工业级通信全栈指南：从串口硬件报文到 TCP Socket 高并发架构#

1
// 假设我们的原始业务数据是 32位整型 4660 (十六进制是 0x00001234)
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int rawData = 0x1234;
3

4
// 【获取高位 (MSB)】
5
// 原理：将整体向右平移 8 个坑位，把原本在前面的 0x12 挤到了最低位，同时必须配合 & 0xFF 杀死遗留的其他所有高位干扰
6
byte msb = (byte)((rawData >> 8) & 0xFF);  // 结果极其安全地变为: 0x12
7

8
// 【获取低位 (LSB)】
9
// 原理：无需平移，直接对原始数据怼上 0xFF的“漏网”，直接一刀切除前面所有的残渣，只留下最底下 8 位。
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byte lsb = (byte)(rawData & 0xFF); // 结果被安详地切成: 0x34
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// 发送时，如果是手册要求“高位在前”，你的发送缓冲区发车数组就长这样：
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byte[] sendBuffer = new byte[] { msb, lsb }; // 发列车：[0x12, 0x34]
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15
// 反过来！如果单片机硬件发给你了高低位被拆散的两个 byte，你该如何组合还原成十进制数字？
16
// 在工业控制源码中经常能够看到这种经典的位操作连写： short value = (short)((highByte << 8) | lowByte);
17
// 这是处理底层协议时 C# 的标准开发手势，其执行效率极高。
18

19
// 假设我们截获的物理数据参数如下：
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byte highByte = 0x12; // 接收到的高位数据
21
byte lowByte = 0x34;  // 接收到的低位数据
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// 【高低位组合原理深度拆解】
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// 核心原理解析 1：利用左移运算符 (<< 8) 腾出低位
25
// byte 的最大限制为 255。当我们需要将其视作十进制的高位层级时，必须将 `highByte` 向左平移 8 个二进制位，为后续合并低位腾出空间！
26
// 例如 0x12 (即单纯二进制的 00010010) 左推八位后，变为了 0x1200 (即 00010010 00000000)。
27
// 请注意此时右方尾部：该数值后方的 8 个房间已经变为纯粹的 0 位了。
28

29
// 核心原理解析 2：利用按位或 (|) 执行安全的合并逻辑
30
// 注意此处建议使用 `|` 而非加法 `+`。将左移后的 0x1200 与 `lowByte` (此时低位自动补齐为 0x0034) 进行对齐按位或计算：
31
// 位运算物理法则为：“有 1 则为 1，双侧全 0 才是 0”。
32
// 移位后的高位：0x1200  (00010010 00000000)
33
//           | （执行按位或合并）
34
// 原始的低位：0x0034  (00000000 00110100)
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// ===========================================
36
// 合成结果输出：0x1234  (00010010 00110100) -> 这种位运算相对算术加法更加安全，能够有效避免在特定极值或处理负标量时出现进位截断异常的风险。
37

38
// 核心原理解析 3：为何最外层需要包含强制类型转换 `(short)` ？
39
// 在 C# 中存在着隐式类型提升的规则防御机制：对于低于 `int` 的基本整型（如 byte, short）执行位移(<<)或按位运算(|)交互时，编译器为了防止因跨越长度溢出产生的异常丢失，会自动在后台把它们临时提升为 32位的 `int` 进行运算。
40
// 所以上述括号内运算产出的结果 0x1234，从类型上看其实已经是 32 位 `int` 整型 (存储形态为 0x00001234)。
41
// 由于目标是要将其正确存放进只有 16位 长度空间的系统类型抽屉里，因此必须在外层显式调用 `(short)`，向编译器宣称截取有意义的最右侧 16 位片段。
42

43
short finalValue = (short)((highByte << 8) | lowByte); // 原始仪器的真实参数彻底还原为 16 位整型：数字 4660。这种写法既安全可靠，又完美避免了利用 `BitConverter` 创建过多中间数组引发的 GC 压力。

