关于oracle:从Oracle日志解析学习数据库内核原理

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前言

不论现阶段美国和中国相持到何种水平,不论桀傲不驯拉里. 埃里森如何不看好中国,Oracle 仍是数据库中的一枝独秀。然而,他山之石可以攻玉,多个国产数据库在关键技术攻关方面的整体程度也已达到国内先进。

国内越来越多的 Oracle 数据库开始下线,迁徙到开源或者国产数据上,o2k 反对实时增量的将 Oracle 数据库增量变动抽取进去,助力国产化数据库无缝接管 Oracle。

笔者作为数据库内核的负责人参加实现了 o2k 来解析 Oracle 日志,并于 2022 年 2 月 15 号把它凋谢进去给社区收费应用,期间经验了各种迷茫,取得了泛滥大佬的领导,最终总算是交出了一份还算不错的试卷。

作为一个 DBA 兼开发人员,在整个 o2k 的实现过程中,对于 Oracle 数据库的数据库实践和工程能力学习了很多,也进一步对数据库原理有了进一步理解。

借助 Oracle 的设计理念和实现,咱们也看看是否能对新一代的数据库从业者有肯定的帮忙和借鉴作用。

国内软件因为美国的打压,数据库作为根底软件赢来了一个难得的蓬勃发展期。

曾几何时,数据库从业人员只是公司 IT 团队 -> 运维团队里的一个小小部门,而今一个能领导开发正确应用数据库,抉择数据库来适配业务来适应业务的数据架构师供不应求。

如果能把握着数据库原理,甚至能被动革新数据库适配相干利用场景的人才年薪至多百万。

作为计算机皇冠上的其中一粒明珠,数据库上承业务在线离线之责,下接硬件内核之妙,看到越来越多的人才退出数据库及数据库内核队伍,不胜快慰!

本系列文章中咱们将由浅入深以 Oracle 日志解析遇到的重重阻塞为例,来介绍在数据库中常见,而又要害的概念,理解数据库设计思路及工程实现中须要留神的事项。

本文以浅为主,咱们先简略介绍一下数据库的背景和 Oracle 日志解析的基础知识

前置常识理解

数据库日志

  • 相似于银行账户零碎一样,张三存入 100 块钱会 ’ 先 ’ 被记录为 ’ 张三减少 100’ 的流水账,而后再把张三的账户从 1000 块批改为 1100 块。
  • 数据库为了保障原子性和长久化,也会 ’ 先 ’ 在 redo 日志中记录一笔或者多笔 redo record,而后再批改数据库理论的行记录
  • 留神,这里的“批改账户 / 批改行记录”都是在“写流水账 / 写日志”之后实现的。也就是说 redo 先于“数据写入”,这也就是驰名的数据库 write-ahead logging (WAL)。
  • Oracle 写数据库日志采纳的是物理日志形式,记录的是外部数据块的变动;MySQL 在 Server 层的 binlog 是逻辑日志,记录的是逻辑行数据的变动。所以对 Oracle 的日志解析不仅须要了解日志自身 filespace、redo record,change vector 的变动,还须要了解 Oracle 外部数据存储的格局。

怎么查看 Oracle 日志中记录的内容

Oracle 中有专门的命令,反对将指定的二进制 redo 日志解析为逻辑的文本文件,相似于 MySQL 提供的 mysqlbinlog 工具,不便用户查看和诊断数据库问题。

ALTER SYSTEM DUMP LOGFILE ‘/opt/oracle/oradata/master1/redo01.log’;

当然,这个解析进去的文本文件也并不是那么容易了解,下文中咱们会对要害信息进行解读。
另外,这个逻辑的文本文件也并不是把所有的二进制 redo 日志中的信息都解析并输入进去,例如 supplement log 这种,就没有输入

supplemental log

Oracle 默认只记录变动的信息,相似于 MySQL 中 binlog_row_image=minimal 的状况。

也就是说,你执行了 update t1 set c2=3 where id=2,它只会记录 c2=3 的后镜像数据和 c2=2 批改之前的前镜像数据。

对于主备物理块同步,这些信息曾经足够了,然而对于数据仓库或者大数据平台,不晓得到底更新的是 哪一行(id=2)的数据,是无奈放弃跟 Oracle 的数据统一的。

通过 alter database add supplemental log data (primary key) columns; 能够让 Oracle 在记录日志的时候顺便把 primary key 主键也记录下来,不便同步工具将变动对应到具体哪一行,这些额定减少的日志称为 supplemental log。

