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深入探索Django框架：从入门到精通

深入探索Django框架：从入门到精通

作者: 万维易源
2024-11-10
DjangoPythonWeb框架settings.pyurls.py

摘要

本文将详细介绍Django框架的核心概念和操作流程。Django是一个高级的Python Web框架，它鼓励快速开发和干净、实用的设计。文章将从创建Django项目开始，逐步介绍如何注册应用、处理服务请求、配置urls.py和settings.py文件，以及解释settings.py中的配置项。通过本文的学习，读者将能够掌握Django项目的基本设置和配置，为进一步的开发工作打下坚实的基础。

关键词

Django, Python, Web框架, settings.py, urls.py

一、Django项目搭建与初步理解

1.1 Django框架简介与优势

Django 是一个高级的 Python Web 框架，旨在帮助开发者快速构建高质量的 Web 应用程序。它的设计哲学强调“不要重复自己”（DRY）原则，鼓励代码重用和简洁性。Django 提供了丰富的内置功能，如 ORM（对象关系映射）、自动化的管理界面、用户认证系统等，使得开发者可以专注于业务逻辑的实现，而无需过多关注底层细节。此外，Django 的社区非常活跃，提供了大量的文档和第三方插件，为开发者提供了强大的支持。

1.2 创建Django项目及初始配置

创建一个新的 Django 项目非常简单。首先，确保已经安装了 Python 和 Django。然后，在命令行中运行以下命令：

django-admin startproject myproject

这将创建一个名为 myproject 的目录，其中包含项目的初始文件结构。进入项目目录后，可以运行以下命令启动开发服务器：

cd myproject
python manage.py runserver

打开浏览器并访问 http://127.0.0.1:8000/，你应该会看到 Django 的欢迎页面。接下来，我们需要对项目的初始配置进行一些调整。打开 myproject/settings.py 文件，这里包含了项目的各种配置项。例如，你可以设置数据库连接、静态文件路径、中间件等。确保 INSTALLED_APPS 列表中包含了必要的应用，如 django.contrib.admin、django.contrib.auth 等。

1.3 项目结构分析与理解

Django 项目的结构清晰且有条理。以下是 myproject 目录的主要文件和目录：

  • manage.py：这是一个命令行工具，用于执行各种管理任务，如运行开发服务器、同步数据库等。
  • myproject/：这是项目的主目录，包含以下文件：
    • init.py：使 myproject 成为一个 Python 包。
    • settings.py：项目的配置文件，包含数据库设置、安全设置、中间件等。
    • urls.py：项目的 URL 路由配置文件，定义了 URL 和视图函数之间的映射关系。
    • wsgi.py：WSGI 兼容的 Web 服务器入口点。

理解这些文件和目录的作用对于项目的开发和维护至关重要。每个文件都有其特定的功能，合理地组织和管理这些文件可以使项目更加高效和可维护。

1.4 应用注册与使用

在 Django 中，应用是项目的基本组成部分。每个应用通常包含模型、视图、模板和 URL 配置。要创建一个新的应用，可以在项目目录中运行以下命令：

python manage.py startapp myapp

这将创建一个名为 myapp 的目录，其中包含应用的初始文件结构。接下来，需要将新应用注册到项目中。打开 myproject/settings.py 文件，找到 INSTALLED_APPS 列表，添加新应用的名称：

INSTALLED_APPS = [
    'django.contrib.admin',
    'django.contrib.auth',
    # 其他应用
    'myapp',  # 新应用
]

注册应用后，可以在 myapp 目录中定义模型、视图和 URL 配置。例如，创建一个简单的模型：

# myapp/models.py
from django.db import models

class Article(models.Model):
    title = models.CharField(max_length=100)
    content = models.TextField()
    created_at = models.DateTimeField(auto_now_add=True)

然后，定义视图函数：

# myapp/views.py
from django.shortcuts import render
from .models import Article

def article_list(request):
    articles = Article.objects.all()
    return render(request, 'article_list.html', {'articles': articles})

最后，配置 URL 路由：

# myapp/urls.py
from django.urls import path
from . import views

urlpatterns = [
    path('articles/', views.article_list, name='article_list'),
]

