基于Android—x86的windows恢復(fù)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

陳一璋王丹陳渝

摘要：當(dāng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)遇到到用戶錯(cuò)誤操作、硬件故障、被黑客或病毒攻擊，造成數(shù)據(jù)丟失或系統(tǒng)損壞時(shí)，通過數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)可將用戶數(shù)據(jù)恢復(fù)正?；蛘呤瓜到y(tǒng)正常運(yùn)行，從而減小用戶損失。提出基于Android-x86的Windows恢復(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過雙系統(tǒng)啟動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恢復(fù)功能，從而有效與問題源進(jìn)行隔離，且在恢復(fù)過程中不需借助其它媒介。測(cè)試表明，該方法能夠有效恢復(fù)Windows系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：Andorid-x86；Windows；數(shù)據(jù)恢復(fù)；恢復(fù)系統(tǒng)；Wimlib

DOIDOI：10.11907/rjdk.161639

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2016）009006504

作者簡(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：陳一璋（1991-），男，北京人，北京工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)椴僮飨到y(tǒng)、計(jì)算機(jī)信息安全；王丹（1969-），女，遼寧沈陽人，博士，北京工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)椴僮飨到y(tǒng)、可信計(jì)算；陳渝（1972-），男，廣東湛江人，博士，清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系副教授，研究方向?yàn)椴僮飨到y(tǒng)、計(jì)算機(jī)信息安全。

0引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，信息安全問題越來越受到廣泛關(guān)注。據(jù)IDC統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量正以每年超過50%的速度增長(zhǎng)[12]。當(dāng)遇錯(cuò)誤操作、硬件故障、被黑客或病毒攻擊等情況時(shí)，面臨數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。

數(shù)據(jù)恢復(fù)在國(guó)外已經(jīng)30余年的實(shí)踐，僅北美地區(qū)擁有的數(shù)據(jù)修復(fù)公司便超過400家，其中包括Ontrack、CBL等知名公司。目前，中國(guó)數(shù)據(jù)恢復(fù)產(chǎn)業(yè)還處于發(fā)展階段。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)電腦用戶已經(jīng)超過2億，數(shù)據(jù)恢復(fù)市場(chǎng)潛力巨大。

針對(duì)Windows系統(tǒng)，目前已有一些數(shù)據(jù)恢復(fù)工具，如EasyRecover、Recover、Disk Recover、Wimlib等，其不足之處在于無法通過系統(tǒng)本身進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，需要借助光盤、USB等相關(guān)存儲(chǔ)工具。本文開發(fā)基于Android-x86平臺(tái)的Windows恢復(fù)系統(tǒng)，可恢復(fù)用戶備份的磁盤數(shù)據(jù)，將不能啟動(dòng)的操作系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)。相關(guān)恢復(fù)鏡像可以保存在andorid-x86系統(tǒng)中或者通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行下載，Android-x86系統(tǒng)作為一個(gè)輔助系統(tǒng)，方便用戶使用。

1國(guó)內(nèi)外相關(guān)工作

數(shù)據(jù)恢復(fù)可分為硬件恢復(fù)和軟件恢復(fù)兩大類[3]，如圖1所示。

硬件恢復(fù)分為以下3種方式：固件修復(fù)、盤片讀取以及硬件替代[4]。軟件恢復(fù)包括系統(tǒng)級(jí)恢復(fù)和文件級(jí)恢復(fù)。系統(tǒng)級(jí)恢復(fù)指系統(tǒng)無法正常啟動(dòng)時(shí)，通過軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)，從而使系統(tǒng)恢復(fù)正常，恢復(fù)數(shù)據(jù)。文件級(jí)恢復(fù)只是恢復(fù)某個(gè)損壞的文件。本文恢復(fù)系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)恢復(fù)軟件。