OGG,O2K 等同步工具都会要求源端 Oracle 开启 supplemental log。

日志组织模式

  • WAL 日志是逻辑的日志表现形式,一个 update 的事务更新了 5 行数据,会产生多个 redo record(begin,5 行记录的前镜像和后镜像,commit),而这些日志记录到日志文件中是以一个 block 一个 block(默认为 512 字节)写到文件中的
  • 逻辑上,数据库日志是由一个一个的 redo record 组成的;
  • 物理上,数据库日志文件中每个 block 都有 Header 和 Tail,逻辑的 redo record 记录到物理文件中对应关系如下:

redo 和 undo

日志记录内容

说了这么多实践的、务实的货色,咱们来点干货。

首先,咱们看看咱们做一个 update 一行数据到底会生成哪些日志信息,为了排除其余的烦扰,咱们在做 update 之前和之后都 switch logfile,保障咱们查问的 redo log 中只有 update 一个变更

在 Oracle 上执行的语句如下

## 这里新建一个表用于测试
create table test1 (id number primary key, name varchar2(15) not null, hiredate date default(sysdate) );
insert into test1 (id, name) values (1, 'o2k1');
insert into test1 (id, name, hiredate) values (2, 'o2k2', sysdate);
commit

## 为了排除其余的烦扰,咱们在做 update 之前和之后都 switch logfile,保障咱们查问的 redo log 中只有 update 一个变更
ALTER SYSTEM SWITCH LOGFILE;
update test1 set name='o2k3' where id=2;
commit;
ALTER SYSTEM SWITCH LOGFILE;

## 查问到底应该从那个归档日志中获取 update 的变更
select * from v$archived_log;

## 将二进制日志反解析进去
ALTER SYSTEM DUMP LOGFILE '+SSDDG1/chenmm/archivelog/2022_05_12/thread_2_seq_114.1017.1104513037';

## 查看日志被导入到哪个 trace 文件了
select value from v$diag_info where name='Default Trace File';    # 返回 ora_6130.trc

这里咱们失去两个文件:

  1. 二进制的 redo 日志文件 ”thread_2_seq_114.1017.1104513037″
  2. 依据这个二进制日志解析进去的文本文件 ora_6130.trc

相干的内容我都放到了文末的附录中了,大家能够自行查看。

redo 逻辑构造

咱们先从文本文件 ora_6130.trc 动手查看一下 redo 文件的逻辑模式。参考 redo 逻辑格局(见附录),能够看到

  • FILE HEADER:日志文件有日志文件的头,记录了 Db Id,Db Name 的数据库信息,也记录了文件大小、文件类型以及 Blksiz=512(也就是说,redo 物理块大小为 512 字节),比照 redo 物理格局(见附录)FILE HEADER 是放到第一个 512 字节的 BLOCK 中。这里的文件号对应的就是日志序号 Seq#
FILE HEADER:
File Number=3, Blksiz=512, File Type=2 LOG
  • REDO HEADER:另外这里还记录了这是 RAC 的哪个节点,是那个序号的 redo 日志,scn 的范畴,”Thread 0002, Seq# 0000000114, SCN 0x0000004f1aa1-0x0000004f1aa8″。比照 redo 物理格局 REDO HEADER 是放到第二个 512 字节的 BLOCK 中
 descrip:"Thread 0002, Seq# 0000000114, SCN 0x0000004f1aa1-0x0000004f1aa8"
 thread: 2 nab: 0x4 seq: 0x00000072 hws: 0x2 eot: 0 dis: 0
  • REDO Record:redo record 是 redo 逻辑日志的最重要的组成部分,数据库的更新都会记录到一个一个的 Redo Record 中,咱们执行的 update 和 commit 就被记录成了两个 Redo Record。一个长度为 0x0244,一个长度 0x00a4
REDO RECORD - Thread:2 RBA: 0x000072.00000002.0010 LEN: 0x0244 VLD: 0x05
...
REDO RECORD - Thread:2 RBA: 0x000072.00000003.0064 LEN: 0x00a4 VLD: 0x01

redo record

进一步合成 redo record,能够看到 redo record 又是由一个 redo header 和多个 change vector(‘CHANGE #?’)组成