将应用的 URL 配置包含到项目的主 URL 配置中：

# myproject/urls.py
from django.contrib import admin
from django.urls import path, include

urlpatterns = [
    path('admin/', admin.site.urls),
    path('', include('myapp.urls')),
]

通过以上步骤，你已经成功创建并注册了一个新的 Django 应用。接下来，可以根据实际需求进一步开发和完善应用的功能。

二、项目配置与请求处理

2.1 处理服务请求的生命周期

在 Django 中，处理服务请求的生命周期是一个复杂但有序的过程。当用户通过浏览器发送请求时，Django 会按照一系列预定义的步骤来处理这个请求，并最终生成响应。这一过程可以分为以下几个主要阶段：

  1. 接收请求：Django 使用 WSGI 协议接收来自客户端的 HTTP 请求。WSGI 是一种通用接口，允许 Web 服务器与 Web 应用程序进行通信。
  2. 解析 URL：接收到请求后，Django 会根据 urls.py 文件中的配置解析 URL，确定请求应该由哪个视图函数处理。
  3. 调用视图函数：Django 调用相应的视图函数，传递请求对象和其他参数。视图函数负责处理业务逻辑，如查询数据库、处理表单数据等。
  4. 生成响应：视图函数处理完请求后，会生成一个响应对象。这个响应对象可以是一个 HTML 页面、JSON 数据或其他任何形式的数据。
  5. 返回响应：Django 将生成的响应对象通过 WSGI 协议返回给客户端。

了解这一生命周期有助于开发者更好地调试和优化应用程序。每个阶段都有其特定的功能和作用，合理地利用这些阶段可以提高应用的性能和用户体验。

2.2 配置urls.py实现路由映射

urls.py 文件是 Django 项目中用于定义 URL 路由的重要文件。通过配置 urls.py，开发者可以将不同的 URL 映射到相应的视图函数，从而实现请求的分发和处理。以下是一个典型的 urls.py 文件示例：

# myproject/urls.py
from django.contrib import admin
from django.urls import path, include

urlpatterns = [
    path('admin/', admin.site.urls),
    path('', include('myapp.urls')),
]

在这个示例中，path('admin/', admin.site.urls) 将 /admin/ 开头的 URL 映射到 Django 自带的管理界面，而 path('', include('myapp.urls')) 则将根路径下的请求分发到 myapp 应用的 urls.py 文件中。

在 myapp/urls.py 文件中，可以进一步定义具体的 URL 路由：

# myapp/urls.py
from django.urls import path
from . import views

urlpatterns = [
    path('articles/', views.article_list, name='article_list'),
    path('articles/<int:pk>/', views.article_detail, name='article_detail'),
]

这里，path('articles/', views.article_list, name='article_list') 将 /articles/ 路径映射到 views.article_list 视图函数，而 path('articles/<int:pk>/', views.article_detail, name='article_detail') 则将 /articles/1/ 这样的路径映射到 views.article_detail 视图函数，其中 <int:pk> 表示一个整数参数，用于获取特定的文章。

通过合理配置 urls.py，开发者可以实现灵活的 URL 路由，使应用更加易于扩展和维护。

2.3 settings.py文件详解

settings.py 文件是 Django 项目中最重要的配置文件之一，它包含了项目的各种配置项。这些配置项涵盖了数据库连接、静态文件路径、中间件、安全设置等多个方面。以下是一些常见的配置项及其作用：

  • DATABASES：定义数据库连接信息。例如：
    DATABASES = {
    'default': {
        'ENGINE': 'django.db.backends.sqlite3',
        'NAME': BASE_DIR / 'db.sqlite3',
    }
}
  • INSTALLED_APPS：列出项目中已安装的应用。例如：
    INSTALLED_APPS = [
    'django.contrib.admin',
    'django.contrib.auth',
    'myapp',
]
  • MIDDLEWARE：定义中间件类列表。中间件可以在请求和响应之间进行处理，例如：
    MIDDLEWARE = [
    'django.middleware.security.SecurityMiddleware',
    'django.contrib.sessions.middleware.SessionMiddleware',
    'django.middleware.common.CommonMiddleware',
]
  • TEMPLATES：配置模板引擎。例如：
    TEMPLATES = [
    {
        'BACKEND': 'django.template.backends.django.DjangoTemplates',
        'DIRS': [BASE_DIR / 'templates'],
        'APP_DIRS': True,
    }
]
  • STATIC_URL 和 STATICFILES_DIRS：配置静态文件的路径。例如：
    STATIC_URL = '/static/'
STATICFILES_DIRS = [BASE_DIR / 'static']
  • MEDIA_URL 和 MEDIA_ROOT：配置媒体文件的路径。例如：
    MEDIA_URL = '/media/'
MEDIA_ROOT = BASE_DIR / 'media'
  • SECRET_KEY：用于加密签名的密钥。例如：
    SECRET_KEY = 'your-secret-key'