常見的數(shù)據(jù)或系統(tǒng)恢復(fù)軟件主要有：

（1）EasyRecovery[5]。EasyRecovery是由Ontrack公司研發(fā)的一款數(shù)據(jù)恢復(fù)工具，它通過模式識(shí)別的方式找回硬盤上不同位置的文件碎片，并進(jìn)行整合。在內(nèi)存中建立虛擬文件系統(tǒng)，列出所有文件目錄。即使硬盤分區(qū)以及相關(guān)維護(hù)信息非常少，也可以高效恢復(fù)。

（2）FinalData[6]。FinalData可以運(yùn)行在不同系統(tǒng)平臺(tái)上，如Windows、Linux。其可以對(duì)數(shù)據(jù)、MBR、引導(dǎo)扇區(qū)等進(jìn)行恢復(fù)，恢復(fù)完全刪除的數(shù)據(jù)文件以及目錄，還能對(duì)引導(dǎo)扇區(qū)中的內(nèi)容以及通過快速格式化刪除的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行恢復(fù)。

（3）WinHex[7]。WinHex是一款針對(duì)數(shù)據(jù)恢復(fù)的磁盤編輯器工具，可以修改Hex和ASCII碼，還能對(duì)磁盤磁區(qū)進(jìn)行編輯，對(duì)文件進(jìn)行分析對(duì)比，可以作為一個(gè)手工修復(fù)數(shù)據(jù)的工具，在ZDNet Software Library上獲得了五星的最高評(píng)價(jià)。

（4）DISM。DISM的全稱是Deployment Image Service and Management Tool，是一款在Windows7和Windows Server 2008R2引入的工具，能夠完成系統(tǒng)安裝。它的特點(diǎn)在于可對(duì)鏡像進(jìn)行加載和卸載，在鏡像中搜索已安裝的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

（5）ImageX。ImageX是一個(gè)命令行工具，通過它可以創(chuàng)建、修改以及使用Windows磁盤鏡像（WIM格式）[8]，它是一個(gè)免費(fèi)的Windows自動(dòng)安裝集合。從Windows Vista開始，可以用來完成Windows安裝，對(duì)磁盤分區(qū)進(jìn)行映像捕獲，并修改和使用磁盤映像，以快速部署Windows系統(tǒng)。它還支持一些新功能，如分離鏡像文件以及通過最新的LZX壓縮算法[9]完成WIM文件捕獲。

總體來講，上述這些工具都可以對(duì)數(shù)據(jù)或者系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)，但不足之處在于當(dāng)系統(tǒng)無法正常啟動(dòng)時(shí)不能使用，需借助光盤、USB等存儲(chǔ)工具。

雙系統(tǒng)目前逐漸被人們所接受，即在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上安裝不同的操作系統(tǒng)，當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)不能正常運(yùn)行時(shí)，可以啟動(dòng)另一個(gè)系統(tǒng)。本文開發(fā)一個(gè)基于Android-x86的Windows恢復(fù)系統(tǒng)。Android是一個(gè)開放源代碼的操作系統(tǒng)，而Android-x86是一個(gè)開源項(xiàng)目，在x86平臺(tái)上可以使用Android操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)基于安卓開源項(xiàng)目[10]（Android Open Source Project ），并且修改一些組件來允許Android運(yùn)行在x86的架構(gòu)上，比如kernel和HALs層。目前，Andorid-x86已成為一個(gè)較為穩(wěn)定的桌面操作系統(tǒng)。相關(guān)工具和技術(shù)如下：