1
public static class CrcTool
2
{
3
    // 固化的 Modbus CRC16 标准静态查表映射区域 (节约算法运算耗时开销)：
4
    private static readonly byte[] aucCRCHi = {
5
        0x00, 0xC1, 0x81, 0x40, 0x01, 0xC0, 0x80, 0x41, //... (剩余248个字典映射常量，实际项目请直接引入完整的数组表)
6
    };
7
    private static readonly byte[] aucCRCLo = {
8
        0x00, 0xC0, 0xC1, 0x01, 0xC3, 0x03, 0x02, 0xC2, //...
9
    };
10

11
    /// <summary>
12
    /// 核心方法：为数据帧生成并追加双字节通信校验码
13
    /// </summary>
14
    public static byte[] AppendCrc16(byte[] frameWithoutCrc)
15
    {
16
        // 步骤1：初始化寄存器缓冲值（Modbus 约定为 0xFFFF）
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        byte crcHi = 0xFF;
18
        byte crcLo = 0xFF;
19

20
        // 步骤2：执行查表演变！遍历报文中每一位装载了配置的 byte 包裹数据：
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        foreach (byte currentByte in frameWithoutCrc)
22
        {
23
            // 通过当前字节 与 原已保存的状态低位进行异或排量交叉，推导向下一步要查找的表偏移索引位置
24
            int index = crcLo ^ currentByte;
25

26
            // 使用拿到的页面序号翻查提取字典中算好的静态长串位阶影响，瞬间刷新替代现在两部分的高低位数值结果。
27
            crcLo = (byte)(crcHi ^ aucCRCHi[index]);
28
            crcHi = aucCRCLo[index];
29
        }
30

31
        // 步骤3：最终查表结算完毕，按需在尾部扩展 2 个字节的空间容量以容纳被追加的校验签名：
32
        byte[] finalFrame = new byte[frameWithoutCrc.Length + 2];
33
        Array.Copy(frameWithoutCrc, finalFrame, frameWithoutCrc.Length);
34

35
        // 步骤4【务必注意的重点】：追加校验封锁码。此处遵守工业 LSB First 字节序处理。
36
        // [先发低位，再发高位] 反逻辑组装：
37
        finalFrame[finalFrame.Length - 2] = crcLo;
38
        finalFrame[finalFrame.Length - 1] = crcHi;
39

40
        return finalFrame;
41
    }
42
}

1
using System.IO.Ports;
2
// ... (在初始化阶段)
3

4
SerialPort mySerialPort = new SerialPort();
5
mySerialPort.PortName = "COM3";
6
mySerialPort.BaudRate = 9600;
7
mySerialPort.DataBits = 8;
8
mySerialPort.StopBits = StopBits.One;
9
mySerialPort.Parity = Parity.None;
10

11
// 必须执行抛出 Open！这行代码才是真正霸占电脑上的物理 COM 口。如果口被别的软件占了，这里就会抛错！
12
try
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{
14
    if (!mySerialPort.IsOpen)
15
    {
16
        mySerialPort.Open();
17
    }
18
}
19
catch (Exception ex)
20
{
21
    MessageBox.Show($"该串口可能被占用或不存在：{ex.Message}");
22
}

1
using System;
2
using System.Text;
3
using System.IO.Ports;
4
using System.Windows.Forms;
5

6
public partial class SerialToolForm : Form
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{
8
    private SerialPort _serialPort;
9

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    public SerialToolForm()
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    {
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        InitializeComponent();
13

14
        _serialPort = new SerialPort("COM1", 9600, Parity.None, 8, StopBits.One);
15

16
        // 关键挂载！告诉系统一旦导线上有数据涌入，立刻喊醒后面的 SerialPort_DataReceived 方法干活！
17
        _serialPort.DataReceived += new SerialDataReceivedEventHandler(SerialPort_DataReceived);
18
        _serialPort.Open();
19
    }
20

21
    // ================== 【主动发送指令 (写串口)】 ==================
22
    private void btnSend_Click(object sender, EventArgs e)
23
    {
24
        if (!_serialPort.IsOpen) return;
25

