. 1. インストール：pipで簡単インストール
    2. 2. データベースへの接続：ファイル or メモリ？
    3. 3. テーブルの作成：SQLでデータ構造を定義
    4. 4. データの挿入：INSERT INTOでデータ登録
    5. 5. データの選択：SELECTでデータ抽出
    6. 6. Pandas DataFrameとの連携：SQLでデータフレームを操作
    7. まとめ：基本操作をマスターして、データ分析を始めよう
  4. Pandasとの連携：データ分析をさらに効率化
    1. データフレームのインポート/エクスポート：シームレスなデータ移行
    2. SQLクエリの実行：Pandasデータフレームを直接操作
    3. 実践的なテクニック：さらに効率的なデータ分析のために
    4. まとめ：PandasとDuckDBの連携で、データ分析を加速させよう
  5. DuckDBの高度な活用：SQLクエリでデータ分析
    1. 1. 集計関数でデータを要約する：GROUP BYと集計関数
    2. 2. WHERE句でデータを絞り込む：条件に合致するデータのみ抽出
    3. 3. JOIN句で複数のテーブルを結合する：関連データ分析
    4. 4. 窓関数で高度なデータ分析：ランキング、移動平均…etc
    5. 5. CTE (Common Table Expression)でクエリを整理する：複雑なクエリを構造化
    6. まとめ：SQLクエリを駆使して、データから深い洞察を得よう
  6. DuckDBで大規模データ処理：パフォーマンス最適化
    1. 1. インデックスを活用する：データ検索を高速化
    2. 2. クエリを最適化する：効率的なデータ処理のために
    3. 3. パーティショニングを検討する：大規模データセットを分割統治
    4. 4. ハードウェアリソースを意識する：メモリとストレージを最適化
    5. まとめ：DuckDBのパフォーマンスを最大限に引き出そう

Python×DuckDB：データ処理を爆速効率化

設定不要、爆速データ処理！Python×DuckDBでデータ分析をレベルアップ

この記事では、PythonとDuckDBを連携させてデータ分析を劇的に効率化する方法を解説します。設定不要ですぐに使えるDuckDBの利点を活かし、ファイル操作からデータ分析まで、具体的なコード例とともにPythonスキルをレベルアップさせましょう。データ分析のボトルネックを解消し、より高度な分析に挑戦したいあなたに、DuckDBは強力な武器となるはずです。

DuckDBとは？Pythonデータ分析の新たな選択肢

DuckDBは、Pythonデータ分析の世界に現れた、まさに「秘密兵器」とも呼べる存在です。設定不要で、インストールしてすぐに使える手軽さを持ちながら、そのデータ処理速度は目を見張るものがあります。Pandasだけでは処理が難しい大規模データや複雑な分析も、DuckDBなら高速に処理できる可能性があります。まるで、スポーツカーのようなデータベースなのです。

DuckDBの3つの特徴

一言で表すなら、DuckDBは「高速データ分析に特化した、インプロセスSQL OLAPデータベース管理システム」です。

  • 高速: カラム指向ストレージ、ベクトル化されたクエリ実行、インメモリ処理などの技術により、とにかくデータ処理が速い！
  • インプロセス: Pythonプログラムに組み込んで使える！環境構築の手間が少ない！
  • SQL OLAP: SQLで高度な分析ができる！PandasのデータフレームをSQLで直接操作可能！

つまり、Pythonでデータ分析を行う際に、DuckDBを組み合わせることで、今まで時間のかかっていた処理が、あっという間に終わる可能性があるのです。

DuckDBが解決する課題：Pandasだけでは限界がある？

Pythonでデータ分析を行う際、よく使われるのがPandasです。Pandasは非常に強力なライブラリですが、大規模なデータセットを扱う際には、処理速度が課題となることがあります。例えば、数百万件のCSVファイルを読み込むのに時間がかかったり、複雑な集計処理にメモリを大量に消費したりすることがあります。

また、Pandasはデータフレームという独自のデータ構造を使用するため、SQLに慣れた人にとっては、学習コストがかかる場合があります。DaskやSparkといった選択肢もありますが、設定や環境構築が複雑になることがあります。