（1）rEFInd。隨著基于EFI或UEFI的電腦用戶的增多，配置EFI boot loader的需求也越來越大，特別是在有多個(gè)操作系統(tǒng)的設(shè)備上，如何啟動(dòng)操作系統(tǒng)成為關(guān)鍵。EFI電腦的啟動(dòng)方式不同于傳統(tǒng)的BIOS啟動(dòng)，啟動(dòng)方式更加靈活，并且從理論上要比BIOS啟動(dòng)容易配置。不足之處在于目前針對(duì)EFI的文檔并不多，大多數(shù)文檔還是以BIOS為主，使得啟動(dòng)基于EFI的系統(tǒng)相對(duì)較復(fù)雜。

rEFInd[11]是一個(gè)針對(duì)EFI或者UEFI啟動(dòng)平臺(tái)的啟動(dòng)管理工具。當(dāng)計(jì)算機(jī)第一次啟動(dòng)時(shí)，為用戶呈現(xiàn)菜單選項(xiàng)選擇操作系統(tǒng)。然而，rEFInd不是一個(gè)boot loader，也不作為程序加載操作系統(tǒng)內(nèi)核，不影響它們的控制過程。目前，許多啟動(dòng)管理器同樣是boot loader，使用戶容易混淆。所有兼容EFI模式的操作系統(tǒng)都擁有自身的boot loader，所以rEFInd對(duì)用戶沒有太多限制。與傳統(tǒng)的Grub不同，rEFInd將自動(dòng)搜索磁盤上所有可啟動(dòng)的操作系統(tǒng)，而EFI的Grub程序只包含F(xiàn)edora和Ubuntu，所以rEFInd比Grub更加靈活。此外，rEFInd本身更加美觀，用戶可以通過修改配置文件以及添加文件來定制化啟動(dòng)界面，通過圖形化的方式選擇需要啟動(dòng)的操作系統(tǒng)，如Windows、ubuntu、Android-x86等。

（2）wimlib。Windows Imaging Format（WIM）是微軟開發(fā)的一種基于文件的磁盤鏡像格式，被用于Windows Vista及后續(xù)版本W(wǎng)indows操作系統(tǒng)。和其它磁盤鏡像文件格式一樣，WIM文件中包含一組文件和附屬的文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)。然而，與基于扇區(qū)格式不同（比如ISO或者VHD），在一個(gè)WIM文件中可以存儲(chǔ)多個(gè)映像，并且通過壓縮和單一實(shí)例的方法大大壓縮了映像文件大小，被廣泛使用在Windows系統(tǒng)上。

本文恢復(fù)系統(tǒng)使用wim文件作為恢復(fù)鏡像，并且采用wimlib[12]恢復(fù)工具完成恢復(fù)。wimlib是一個(gè)開源并且跨平臺(tái)的庫，通過它可以對(duì)WIM文件進(jìn)行創(chuàng)建、提取和修改。Wimlib采用XPRESS、LZX和LZMS壓縮算法來創(chuàng)建WIM文件。Wimlib還能用來處理ESD文件，ESD文件使用solid模式LZMS壓縮的WIM文件，通常比常規(guī)WIM文件更小。

wimlib為用戶提供以下幫助：①在Windows或者UNIX-like系統(tǒng)上操作wim文件，從而實(shí)現(xiàn)諸如備份及使用wim文件；②允許用戶在非Windows系統(tǒng)上對(duì)WIM文件進(jìn)行讀寫操作；③開發(fā)人員可在非Windows操作系統(tǒng)，比如Linux上完成Windows操作系統(tǒng)開發(fā)；④備份、安裝或者保存Windows操作系統(tǒng)。

恢復(fù)系統(tǒng)主要通過wimlib來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)磁盤分區(qū)的恢復(fù)，采用wimapply命令來實(shí)現(xiàn)。由于Andorid-x86的庫文件并不支持wimlib，本文采用靜態(tài)編譯方式，將所有庫的內(nèi)容以靜態(tài)庫的方式編譯到wimlib-imagex中。

本文基于Android-x86系統(tǒng)的Windows恢復(fù)系統(tǒng)可以恢復(fù)用戶備份的硬盤數(shù)據(jù)，恢復(fù)操作系統(tǒng)正常啟動(dòng)。相關(guān)恢復(fù)鏡像可以保存在Andorid-x86系統(tǒng)中或者通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行下載，Android-x86系統(tǒng)也可作為一個(gè)輔助系統(tǒng)，方便用戶使用。本系統(tǒng)創(chuàng)新之處如下：