通过合理配置 settings.py，开发者可以确保项目的各项功能正常运行，并且可以根据需要进行灵活的调整。

2.4 项目配置项深度解读

在 settings.py 文件中，有许多配置项对于项目的正常运行至关重要。以下是对一些关键配置项的深度解读：

  • DATABASES：数据库配置项决定了项目如何连接到数据库。ENGINE 指定了使用的数据库后端，常见的有 django.db.backends.sqlite3、django.db.backends.mysql 和 django.db.backends.postgresql。NAME 指定了数据库的名称或路径。其他配置项如 USER、PASSWORD、HOST 和 PORT 用于指定数据库的连接信息。
  • INSTALLED_APPS：这个列表列出了项目中已安装的应用。每个应用都可以提供模型、视图、模板和 URL 配置等功能。确保 INSTALLED_APPS 中包含了所有必要的应用，以便它们能够正常工作。
  • MIDDLEWARE：中间件类列表定义了请求和响应处理的顺序。常见的中间件包括 SecurityMiddleware、SessionMiddleware 和 CommonMiddleware。中间件可以用于处理跨站请求伪造（CSRF）、会话管理、缓存等任务。
  • TEMPLATES：模板引擎配置项决定了项目如何渲染模板。BACKEND 指定了使用的模板引擎，通常是 django.template.backends.django.DjangoTemplates。DIRS 指定了模板文件的搜索路径，APP_DIRS 设置为 True 时，Django 会自动在每个应用的 templates 目录中查找模板文件。
  • STATIC_URL 和 STATICFILES_DIRS：静态文件配置项决定了项目如何处理静态文件，如 CSS、JavaScript 和图像文件。STATIC_URL 指定了静态文件的 URL 前缀，STATICFILES_DIRS 指定了静态文件的搜索路径。
  • MEDIA_URL 和 MEDIA_ROOT：媒体文件配置项决定了项目如何处理用户上传的文件。MEDIA_URL 指定了媒体文件的 URL 前缀，MEDIA_ROOT 指定了媒体文件的存储路径。
  • SECRET_KEY：这是一个用于加密签名的密钥，必须保持秘密。如果泄露，可能会导致安全问题。建议在部署时使用环境变量来设置 SECRET_KEY。

通过深入理解这些配置项，开发者可以更好地管理和优化 Django 项目，确保其稳定性和安全性。合理的配置不仅能够提高应用的性能，还能增强用户体验，使项目更加健壮和可靠。

三、高级配置与优化策略

3.1 数据库配置与迁移

在 Django 项目中，数据库配置是至关重要的一步。settings.py 文件中的 DATABASES 配置项决定了项目如何连接到数据库。默认情况下，Django 使用 SQLite 数据库，这对于小型项目或开发环境来说已经足够。然而，对于生产环境，通常会选择更强大的数据库系统，如 MySQL 或 PostgreSQL。

DATABASES = {
    'default': {
        'ENGINE': 'django.db.backends.sqlite3',
        'NAME': BASE_DIR / 'db.sqlite3',
    }
}

要切换到 MySQL 或 PostgreSQL，只需更改 ENGINE 和 NAME 的值。例如，使用 MySQL：

DATABASES = {
    'default': {
        'ENGINE': 'django.db.backends.mysql',
        'NAME': 'mydatabase',
        'USER': 'myuser',
        'PASSWORD': 'mypassword',
        'HOST': 'localhost',
        'PORT': '3306',
    }
}