  • Redo Header:记录了 Redo 的长度 LEN: 0x0244,redo record 的地址 RBA: 0x000072.00000002.0010,SCN:0x0000.004f1aa1 等信息
REDO RECORD - Thread:2 RBA: 0x000072.00000002.0010 LEN: 0x0244 VLD: 0x05
SCN: 0x0000.004f1aa1 SUBSCN:  1 05/12/2022 17:10:35
(LWN RBA: 0x000072.00000002.0010 LEN: 0002 NST: 0001 SCN: 0x0000.004f1aa1)
  • Change Vector:它是数据变动的原子结构,察看第一个 Redo Record,咱们能够看到 CHANGE #1 记录了事务开始;CHANGE #2 记录了 update 的 undo 前镜像;CHANGE #3 记录了 update 的 redo 后镜像;CHANGE #4 记录了 session 信息;而第二个 Redo Record 的 CHANGE #1 记录了事务提交的信息
CHANGE #1 TYP:0 CLS:17 AFN:3 DBA:0x00c00080 OBJ:4294967295 SCN:0x0000.004f1121 SEQ:1 OP:5.2 ENC:0 RBL:0
ktudh redo: slt: 0x0013 sqn: 0x00000648 flg: 0x0012 siz: 200 fbi: 0
            uba: 0x00c00e4c.0209.23    pxid:  0x0000.000.00000000

change vector

在进一步合成 change vector,它也是有 Change Vector 的 header 和可变数据组成,在 Lewis《oracle core》中被称为“惟一最重要的个性”。header 和可变数据的具体信息咱们在当前的文章中再具体介绍。

这里仅介绍几个最要害的信息:

  • opcode:OP:5.2 记录的是事务开始,OP:5.4 记录的是事务完结,OP:5.1 记录的是前镜像,OP:11.5 记录的是 update 的后镜像,有趣味的同学能够参考 lewis 记录的 opcode 具体列表。
  • xid:事务号,Oracle 事务管理起始于 undo 段,并依此为核心。这也是你看到为什么事务开始 5.2、事务完结 5.4 和 undo 记录 5.1 都是对 Layer 5 : Transaction Undo 的操作的起因。xid 记录的信息从某种程度上来说记录的就是在 undo 上占据了哪个 slot。阿里巴巴的 GalaxyEngine 应用的 lizard 事务优化跟 Oracle 的事务殊途同归
CHANGE #1 TYP:0 CLS:17 AFN:3 DBA:0x00c00080 OBJ:4294967295 SCN:0x0000.004f1121 SEQ:1 OP:5.2 ENC:0 RBL:0
CHANGE #2 TYP:0 CLS:18 AFN:3 DBA:0x00c00e4c OBJ:4294967295 SCN:0x0000.004f1120 SEQ:1 OP:5.1 ENC:0 RBL:0
  xid:  0x0001.013.00000648  
CHANGE #3 TYP:2 CLS:1 AFN:4 DBA:0x010000ad OBJ:98733 SCN:0x0000.004f1a8c SEQ:1 OP:11.5 ENC:0 RBL:0
CHANGE #1 TYP:0 CLS:17 AFN:3 DBA:0x00c00080 OBJ:4294967295 SCN:0x0000.004f1aa1 SEQ:1 OP:5.4 ENC:0 RBL:0

undo 和 redo

这里要专门说一下 undo 和 redo,因为 MVCC 多版本的设计:

  • 对所有数据的批改,都须要记录这个数据批改前的值,即在 undo 外面记录前镜像。对于咱们的 update 就是要记录 name=’o2k2′
  • 同时,对所有数据的批改又必须先以 Redo 的形式记录到 WAL 日志中,也呈现了在 redo 中记录 undo 信息的状况,即第一个 Redo Record 的 CHANGE #2 记录了 update 的 undo 前镜像。
  • 如果在数据库做复原前滚的时候,undo 跟表数据一样也须要复原

也就是说,张三存了 100 块钱,流水账外面记录的不是 ” 张三 +100″,而是“前镜像:张三 1000;后镜像:张三 1100”,批改一行数据,可能只是几个字节的变动,然而数据库为了保障数据恢复、读一致性多写了这么多日志,多做了这么多事件。而如果你深刻做数据库内核,你会发现这个是一个蠢才的设计。因为文章篇幅问题,这里不细讲。

表和行

进一步细看的话,你能够看到前镜像和后镜像外面具体改的数据,例如,前镜像数据如下:

ncol: 3 nnew: 1 size: 0
col  1: [4]  6f 32 6b 32

这里示意这个表有 3 列,批改了一个列,大小变动为 0,批改的是 col1,对应的四个字节为 6f 32 6b 32,也就是 o2k2 6f 32 6b 32 是 Oracle 的数据存储格局,跟 redo 的存储构造关系不大。