（1）將Android-x86與Windows在UEFI下進(jìn)行雙系統(tǒng)啟動(dòng)。使Android-x86系統(tǒng)與Windows系統(tǒng)分離，相關(guān)錯(cuò)誤不會(huì)影響恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（2）針對(duì)Windows系統(tǒng)的恢復(fù)功能，可以在默認(rèn)恢復(fù)系統(tǒng)盤或者其它數(shù)據(jù)硬盤準(zhǔn)確恢復(fù)內(nèi)容，有多個(gè)恢復(fù)鏡像，供用戶選擇。

（3）提出了基于URL可配置的下載方案，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能?？梢詫?shí)現(xiàn)從OEM網(wǎng)站上獲得指定鏡像文件，實(shí)現(xiàn)鏡像的網(wǎng)絡(luò)獲取，方便用戶使用。

（4）提供基于鏡像文件的驗(yàn)證方案。通過驗(yàn)證SHA1碼對(duì)恢復(fù)文件的完整性和正確性進(jìn)行驗(yàn)證。

2Windows恢復(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合對(duì)Windows恢復(fù)系統(tǒng)的需求分析，本文系統(tǒng)主要考慮以下幾個(gè)要求：多系統(tǒng)啟動(dòng)模式、易操作性、安全性、完整性和可靠性。

2.1系統(tǒng)架構(gòu)

本文系統(tǒng)總體框架如圖2所示。通過啟動(dòng)管理器選擇Android-x86進(jìn)行啟動(dòng)，將該Android應(yīng)用運(yùn)行在Android-x86上。目的在于使恢復(fù)系統(tǒng)與Windows系統(tǒng)隔離，互不影響。在恢復(fù)系統(tǒng)中可以讀出掛載的Windows硬盤信息，用戶可明確選擇內(nèi)容。當(dāng)沒有可用的恢復(fù)鏡像時(shí)，可以通過網(wǎng)絡(luò)下載。當(dāng)系統(tǒng)擁有鏡像后進(jìn)行SHA1碼比對(duì)，從而保證鏡像正確與安全。最后由恢復(fù)系統(tǒng)進(jìn)行Windows系統(tǒng)硬盤恢復(fù)，提醒用戶重啟，完成系統(tǒng)恢復(fù)。

2.2恢復(fù)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.2.1驗(yàn)證模塊

驗(yàn)證模塊主要驗(yàn)證wim文件完整性、正確性。通過一個(gè)配置文件完成比對(duì)，配置文件由url下載地址、目標(biāo)wim恢復(fù)文件的位置、名稱以及SHA1驗(yàn)證碼組成。應(yīng)用初始啟動(dòng)后，檢查配置文件，若存在則繼續(xù)后續(xù)操作，若不存在則自動(dòng)生成指定內(nèi)容。SHA1碼校驗(yàn)亦稱安全哈希算法，主要用于校驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性。在SHA1算法中，通過補(bǔ)位、補(bǔ)長(zhǎng)度、常量、函數(shù)計(jì)算驗(yàn)證碼。主要步驟如下：

（1）開啟校驗(yàn)線程。

（2）從配置文件中獲取信息，將wim恢復(fù)文件名以及SHA1碼傳到驗(yàn)證線程中。

（3）計(jì)算SHA1碼并與配置文件中的SHA1進(jìn)行比較，將結(jié)果送至主線程，由handler進(jìn)行處理。

（4）校驗(yàn)正確，則繼續(xù)進(jìn)入恢復(fù)模塊。

（5）若檢驗(yàn)錯(cuò)誤，則重新下載。

（6）校驗(yàn)?zāi)K結(jié)束。

由于SHA1計(jì)算工作量大，可開啟新線程來完成驗(yàn)證功能，主要由SHA1函數(shù)完成恢復(fù)文件計(jì)算，驗(yàn)證完成后由handler處理結(jié)果，如成功則繼續(xù)用戶選擇，若失敗則重新下載。