26
        string rawText = txtSendInput.Text.Trim(); // 取出用户写入在界面的文字
27

28
        // 场景 A: 作为单纯的英文字符串字母发送出去
29
        if (radioButtonSendASCII.Checked)
30
        {
31
            // 将字母按照 ASCII 转为底层的物理数字字节！例如 "A" 会变成 65
32
            byte[] bytesToSend = Encoding.ASCII.GetBytes(rawText);
33
            _serialPort.Write(bytesToSend, 0, bytesToSend.Length);
34

35
            // （注：SerialPort 也有极其简单的封装 _serialPort.Write(rawText)）
36
        }
37
        // 场景 B: 作为高阶工程上的 16进制(Hex) 发送出去！
38
        else if (radioButtonSendHex.Checked)
39
        {
40
            // 如果用户在界面输入了 "01 03 00 01"，去掉空格后是 "01030001"
41
            string hexStr = rawText.Replace(" ", "");
42
            // 调用工具方法，真正地切片并转为四个 byte: [0x01, 0x03, 0x00, 0x01]
43
            byte[] hexBytes = HexStringToByteArray(hexStr);
44
            _serialPort.Write(hexBytes, 0, hexBytes.Length);
45
        }
46
    }
47

48
    // ================== 【被动接收捕获 (读串口)】 ==================
49
    private void SerialPort_DataReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e)
50
    {
51
        // 1. 探测现在池子里攒了多少个字节了？（解决拼包的基础）
52
        int bytesToReadCount = _serialPort.BytesToRead;
53
        byte[] receiveBuffer = new byte[bytesToReadCount];
54

55
        // 2. 将它们抽干净装到我们自己申请的水桶 receiveBuffer 里
56
        _serialPort.Read(receiveBuffer, 0, bytesToReadCount);
57

58
        string displayResult = "";
59

60
        // 3. 翻译截获到的底气水桶流（转为人类观看模式）
61
        if (radioButtonDisplayASCII.Checked)
62
        {
63
            // 根据 ASCII 表强行把 65 变回字母 "A"
64
            displayResult = Encoding.ASCII.GetString(receiveBuffer);
65
        }
66
        else if (radioButtonDisplayHex.Checked)
67
        {
68
            // 把原生的例如数字 255 展示成文本 "FF"，并且每两个字母空一格
69
            displayResult = BitConverter.ToString(receiveBuffer).Replace("-", " ");
70
        }
71

72
        // 4. 重中之重：返回 UI 主干道，更新界面的大文本框，避免死机！
73
        this.Invoke(new Action(() =>
74
        {
75
            // 拼接打印收到的车厢包裹，并且换行
76
            txtOutput.AppendText($"[接收到]: {displayResult} \r\n");
77
        }));
78
    }
79

80
    // --- 附送必备军火库工具：[十六进制文字文本]转[真实的物理Byte数组] ---
81
    private byte[] HexStringToByteArray(string s)
82
    {
83
        s = s.Replace(" ", "");
84
        byte[] buffer = new byte[s.Length / 2];
85
        for (int i = 0; i < s.Length; i += 2)
86
        {
87
            // 每次挖切两个字符 (例如 "0", "1")，作为 16进制 转回对应的数字 1。
88
            buffer[i / 2] = Convert.ToByte(s.Substring(i, 2), 16);
89
        }
90
        return buffer;
91
    }
92

93
    // Form 销毁时，切记将这个霸占系统底层资源的对象杀掉
94
    protected override void OnFormClosing(FormClosingEventArgs e)
95
    {
96
        if (_serialPort != null && _serialPort.IsOpen)
97
        {
98
            _serialPort.Close();
99
            _serialPort.Dispose();
100
        }
101
        base.OnFormClosing(e);
102
    }
103
}

1
using Modbus.Device;
2
using System.IO.Ports;
3
using System;
4
using System.Threading.Tasks;
5