そこでDuckDBの出番です。DuckDBは、Pandasと連携することで、Pandasだけでは難しかった高速なデータ処理を実現します。SQLクエリを使って、データフレームを直接操作できるため、より効率的なデータ分析が可能になります。設定も不要で、すぐに使い始められるのが大きなメリットです。

ユースケース：ECサイトの売上データ分析

例えば、あなたがECサイトの売上データを分析したいとしましょう。数百万件のデータがあり、Pandasで処理しようとすると、時間がかかってしまうかもしれません。しかし、DuckDBを使えば、SQLクエリを使って高速に集計やフィルタリングを行い、必要な情報をすぐに取り出すことができます。例えば、

  • 商品別売上ランキング: 最も売れている商品を特定する
  • 地域別売上分析: 売上が伸びている地域を特定する
  • 時間帯別売上分析: 売上がピークになる時間帯を特定する

といった分析が、SQLクエリを書くだけで簡単に行えます。

Pandasとの連携：最強タッグの誕生

DuckDBの魅力の一つは、Pandasとのシームレスな連携です。PandasのDataFrameをDuckDBに書き込み、SQLクエリを実行して、その結果を再びDataFrameとして取得することができます。データの形式変換を意識する必要がないため、非常にスムーズにデータ分析のワークフローを構築できます。

import duckdb
import pandas as pd

# DataFrameの作成
df = pd.DataFrame({'name': ['Alice', 'Bob', 'Charlie'], 'age': [25, 30, 35]})

# DuckDBでSQLクエリを実行
result = duckdb.query("SELECT name, age FROM df WHERE age > 28").to_df()

print(result)

上記のコードは、DataFrameから28歳より年上の人の名前と年齢を抽出する簡単な例です。このように、SQLの知識があれば、PandasのDataFrameを自由に操作できます。

高速なデータ処理能力の秘密

DuckDBがなぜこんなに速いのか？その秘密は、

  • カラム指向ストレージ: データを列ごとに保存することで、集計処理を高速化
  • ベクトル化されたクエリ実行: CPUの性能を最大限に活用
  • インメモリ処理: データをメモリ上で処理することで、ディスクアクセスを削減

といった技術にあります。これらの技術が組み合わさることで、DuckDBは従来のデータベースよりも圧倒的に高速なデータ処理を実現しているのです。

SQLiteとの違いは？

DuckDBは、「分析用のSQLite」と呼ばれることもあります。SQLiteと同様に軽量で組み込み型データベースですが、OLAP（Online Analytical Processing：オンライン分析処理）ワークロードに特化している点が異なります。SQLiteはトランザクション処理に強く、DuckDBはデータ分析に強い、というイメージです。

まとめ：DuckDBでデータ分析を加速させよう

DuckDBは、Pythonデータ分析における強力な選択肢の一つです。Pandasとの連携、高速なデータ処理能力、そして手軽に使えるという点が、多くのデータサイエンティストやエンジニアに支持されています。もしあなたが、データ分析の速度に不満を感じているなら、ぜひDuckDBを試してみてください。きっと、その速さに驚くはずです。

DuckDBのインストールと基本操作

DuckDBを使い始めるための最初のステップは、インストールと基本的な操作の習得です。ここでは、DuckDBをPython環境にインストールする方法から、データベースへの接続、テーブルの作成、データの挿入といった基本操作を、具体的なコード例とともに分かりやすく解説します。

1. インストール：pipで簡単インストール

DuckDBのインストールは非常に簡単です。Pythonのパッケージ管理ツールであるpipまたはcondaを使って、以下のコマンドを実行するだけで完了します。

pipの場合:

pip install duckdb

condaの場合:

conda install duckdb -c conda-forge

インストールが完了したら、Pythonスクリプト内でimport duckdbと記述することで、DuckDBの機能を利用できるようになります。

2. データベースへの接続：ファイル or メモリ？

DuckDBを使用するには、まずデータベースに接続する必要があります。duckdb.connect()関数を使って、データベースファイルへの接続を確立します。

import duckdb

# データベースファイルに接続（ファイルが存在しない場合は新規作成）
con = duckdb.connect('mydatabase.duckdb')

# または、インメモリデータベースに接続
# con = duckdb.connect(':memory:')

上記の例では、mydatabase.duckdbという名前のデータベースファイルに接続しています。もしファイルが存在しない場合は、自動的に新規作成されます。また、:memory:を指定することで、インメモリデータベースに接続することも可能です。インメモリデータベースは、プログラムの実行中にのみデータが保持され、終了すると消去されます。