配置好数据库后，需要进行数据库迁移。Django 提供了强大的迁移机制，可以自动创建和更新数据库表结构。首先，生成迁移文件：

python manage.py makemigrations

然后，应用迁移文件：

python manage.py migrate

通过这些步骤，你可以确保数据库表结构与模型定义保持一致，从而避免数据丢失和不一致的问题。

3.2 模板引擎的使用与定制

Django 的模板引擎是其核心功能之一，用于生成动态的 HTML 内容。settings.py 文件中的 TEMPLATES 配置项决定了模板引擎的行为。默认配置如下：

TEMPLATES = [
    {
        'BACKEND': 'django.template.backends.django.DjangoTemplates',
        'DIRS': [BASE_DIR / 'templates'],
        'APP_DIRS': True,
        'OPTIONS': {
            'context_processors': [
                'django.template.context_processors.debug',
                'django.template.context_processors.request',
                'django.contrib.auth.context_processors.auth',
                'django.contrib.messages.context_processors.messages',
            ],
        },
    },
]

DIRS 列表指定了模板文件的搜索路径，APP_DIRS 设置为 True 时，Django 会自动在每个应用的 templates 目录中查找模板文件。OPTIONS 字典可以用于进一步定制模板引擎的行为，例如启用或禁用某些上下文处理器。

在实际开发中，你可能需要自定义模板标签和过滤器。这可以通过创建一个 templatetags 目录并在其中定义自定义标签和过滤器来实现。例如：

# myapp/templatetags/custom_tags.py
from django import template

register = template.Library()

@register.filter
def lower(value):
    return value.lower()

然后在模板中使用自定义过滤器：

{{ "Hello World"|lower }}

通过自定义模板标签和过滤器，你可以使模板代码更加简洁和灵活，提高开发效率。

3.3 静态文件与媒体文件的配置

静态文件和媒体文件是 Web 应用中不可或缺的部分。静态文件包括 CSS、JavaScript 和图像文件，而媒体文件则是用户上传的文件，如图片、视频等。settings.py 文件中的 STATIC_URL、STATICFILES_DIRS、MEDIA_URL 和 MEDIA_ROOT 配置项用于管理这些文件。

STATIC_URL = '/static/'
STATICFILES_DIRS = [BASE_DIR / 'static']

MEDIA_URL = '/media/'
MEDIA_ROOT = BASE_DIR / 'media'

STATIC_URL 指定了静态文件的 URL 前缀，STATICFILES_DIRS 指定了静态文件的搜索路径。MEDIA_URL 指定了媒体文件的 URL 前缀，MEDIA_ROOT 指定了媒体文件的存储路径。

在开发环境中，Django 可以自动处理静态文件和媒体文件的请求。但在生产环境中，通常需要使用 Nginx 或 Apache 等 Web 服务器来提供这些文件。例如，使用 Nginx 配置静态文件和媒体文件：

location /static/ {
    alias /path/to/static/;
}

location /media/ {
    alias /path/to/media/;
}

通过合理配置静态文件和媒体文件，可以确保应用的性能和用户体验，同时避免潜在的安全风险。

3.4 安全性设置与优化

安全性是任何 Web 应用的关键考虑因素。Django 提供了多种安全设置，帮助开发者保护应用免受常见攻击。settings.py 文件中的 SECRET_KEY、ALLOWED_HOSTS、CSRF_COOKIE_SECURE 和 SESSION_COOKIE_SECURE 等配置项用于增强应用的安全性。

SECRET_KEY = 'your-secret-key'
ALLOWED_HOSTS = ['yourdomain.com']
CSRF_COOKIE_SECURE = True
SESSION_COOKIE_SECURE = True

SECRET_KEY 是一个用于加密签名的密钥，必须保持秘密。ALLOWED_HOSTS 列表指定了允许访问应用的主机名或 IP 地址。CSRF_COOKIE_SECURE 和 SESSION_COOKIE_SECURE 设置为 True 时，Django 会确保 CSRF 和会话 cookie 只通过 HTTPS 传输，从而提高安全性。

除了这些基本设置，Django 还提供了许多其他安全功能，如用户认证、权限管理、密码哈希等。例如，使用 Django 的用户认证系统可以轻松实现用户登录和注册功能：

# myapp/views.py
from django.contrib.auth import authenticate, login, logout
from django.shortcuts import render, redirect

def user_login(request):
    if request.method == 'POST':
        username = request.POST['username']
        password = request.POST['password']
        user = authenticate(request, username=username, password=password)
        if user is not None:
            login(request, user)
            return redirect('home')
        else:
            return render(request, 'login.html', {'error': 'Invalid credentials'})
    return render(request, 'login.html')

def user_logout(request):
    logout(request)
    return redirect('login')