6
// ... 注意，阻塞型的调用方法必须脱离 UI 主线程（如搭配 Task.Run 裹入任务包装），以防阻塞导致 Windows “由于未响应导致闪退”假象 ...
7

8
// 1. 启动并配置宣告底层基础串行通信设施口信息：
9
SerialPort port = new SerialPort("COM1", 9600, Parity.None, 8, StopBits.One);
10
try
11
{
12
    port.Open(); // 强制侵占锁定串行物理硬件资源握手对象
13

14
    // 2. 利用 NModbus4 工厂模式静态构筑桥接通信引擎：
15
    IModbusSerialMaster master = ModbusSerialMaster.CreateRtu(port);
16

17
    // 3. 通信稳定防护界限伞构建：设置物理层通信容忍缓冲限度：
18
    master.Transport.ReadTimeout = 1000;  // 必须加，防死卡顿！
19
    master.Transport.WriteTimeout = 1000; // 同上必设。
20
    master.Transport.Retries = 3;         // 通信容错重压请求上限
21

22
    byte slaveId = 1; // 明确当前总线操作对象索引从地址。
23

24
    // === 下达物理功能操作指控信函 ===
25

26
    // 【情景 A】监控巡检器：拉取第 0 至 4 号（总共跨度为 5 个阵列长度）的线圈开合当前状况
27
    bool[] coilsInfo = master.ReadCoils(slaveId, 0, 5);
28
    Console.WriteLine($"0号节点控制门的状态截取信号为反馈值即刻为：{coilsInfo[0]}");
29

30
    // 【情景 B】获取测量仪数值：抽取位置索引记录为 100 基础起始基准上的单个保持寄存器的内部承装记录值数据
31
    ushort[] registers = master.ReadHoldingRegisters(slaveId, 100, 1);
32
    Console.WriteLine($"截获在序号 100 的索引寄存器内部所含定额数值为：{registers[0]}");
33

34
    // 【情景 C】遥感操控硬件阀门：暴力要求将内部物理结构排行列里的第 2 号物理线圈控制枢纽当即接通（置高动作触发合闸运转）
35
    master.WriteSingleCoil(slaveId, 2, true);
36

37
    // 【情景 D】运行时状态校准下达：强制把位于参数空间 50 号的配置预置参数直接改写成指令常数 8848 取代原封存在内的固化芯片老旧定额
38
    master.WriteSingleRegister(slaveId, 50, 8848);
39

40
}
41
catch (TimeoutException tEx)
42
{
43
    // 如果 ReadTimeout 生效捕获了未曾响应的断点危机，其往往可以指示对方节点处于拔电，物理线体中断或者是单纯拨错了发送从设备ID导致的下位机协议未理会！
44
    Console.WriteLine($"传输超时触发安全下挂切断（请优先系统排查排查连接性质量是否过关）：{tEx.Message}");
45
}
46
catch (Exception ex)
47
{
48
    // 这个位置往往抛出的是严重的硬件物理访问性灾难事件
49
    Console.WriteLine($"底层总线条遭遇极其严峻的崩溃错误级：{ex.Message}");
50
}
51
finally
52
{
53
    // 收尾的硬法则原则：当一个完整通讯执行交互流程落幕或因为任何突发导致错误结束释放，务必第一时间对导线的排他使用特权进行切断废除。
54
    if (port.IsOpen)
55
    {
56
        port.Close();
57
        port.Dispose();
58
    }
59
}

1
using System;
2
using System.Net;
3
using System.Net.Sockets;
4
using System.Text;
5
using System.Threading.Tasks;
6

7
public class PureServer
8
{
9
    public async Task StartAsync()
10
    {
11
        // 1. 初始化 Socket，绑定通信凭证（网络协议族，字节流模式，TCP协议）
12
        Socket listener = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
13
        listener.Bind(new IPEndPoint(IPAddress.Any, 9000));
14
        listener.Listen(100); // 挂起连接队列（等待握手的最大缓冲量为 100）
15
        Console.WriteLine("服务端主干网已启动，持续异步监听在 9000 端口...");
16