3. テーブルの作成：SQLでデータ構造を定義

データベースに接続したら、次はテーブルを作成します。con.execute()メソッドを使って、SQLのCREATE TABLEステートメントを実行します。

# テーブルを作成
con.execute("""
CREATE TABLE users (
 id INTEGER PRIMARY KEY,
 name VARCHAR(255),
 age INTEGER
)
""")

上記の例では、usersという名前のテーブルを作成しています。このテーブルは、id（整数型の主キー）、name（文字列型）、age（整数型）の3つのカラムを持っています。

4. データの挿入：INSERT INTOでデータ登録

テーブルを作成したら、データを挿入します。con.execute()メソッドを使って、SQLのINSERT INTOステートメントを実行します。

# データを挿入
con.execute("""
INSERT INTO users (id, name, age) VALUES
 (1, 'Alice', 25),
 (2, 'Bob', 30),
 (3, 'Charlie', 35)
""")

上記の例では、usersテーブルに3件のデータを挿入しています。各データは、id、name、ageの順に値を指定します。

5. データの選択：SELECTでデータ抽出

テーブルにデータが挿入されたら、SELECTステートメントを使ってデータを選択します。

# データをSELECT
result = con.execute("SELECT * FROM users").fetchall()
print(result)
# 出力例: [(1, 'Alice', 25), (2, 'Bob', 30), (3, 'Charlie', 35)]

上記の例では、usersテーブルからすべてのカラムを選択し、結果をfetchall()メソッドで取得しています。取得したデータは、タプルのリストとして返されます。

6. Pandas DataFrameとの連携：SQLでデータフレームを操作

DuckDBはPandas DataFrameとの連携も容易です。DataFrameをテーブルとして登録し、SQLクエリを実行することができます。

import pandas as pd

# DataFrameを作成
df = pd.DataFrame({'id': [4, 5], 'name': ['David', 'Eve'], 'age': [40, 45]})

# DataFrameをDuckDBに登録
con.register('my_df', df)

# SQLクエリを実行
result = con.execute("SELECT * FROM my_df WHERE age > 40").fetchdf()
print(result)

ここでは、con.register()メソッドを使って、DataFrameをmy_dfという名前でDuckDBに登録しています。登録したDataFrameは、SQLクエリ内でテーブルとして参照できます。クエリ結果は、fetchdf()メソッドを使ってPandas DataFrameとして取得できます。

まとめ：基本操作をマスターして、データ分析を始めよう

このセクションでは、DuckDBのインストールから基本的なデータベース操作までを解説しました。これらの基本をマスターすることで、DuckDBを使ったデータ分析の第一歩を踏み出すことができます。次のセクションでは、Pandasとの連携についてさらに詳しく解説し、データ分析をより効率化するためのテクニックを紹介します。

Pandasとの連携：データ分析をさらに効率化

DuckDBの真価は、そのスタンドアロンな性能だけではありません。データ分析で広く利用されているライブラリ、Pandasとの連携によって、その能力はさらに開花します。ここでは、DuckDBとPandasを連携させることで、データ分析の効率を劇的に向上させる方法を解説します。具体的には、データフレームのインポート/エクスポート、そしてSQLクエリの実行という、実践的なテクニックを紹介します。

データフレームのインポート/エクスポート：シームレスなデータ移行

PandasのデータフレームをDuckDBにインポートするのは非常に簡単です。duckdb.from_df()関数を使うことで、データフレームの内容をDuckDBのテーブルとして扱えるようになります。これにより、Pandasで作成したデータを、SQLクエリを使って分析できるようになります。

逆に、DuckDBでSQLクエリを実行した結果を、Pandasのデータフレームとしてエクスポートすることも可能です。duckdb.query()関数でSQLクエリを実行し、.to_df()メソッドを呼び出すことで、結果がデータフレームとして返されます。これにより、DuckDBの高速なSQL処理能力を活用し、その結果をPandasで可視化したり、さらに加工したりといった柔軟な使い方が可能になります。