通过合理配置和使用 Django 的安全功能，可以有效保护应用免受各种安全威胁，确保用户的隐私和数据安全。

四、项目测试与部署

4.1 测试Django项目

在开发过程中，测试是确保代码质量和应用稳定性的关键步骤。Django 提供了强大的测试框架，可以帮助开发者编写和运行单元测试、功能测试和集成测试。通过编写测试用例，可以验证应用的各项功能是否按预期工作，及时发现和修复潜在的错误。

单元测试

单元测试主要用于验证单个函数或方法的正确性。在 Django 中，可以使用 unittest 模块来编写单元测试。例如，假设我们有一个 Article 模型，可以编写如下测试用例：

# myapp/tests.py
from django.test import TestCase
from .models import Article

class ArticleModelTest(TestCase):
    def test_article_creation(self):
        article = Article.objects.create(title="Test Article", content="This is a test article.")
        self.assertEqual(article.title, "Test Article")
        self.assertEqual(article.content, "This is a test article.")

功能测试

功能测试用于验证整个应用的工作流程。Django 提供了 Client 类，可以模拟浏览器请求，测试视图函数和 URL 路由。例如，可以编写如下测试用例：

# myapp/tests.py
from django.test import TestCase, Client
from .models import Article

class ArticleViewTest(TestCase):
    def setUp(self):
        self.client = Client()
        self.article = Article.objects.create(title="Test Article", content="This is a test article.")

    def test_article_list_view(self):
        response = self.client.get('/articles/')
        self.assertEqual(response.status_code, 200)
        self.assertContains(response, "Test Article")

    def test_article_detail_view(self):
        response = self.client.get(f'/articles/{self.article.pk}/')
        self.assertEqual(response.status_code, 200)
        self.assertContains(response, "Test Article")

集成测试

集成测试用于验证不同组件之间的交互。Django 的测试框架支持复杂的测试场景，可以模拟数据库操作、HTTP 请求和用户交互。通过编写集成测试，可以确保各个组件协同工作，避免因组件间的问题导致的错误。

4.2 部署Django项目

部署 Django 项目是将应用从开发环境迁移到生产环境的过程。合理的部署策略可以确保应用的高性能和高可用性。以下是一些常见的部署步骤和最佳实践。

选择合适的服务器

选择合适的服务器是部署的第一步。常见的服务器选项包括 VPS（虚拟私有服务器）、云服务器（如 AWS、Azure、Google Cloud）和物理服务器。根据项目的规模和预算，选择最适合的服务器类型。

配置 Web 服务器

在生产环境中，通常使用 Nginx 或 Apache 作为 Web 服务器，处理静态文件和反向代理请求。以下是一个简单的 Nginx 配置示例：

server {
    listen 80;
    server_name yourdomain.com;

    location / {
        proxy_pass http://127.0.0.1:8000;
        proxy_set_header Host $host;
        proxy_set_header X-Real-IP $remote_addr;
        proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
        proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme;
    }

    location /static/ {
        alias /path/to/static/;
    }

    location /media/ {
        alias /path/to/media/;
    }
}

配置 Gunicorn

Gunicorn 是一个常用的 WSGI 服务器，可以与 Django 项目配合使用。安装 Gunicorn 并启动应用：

pip install gunicorn
gunicorn myproject.wsgi:application --bind 127.0.0.1:8000

配置数据库

在生产环境中，通常使用 MySQL 或 PostgreSQL 作为数据库。确保数据库配置正确，并进行必要的优化。例如，使用 PostgreSQL：

DATABASES = {
    'default': {
        'ENGINE': 'django.db.backends.postgresql',
        'NAME': 'mydatabase',
        'USER': 'myuser',
        'PASSWORD': 'mypassword',
        'HOST': 'localhost',
        'PORT': '5432',
    }
}

4.3 性能监控与故障排查

性能监控和故障排查是确保应用稳定运行的重要手段。通过监控应用的性能指标，可以及时发现和解决潜在的问题，提高用户体验。

性能监控

使用工具如 New Relic、Datadog 或 Prometheus 可以实时监控应用的性能指标，如响应时间、请求量、内存使用情况等。例如，使用 Prometheus 监控 Django 应用：