17
        while (true)
18
        {
19
            // 2. 异步死等接客（使用 await 释放了当前线程资源池，极大地减轻 CPU 轮询负担，不会卡死主线程）
20
            Socket client = await listener.AcceptAsync();
21
            Console.WriteLine($"感知到新节点接入，硬件 IP 终点: {client.RemoteEndPoint}");
22

23
            // 3. 客户连入后，立刻派发一个专属后台独立监控任务展开一对一数据交互。
24
            // 迎宾员主循环瞬间完成交接，重回进入下一个 AcceptAsync 开始等待下一位客户防客。
25
            _ = Task.Run(() => HandleClientAsync(client));
26
        }
27
    }
28

29
    private async Task HandleClientAsync(Socket client)
30
    {
31
        var buffer = new byte[4096];
32
        try
33
        {
34
            while (true)
35
            {
36
                // 4. 异步接水（如果没数据来，这个 Task 会被挂起，把 CPU 让给别人，极度节省性能）
37
                // 现代 C# 的 Socket 异步推荐使用 ArraySegment 划定内存交互视窗
38
                int received = await client.ReceiveAsync(new ArraySegment<byte>(buffer), SocketFlags.None);
39

40
                // 5. 判断合规断开边界（收到属于 TCP 标准的零字节终止 FIN 塞子）
41
                if (received == 0)
42
                {
43
                    Console.WriteLine($"客户端已请求正常断开下线: {client.RemoteEndPoint}");
44
                    break;
45
                }
46

47
                // 6. 成功提取业务数据进行处理
48
                string msg = Encoding.UTF8.GetString(buffer, 0, received);
49
                Console.WriteLine($"收到客户端消息: {msg}");
50

51
                // 7. 发起反向数据答复通知
52
                byte[] sendData = Encoding.UTF8.GetBytes("服务器确认消息已收悉: " + msg);
53
                await client.SendAsync(new ArraySegment<byte>(sendData), SocketFlags.None);
54
            }
55
        }
56
        catch (SocketException ex)
57
        {
58
            Console.WriteLine($"客户探测产生异常掉线断裂: {ex.Message}");
59
        }
60
        finally
61
        {
62
            // 8. 优雅地善后：进行系统的生命周期物理防线释放与强制销毁关闭
63
            try { client.Shutdown(SocketShutdown.Both); } catch { }
64
            client.Close();
65
        }
66
    }
67
}

1
using System;
2
using System.Net;
3
using System.Net.Sockets;
4
using System.Text;
5
using System.Threading.Tasks;
6

7
public class PureClient
8
{
9
    public async Task ConnectAndCommunicateAsync()
10
    {
11
        Socket socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
12

13
        try
14
        {
15
            // 1. 发起非阻塞异步拨号，避免引发界面线程雪崩卡死
16
            await socket.ConnectAsync(IPAddress.Parse("127.0.0.1"), 9000);
17
            Console.WriteLine("TCP 拨号成功连通服务器主干！");
18

19
            // 2. 将来自远端下行数据的捕获抽离，甩入专门的独立异步循环侦听任务池中
20
            _ = Task.Run(() => ReceiveFromServerAsync(socket));
21

22
            // 3. 在当前节点内依旧保留主动抛送数据的轮询能力
23
            while (true)
24
            {
25
                string input = Console.ReadLine();
26
                if (input == "exit") break; // 用户输入 exit 指令申请退出
27

28
                byte[] data = Encoding.UTF8.GetBytes(input);
29
                await socket.SendAsync(new ArraySegment<byte>(data), SocketFlags.None);
30
            }
31
        }
32
        catch (Exception ex)
33
        {
34
            Console.WriteLine($"建联连接失败故障: {ex.Message}");
35
        }
36
        finally
37
        {
38
            // 4. 用户断开时，彻底清剿本地内存栈与通信端口资源
39
            try { socket.Shutdown(SocketShutdown.Both); } catch { }
40
            socket.Close();
41
            Console.WriteLine("物理级连接彻底注销。");
42
        }
43
    }
44