コード例：データフレームのインポートとエクスポート

import duckdb
import pandas as pd

# Pandasデータフレームの作成
df = pd.DataFrame({'name': ['Alice', 'Bob', 'Charlie'], 'age': [25, 30, 35]})

# DuckDBにデータフレームをインポート
con = duckdb.connect(':memory:') # インメモリデータベースに接続
con.register('my_df', df) # データフレームを'my_df'という名前で登録

# SQLクエリを実行
result = con.execute('SELECT name, age FROM my_df WHERE age > 28').fetchdf()

# 結果をPandasデータフレームとして表示
print(result)

con.close()

この例では、PandasのデータフレームdfをDuckDBにインポートし、SQLクエリでageが28より大きい人のnameとageを選択しています。そして、その結果をPandasのデータフレームとしてresultに格納し、表示しています。

SQLクエリの実行：Pandasデータフレームを直接操作

DuckDBの強力なSQLエンジンは、Pandasのデータフレームに対しても直接クエリを実行できます。これは、duckdb.query()関数を使うことで実現します。この関数にSQLクエリを文字列として渡し、データフレームをテーブル名として指定することで、データフレームの内容をSQLで操作できます。

この機能の最大のメリットは、大規模なデータセットに対して、SQLの強力なフィルタリング、集計、結合などの機能を活用できることです。Pandasだけでは処理が難しいデータも、DuckDBと組み合わせることで、効率的に分析できます。

コード例：SQLクエリによるデータフレームの操作

import duckdb
import pandas as pd

# Pandasデータフレームの作成
df = pd.DataFrame({'product': ['A', 'B', 'A', 'C'], 'sales': [100, 200, 150, 300]})

# SQLクエリでデータフレームを集計
result = duckdb.query("SELECT product, SUM(sales) AS total_sales FROM df GROUP BY product").to_df()

# 結果を表示
print(result)

この例では、productごとのsalesの合計をSQLクエリで計算し、その結果をPandasのデータフレームとして表示しています。このように、DuckDBを使うことで、PandasのデータフレームをSQLで集計したり、複雑な条件でフィルタリングしたりすることが容易になります。

実践的なテクニック：さらに効率的なデータ分析のために

  • 大規模データセットの処理: 大規模なデータセットを扱う場合、DuckDBでデータのフィルタリングや集計を行い、結果をPandasで可視化すると効率的です。DuckDBの高速なSQL処理能力を活かすことで、Pandasだけでは時間がかかる処理も、迅速に完了させることができます。
  • ファイルからの直接読み込み: duckdb.read_csv()やduckdb.read_parquet()などの関数を使用すると、CSVやParquetファイルを直接DuckDBに読み込むことができます。これにより、Pandasを経由せずに、ファイルから直接SQLクエリを実行できるようになり、さらなる効率化が期待できます。
  • Jupyter Notebookとの連携: DuckDBはJupyter Notebookとの相性も抜群です。データの前処理や集計にDuckDBを使用し、結果をPandasで可視化することで、インタラクティブなデータ分析ワークフローを構築できます。

まとめ：PandasとDuckDBの連携で、データ分析を加速させよう

DuckDBとPandasの連携は、データ分析の可能性を大きく広げます。データフレームのインポート/エクスポート、SQLクエリの実行といった基本的なテクニックを習得することで、データ分析の効率を劇的に向上させることができます。ぜひ、DuckDBとPandasを組み合わせて、より高度なデータ分析に挑戦してみてください。

DuckDBの高度な活用：SQLクエリでデータ分析

DuckDBは、その高速なデータ処理能力に加え、高度なSQLクエリをサポートしています。これにより、集計、フィルタリング、結合といったデータ分析の基本操作から、より複雑な分析まで、SQLの知識をフル活用して効率的に実行できます。ここでは、具体的なコード例を交えながら、DuckDBのSQLクエリを使ったデータ分析テクニックを解説します。