  1. 安装 django-prometheus：
    pip install django-prometheus
  2. 在 settings.py 中添加 django_prometheus：
    INSTALLED_APPS = [
    # 其他应用
    'django_prometheus',
]
  3. 配置 urls.py：
    from django_prometheus import exports as django_prometheus_exports

urlpatterns += [
    path('metrics/', django_prometheus_exports.ExportToDjangoView, name='prometheus-django-metrics'),
]

故障排查

当应用出现故障时，及时排查和解决问题至关重要。Django 提供了日志记录功能，可以帮助开发者追踪和诊断问题。在 settings.py 中配置日志记录：

LOGGING = {
    'version': 1,
    'disable_existing_loggers': False,
    'handlers': {
        'file': {
            'level': 'DEBUG',
            'class': 'logging.FileHandler',
            'filename': '/path/to/django/debug.log',
        },
    },
    'loggers': {
        'django': {
            'handlers': ['file'],
            'level': 'DEBUG',
            'propagate': True,
        },
    },
}

通过查看日志文件，可以找到错误信息和堆栈跟踪，帮助快速定位和解决问题。

4.4 持续集成与自动化测试

持续集成（CI）和自动化测试是现代软件开发的重要实践。通过自动化构建和测试流程，可以确保代码质量，减少人为错误，提高开发效率。

配置 CI 工具

常用的 CI 工具有 Jenkins、Travis CI、GitHub Actions 等。以 GitHub Actions 为例，可以在项目仓库中创建 .github/workflows/ci.yml 文件，配置 CI 流程：

name: CI

on: [push, pull_request]

jobs:
  build:
    runs-on: ubuntu-latest

    steps:
    - uses: actions/checkout@v2
    - name: Set up Python
      uses: actions/setup-python@v2
      with:
        python-version: 3.8
    - name: Install dependencies
      run: |
        python -m pip install --upgrade pip
        pip install -r requirements.txt
    - name: Run tests
      run: |
        python manage.py test

自动化测试

在 CI 流程中，自动化测试是必不可少的一环。通过编写和运行测试用例，可以确保每次提交的代码都能通过测试。例如，可以在 requirements.txt 中添加测试依赖：

pytest
pytest-django

然后在 tests.py 中编写测试用例：

# myapp/tests.py
import pytest
from django.urls import reverse
from .models import Article

@pytest.mark.django_db
def test_article_creation(client):
    article = Article.objects.create(title="Test Article", content="This is a test article.")
    assert article.title == "Test Article"
    assert article.content == "This is a test article"

@pytest.mark.django_db
def test_article_list_view(client):
    article = Article.objects.create(title="Test Article", content="This is a test article.")
    response = client.get(reverse('article_list'))
    assert response.status_code == 200
    assert "Test Article" in str(response.content)

通过配置 CI 工具和自动化测试，可以确保代码的质量和稳定性，提高开发团队的生产力。

五、总结

本文详细介绍了 Django 框架的核心概念和操作流程，从创建 Django 项目开始，逐步讲解了如何注册应用、处理服务请求、配置 urls.py 和 settings.py 文件，以及解释 settings.py 中的配置项。通过本文的学习，读者可以掌握 Django 项目的基本设置和配置，为进一步的开发工作打下坚实的基础。

Django 作为一个高级的 Python Web 框架，强调快速开发和干净、实用的设计。它提供了丰富的内置功能，如 ORM、自动化的管理界面和用户认证系统，使得开发者可以专注于业务逻辑的实现。本文不仅涵盖了项目搭建和初步理解，还深入探讨了项目配置与请求处理、高级配置与优化策略，以及项目测试与部署等方面的内容。

通过合理配置 settings.py 文件，开发者可以确保项目的各项功能正常运行，并且可以根据需要进行灵活的调整。同时，本文还介绍了如何使用模板引擎、处理静态文件和媒体文件，以及如何配置数据库和进行性能监控与故障排查。最后，本文强调了持续集成和自动化测试的重要性，帮助开发者确保代码质量和应用的稳定性。

希望本文能够为读者提供全面的指导，助力他们在 Django 开发的道路上更加得心应手。

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