45
    private async Task ReceiveFromServerAsync(Socket socket)
46
    {
47
        var buffer = new byte[4096];
48
        try
49
        {
50
            while (true)
51
            {
52
                int received = await socket.ReceiveAsync(new ArraySegment<byte>(buffer), SocketFlags.None);
53
                if (received == 0) break; // 服务单主动向我方挥手掉线/关服结束
54

55
                // 【进阶写法】：使用现代 C# 的 Span 语法，直接切片，性能更高！
56
                Span<byte> realData = buffer.AsSpan(0, received);
57

58
                Console.WriteLine("\n[服务端回话回函] " + Encoding.UTF8.GetString(realData));
59
            }
60
        }
61
        catch { /* 网络级断绝引发的崩溃链通常忽略作吞没处理即可 */ }
62
    }
63
}

1
private TcpListener _server;
2
private CancellationTokenSource _cts;
3
private bool _isServerRunning = false;
4

5
// UI 层按钮点击事件（例如绑定在 btnToggleServer）
6
private async void btnToggleServer_Click(object sender, EventArgs e)
7
{
8
    // [规范 1] 状态干预：禁用按钮，防止用户在执行过程中重复点击
9
    btnToggleServer.Enabled = false;
10

11
    if (!_isServerRunning)
12
    {
13
        // ---------------- 【服务器启动流程】 ----------------
14
        try
15
        {
16
            _server = new TcpListener(IPAddress.Any, 502);
17
            // 启用端口复用：确保在服务程序异常退出后重新启动时，可以直接复用原端口
18
            _server.Server.SetSocketOption(SocketOptionLevel.Socket, SocketOptionName.ReuseAddress, true);
19

20
            _server.Start();
21
            _isServerRunning = true;
22
            _cts = new CancellationTokenSource(); // 实例化取消令牌对象
23

24
            btnToggleServer.Text = "关闭服务器";
25
            btnToggleServer.BackColor = Color.LightGreen;
26

27
            // [规范 2] 异步监听：使用 Task.Run 将循环接收连接的任务放置在后台线程，避免阻塞 UI
28
            _ = Task.Run(() => AcceptClientsLoopAsync(_cts.Token));
29
        }
30
        catch (Exception ex)
31
        {
32
            MessageBox.Show($"网络服务启动失败: {ex.Message}");
33
            _isServerRunning = false;
34
        }
35
    }
36
    else
37
    {
38
        // ---------------- 【服务器停止流程】 ----------------
39
        try
40
        {
41
            // 通过令牌发送取消信号，中止各类依赖 Token 的等待过程
42
            _cts?.Cancel();
43

44
            // 关闭底层监听器，触发仍在阻塞中的 Accept 方法引发异常
45
            _server?.Stop();
46
        }
47
        catch { /* 处理停止过程中可能产生的已知通信异常 */ }
48
        finally
49
        {
50
            _isServerRunning = false;
51

52
            btnToggleServer.Text = "启动服务器";
53
            btnToggleServer.BackColor = Color.LightGray;
54
        }
55
    }
56

57
    // 状态切换完成，恢复界面交互控制权
58
    btnToggleServer.Enabled = true;
59
}
60

61
private async Task AcceptClientsLoopAsync(CancellationToken token)
62
{
63
    // 通过判断令牌是否发出了取消请求来控制主干循环
64
    while (!token.IsCancellationRequested)
65
    {
66
        try
67
        {
68
            // 等待远程连接。当调用界面的 _server.Stop() 时，此处会立刻引发底层的异常反馈中断等待
69
            TcpClient client = await _server.AcceptTcpClientAsync();
70

71
            // 收到外部设备连入后，分配独立后台任务作数据交互处理
72
            _ = Task.Run(() => { /* 执行接收数据流与业务操作... */ });
73
        }
74
        catch (ObjectDisposedException) { break; } // _server.Stop() 时触发的正常被动关闭情况
75
        catch (SocketException) { break; }         // 底层连接释放导致的报错中断
76
    }
77
}