1. 集計関数でデータを要約する：GROUP BYと集計関数

GROUP BY句と集計関数（COUNT、SUM、AVG、MIN、MAXなど）を組み合わせることで、データを様々な角度から集計し、傾向を把握できます。例えば、売上データを地域別、商品別に集計して、最も売れている地域や商品を特定することができます。

import duckdb

con = duckdb.connect(database=':memory:', read_only=False)

con.execute("""
CREATE TABLE sales (
 region VARCHAR,
 product VARCHAR,
 sales_amount INTEGER
);
""")

con.execute("""
INSERT INTO sales VALUES
('North', 'Widget A', 100),
('North', 'Widget B', 150),
('South', 'Widget A', 200),
('South', 'Widget B', 250),
('East', 'Widget A', 120),
('West', 'Widget B', 180);
""")

result = con.execute("""
SELECT
 region,
 product,
 SUM(sales_amount) AS total_sales
FROM
 sales
GROUP BY
 region,
 product
ORDER BY
 region,
 product;
""").fetchdf()

print(result)

con.close()

この例では、salesテーブルから地域別、商品別の売上合計を計算し、結果をPandasのDataFrameとして表示します。

2. WHERE句でデータを絞り込む：条件に合致するデータのみ抽出

WHERE句を使うことで、特定の条件を満たすデータのみを抽出できます。例えば、特定の期間のアクセスログをフィルタリングしたり、特定の顧客層の購買データを抽出したりする際に役立ちます。

import duckdb

con = duckdb.connect(database=':memory:', read_only=False)

con.execute("""
CREATE TABLE access_logs (
 timestamp TIMESTAMP,
 user_id INTEGER,
 page_url VARCHAR
);
""")

con.execute("""
INSERT INTO access_logs VALUES
('2024-01-01 10:00:00', 1, '/home'),
('2024-01-01 11:00:00', 2, '/products'),
('2024-01-02 12:00:00', 1, '/cart'),
('2024-01-02 13:00:00', 3, '/checkout');
""")

result = con.execute("""
SELECT
 timestamp,
 user_id,
 page_url
FROM
 access_logs
WHERE
 timestamp BETWEEN '2024-01-01' AND '2024-01-01 23:59:59';
""").fetchdf()

print(result)

con.close()

このコードは、access_logsテーブルから2024年1月1日のアクセスログを抽出します。

3. JOIN句で複数のテーブルを結合する：関連データ分析

JOIN句を使うと、複数のテーブルを関連するカラムに基づいて結合し、より複雑な分析を行うことができます。例えば、顧客データと購買データを結合して、顧客ごとの購買履歴を分析したり、商品データと在庫データを結合して、在庫切れのリスクがある商品を特定したりできます。

import duckdb

con = duckdb.connect(database=':memory:', read_only=False)

con.execute("""
CREATE TABLE customers (
 customer_id INTEGER,
 name VARCHAR,
 city VARCHAR
);
""")

con.execute("""
INSERT INTO customers VALUES
(1, 'Alice', 'New York'),
(2, 'Bob', 'London'),
(3, 'Charlie', 'Tokyo');
""")

con.execute("""
CREATE TABLE orders (
 order_id INTEGER,
 customer_id INTEGER,
 order_date DATE,
 amount INTEGER
);
""")

con.execute("""
INSERT INTO orders VALUES
(101, 1, '2024-01-01', 100),
(102, 2, '2024-01-02', 200),
(103, 1, '2024-01-03', 150);
""")

result = con.execute("""
SELECT
 c.name,
 c.city,
 o.order_date,
 o.amount
FROM
 customers c
JOIN
 orders o ON c.customer_id = o.customer_id;
""").fetchdf()

print(result)

con.close()

この例では、customersテーブルとordersテーブルをcustomer_idに基づいて結合し、顧客名、都市、注文日、注文金額を表示します。

4. 窓関数で高度なデータ分析：ランキング、移動平均…etc

DuckDBは、ROW_NUMBER、RANK、LAG、LEADなどの窓関数もサポートしています。これらの関数を使うと、ランキングの計算、移動平均の算出、前後のレコードとの比較など、より高度なデータ分析を行うことができます。