2.2.2下載模塊

本模塊主要負(fù)責(zé)在沒有恢復(fù)鏡像的情況下，從配置的url中下載恢復(fù)鏡像，并顯示下載進(jìn)度。下載url保存在配置文件中，下載由兩個(gè)線程來完成，其中一個(gè)負(fù)責(zé)進(jìn)度條處理，另一個(gè)負(fù)責(zé)下載過程處理，下載步驟如下：

（1）主線程檢查是否成功連接網(wǎng)絡(luò)，若順利則繼續(xù)，否則提示網(wǎng)絡(luò)異常。

（2）啟動(dòng)更新UI線程。

（3）獲取配置文件中的url以及目標(biāo)文件名等信息。

（4）啟動(dòng)下載線程，完成目標(biāo)url連接。

（5）循環(huán)將緩存區(qū)所有內(nèi)容以每次1024字節(jié)寫到文件中，并更新UI線程中的進(jìn)度條。

（6）下載成功則繼續(xù)，若失敗則顯示下載超時(shí)并取消下載，刪除下載文件。

（7）下載結(jié)束，用戶選擇后續(xù)操作。

用戶點(diǎn)擊下載后，首先檢查網(wǎng)絡(luò)是否連接成功。本模塊分為兩個(gè)線程啟動(dòng)，首先啟動(dòng)更新UI線程，獲取配置文件信息，并且啟動(dòng)一個(gè)新的下載線程完成下載。更新UI線程主要負(fù)責(zé)UI進(jìn)度條更新以及將下載線程結(jié)果返回至UI線程。

2.2.3恢復(fù)模塊

本模塊主要通過恢復(fù)文件（WIM文件）對(duì)指定的磁盤分區(qū)進(jìn)行恢復(fù)，執(zhí)行磁盤分區(qū)、恢復(fù)鏡像?；謴?fù)模塊主要由以下3個(gè)部分組成：

（1）選擇恢復(fù)鏡像。驗(yàn)證完恢復(fù)文件的完整性后選擇恢復(fù)鏡像，本文通過wimlib中的info命令來完成相關(guān)操作，可以獲取恢復(fù)文件的全部鏡像信息，通過執(zhí)行命令行語句，得到輸出信息供用戶選擇。wimlib-imagex info命令主要用于顯示W(wǎng)IM文件的鏡像內(nèi)容，系統(tǒng)提取其中鏡像的個(gè)數(shù)、大小以及描述符等供用戶選擇。

（2）選擇恢復(fù)分區(qū)。由于不需要對(duì)恢復(fù)分區(qū)進(jìn)行掛載，只需要了解分區(qū)名、分區(qū)類型以及分區(qū)大小等信息，本文通過fidisk的Android-x86中現(xiàn)有命令來獲取信息。

Android-x86自帶fdisk命令，通過fdisk命令可以得到磁盤大小、設(shè)備號(hào)和盤符信息。在應(yīng)用中調(diào)用shell命令完成操作，返回信息供用戶進(jìn)行磁盤分區(qū)選擇。

用戶只可選Windows系統(tǒng)分區(qū)，防止用戶將重要分區(qū)進(jìn)行誤操作。

（3）完成恢復(fù)功能。選擇恢復(fù)分區(qū)及恢復(fù)鏡像后，提醒用戶格式化磁盤，使用mkntfs命令將需要恢復(fù)的分區(qū)快速格式化。

利用wimlib中的apply實(shí)現(xiàn)恢復(fù)功能，首先給程序root權(quán)限，使用靜態(tài)編譯的wimlib，根據(jù)用戶提供的設(shè)備號(hào)以及選擇的恢復(fù)鏡像實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恢復(fù)功能。