5. CTE (Common Table Expression)でクエリを整理する：複雑なクエリを構造化

複雑なクエリを記述する際には、WITH句を使ってCTE (Common Table Expression)を定義すると、クエリをより読みやすく、管理しやすくすることができます。CTEは、クエリ内で一時的なテーブルとして使用できるため、複雑なロジックを分割し、理解しやすくすることができます。

まとめ：SQLクエリを駆使して、データから深い洞察を得よう

DuckDBのSQLクエリ機能を活用することで、Pythonと組み合わせることで、データ分析の幅が広がり、より深い洞察を得ることができます。ぜひ、これらのテクニックを参考に、データ分析スキルをレベルアップさせてください。

DuckDBで大規模データ処理：パフォーマンス最適化

DuckDBは、その高速なデータ処理能力で知られていますが、大規模なデータセットを扱う際には、パフォーマンスを最大限に引き出すための最適化が不可欠です。ここでは、インデックスの活用やクエリの最適化など、実践的なテクニックを紹介します。

1. インデックスを活用する：データ検索を高速化

インデックスは、データベースの検索速度を向上させるための重要な要素です。DuckDBでは、主に以下の2種類のインデックスが利用できます。

  • Min-Max Index (Zonemap)：範囲クエリ（WHERE age BETWEEN 20 AND 30など）のパフォーマンスを大幅に向上させます。DuckDBは自動的にZonemapを作成します。
  • ART (Adaptive Radix Tree)インデックス: 特定の値の検索（WHERE id = 123など）や、選択性の高い範囲クエリに適しています。CREATE INDEX index_name ON table_name (column_name);で作成します。

例：

CREATE INDEX idx_customer_id ON customers (customer_id);

このインデックスを作成することで、customer_idに基づいた検索が高速化されます。

2. クエリを最適化する：効率的なデータ処理のために

クエリの書き方一つで、処理速度は大きく変わります。以下の点に注意してクエリを最適化しましょう。

  • WHERE句の活用: 不要なデータを読み込まないように、WHERE句で早めにフィルタリングを行います。複数の条件がある場合は、絞り込み効果の高い条件を先に記述します。
  • JOIN句の最適化: JOINするテーブルの順序や、JOINに使用するカラムを適切に選択します。不要なJOINは避けるようにしましょう。
  • 不要なカラムの選択を避ける: SELECT *ではなく、必要なカラムのみを指定することで、データ転送量を減らし、処理速度を向上させます。

例：

悪い例：

SELECT * FROM orders WHERE order_date BETWEEN '2023-01-01' AND '2023-01-31';

良い例：

SELECT order_id, customer_id, order_date FROM orders WHERE order_date BETWEEN '2023-01-01' AND '2023-01-31';

3. パーティショニングを検討する：大規模データセットを分割統治

非常に大規模なデータセットの場合、データを複数のパーティションに分割することで、並列処理が可能になり、パフォーマンスが向上します。

4. ハードウェアリソースを意識する：メモリとストレージを最適化

  • 十分なメモリ: DuckDBはインメモリ処理を基本とするため、十分なメモリを確保することが重要です。
  • 高速なストレージ: データファイルへのアクセス速度もパフォーマンスに影響します。SSDなどの高速なストレージを使用することを検討しましょう。

まとめ：DuckDBのパフォーマンスを最大限に引き出そう

DuckDBは、工夫次第で大規模なデータセットも効率的に処理できます。インデックスの活用、クエリの最適化、そしてハードウェアリソースの考慮。これらを組み合わせることで、DuckDBのポテンシャルを最大限に引き出し、データ分析を加速させましょう。

主要な改善点:

  • 導入: 記事の目的と読者層を明確化し、課題を提示することで、読者の関心を惹きつけました。
  • セクション間の連携: 各セクションの終わりに次のセクションへの導入を加え、記事全体の流れをスムーズにしました。
  • 具体例の追加: ユースケースや実践的なテクニックを追加し、読者がDuckDBをより具体的にイメージできるようにしました。
  • 冗長性の排除: 表現を簡潔にし、記事全体の密度を高めました。
  • 表現の調整: 読者層に合わせて、専門用語を分かりやすく解説し、親しみやすいトーンで記述しました。

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