由于恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，且任務(wù)比較復(fù)雜，本文使用異步類實(shí)現(xiàn)恢復(fù)。AsyncTask是Android提供的輕量級(jí)異步類，對(duì)線程間通訊作包裝，后臺(tái)線程與UI線程可以進(jìn)行簡(jiǎn)易通訊。創(chuàng)建一個(gè)繼承AsyncTask的MyTask類完成恢復(fù)，可以實(shí)現(xiàn)異步操作，執(zhí)行過程不影響UI線程，通過接口及時(shí)獲取進(jìn)度，并將執(zhí)行結(jié)果返給UI主線程。與一般handler相比較，其簡(jiǎn)單快捷，過程可控，更加輕量，不阻塞主線程（UI線程）。AsnycTask作為封裝后的后臺(tái)任務(wù)方便Android開發(fā)。在AsnycTask使用過程中，通過表1方法進(jìn)行重寫和使用。

恢復(fù)模塊主要步驟如下：

step1：將WIM文件中的鏡像信息提供給用戶，包括鏡像描述文件、鏡像號(hào)等信息，供用戶選擇。

step2：用戶選擇指定鏡像恢復(fù)。

step3：得到磁盤設(shè)備分區(qū)信息，并提供給用戶，包括分區(qū)大小、描述符等信息。

step4：用戶選擇恢復(fù)分區(qū)，如選擇符合要求則繼續(xù)，如果出現(xiàn)異常則提示用戶。

step5：提示用戶格式化恢復(fù)磁盤分區(qū)，用戶確認(rèn)后將磁盤分區(qū)格式化。

step6：開始執(zhí)行恢復(fù)功能。

step7：恢復(fù)功能完成，提示用戶是否重啟。

使用wimlib-imagex apply實(shí)現(xiàn)恢復(fù)功能，通過繼承異步類完成核心恢復(fù)任務(wù)。

3系統(tǒng)測(cè)試

3.1測(cè)試環(huán)境

測(cè)試環(huán)境如表2所示。

3.2測(cè)試結(jié)果

通過在win7、win8、win10三個(gè)系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試，恢復(fù)測(cè)試結(jié)果如表3所示。

針對(duì)上述3個(gè)Windows系統(tǒng)，在目標(biāo)測(cè)試機(jī)上使用Windows恢復(fù)系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)。結(jié)果表明，Windows恢復(fù)系統(tǒng)能夠在此三個(gè)系統(tǒng)Windows系統(tǒng)上正常使用，并啟動(dòng)正常。運(yùn)行系統(tǒng)如圖3所示。

4結(jié)語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的Windows恢復(fù)系統(tǒng)與傳統(tǒng)恢復(fù)工

具的不同之處在于它是基于andorid-x86的Android應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)恢復(fù)功能，通過雙系統(tǒng)啟動(dòng)的方式完成系統(tǒng)恢復(fù)。其可與Windows系統(tǒng)隔離，因而Windows系統(tǒng)上的故障不影響恢復(fù)系統(tǒng)。同時(shí)，Android-x86系統(tǒng)可作為一個(gè)輔助操作系統(tǒng)，在占用較少資源的情況下完成恢復(fù)，不需要其它媒介便可以直接恢復(fù)，用戶使用較為方便。此外，恢復(fù)鏡像制作簡(jiǎn)單，可以在網(wǎng)上下載恢復(fù)鏡像，通過SHA1碼進(jìn)行分析，保證其完整性與可靠性。在Windows恢復(fù)系統(tǒng)中，目前主要針對(duì)整個(gè)磁盤分區(qū)進(jìn)行恢復(fù)，后續(xù)研究可以指定目錄文件進(jìn)行恢復(fù)，使得恢復(fù)系統(tǒng)的功能更加強(qiáng)大。

圖3開始恢復(fù)示意圖

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：陳福時(shí)）