小结

从下面的逻辑日志能够看进去,Oracle 想要对表更新:

  • 首先要在程序中构建一个 Redo Record
  • 而后构建几个 Change Vector,包含事务开始、批改数据的前镜像、批改事务的后镜像等等
  • 将 Redo Record 和 Change Vector 序列化到 Redo Buffer(Oracle 有专门的 LGWR 来刷新 Redo Buffer 到日志文件中)
  • 最初才是将 Change Vector 利用到数据块下来,这里来说,利用的是表还是 undo,并没有太大区别

redo 物理构造

下面次要介绍的是 redo 的逻辑构造,是 Oracle 帮咱们解析进去的,个别的疑难问题排查到这一步应该够了,然而如果你要做日志解析或者想要进一步深刻排查,你可能会关注到底他在二进制层面是怎么落地的。

这个章节仅面向 1% 的读者,如果你对这块不感兴趣,能够间接跳过这个章节:)

参考附录 redo 物理格局,这里是将 redo 文件拷贝进去当前用 Hexdump 以十六进制格局输入的 Oracle redo 日志

redo file & block header

首先看第一个 block,是 file header 的 block 第一行,是 block header,每个 block 的结尾 16 个字节记录的都是这个 block 的 header。

比照上面的一般 block,能够看到 0x0022 是 logfile header, 0x0122 是 logfile block 第二行开始是 redo 文件头 file header,这里记录了几个比拟要害的信息:“00 02 00 00”示意 0x00 00 02 00 = 512 即这个 redo log 一个 block 到底有多大(在 oracle 11.2 当前 BLOCKSIZE 能够设置为 512,1024 或者 4096),“03 00 00 00”示意 0x00 00 00 03 = 3 示意一共有 3 个 block。

00000000  00 22 00 00 00 00 c0 ff  00 00 00 00 00 00 00 00  |."....��........|
00000010  65 58 00 00 00 02 00 00  03 00 00 00 7d 7c 7b 7a  |eX..........}|{z|

留神:因为咱们的 Oracle 是装置在 little endian 小端 x86 的 linux 服务器上的,所以“00 02 00 00”示意 0x00 00 02 00 = 512 须要倒过去一下,如果你的 Oracle 跑在 Big Endian 大端的 IBM AIX 上的时候,“00 02 00 00”示意 0x00 02 00 00 = 131072 就不必倒过去了

redo record & redo block

既然晓得了一个 block 的大小为 0x00000200,那第一个真正的 redo block 的起始地位开始的 block 就是 00000000+00000200=00000200,第二个就是 00000400,第三个就是 00000600

00000200  01 22 00 00 01 00 00 00  72 00 00 00 00 80 25 cd  |."......r.....%�|

00000400  01 22 00 00 02 00 00 00  72 00 00 00 10 80 66 66  |."......r.....ff|

00000600  01 22 00 00 03 00 00 00  72 00 00 00 64 80 1b 9a  |."......r...d...|

这里“01 00 00 00”,“02 00 00 00”和“03 00 00 00”就是 block 序号,示意这是第几个块;”72 00 00 00″=0x00000072=114 是日志序号,对应的就是 redo 日志空间中的 Seq# 号;而 ”00 80″, “10 80”, “64 80″ 对应的是该 block 中第一个 redo record 绝对 block 起始地址的偏移量。

00000400 起始的 redo block 的 redo record 是从“10 80”=0x8010-0x8000=0x10=16 即从 00000410″44 02 00 00…” 开始就是 redo record 的字节信息了。

00000400  01 22 00 00 02 00 00 00  72 00 00 00 10 80 66 66  |."......r.....ff|
00000410  44 02 00 00 05 6e 00 00  a1 1a 4f 00 01 00 00 23  |D....n..�.O....#|

00000600 起始的 redo block 的 redo record 是从“64 80”=0x8064-0x8000=0x64=100 即从 00000664″a4 00 00 00…” 开始就是 redo record 的字节信息了。

00000600  01 22 00 00 03 00 00 00  72 00 00 00 64 80 1b 9a  |."......r...d...|
00000610  01 00 03 01 00 00 00 00  00 1a 4f 00 01 00 70 72  |..........O...pr|
00000620  6f 32 6b 33 05 14 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |o2k3............|
00000630  00 00 00 00 00 00 00 00  00 06 00 00 12 00 04 00  |................|
00000640  00 00 02 00 04 00 04 00  00 00 00 00 03 00 4f f0  |..............O�|
00000650  2a 00 37 00 00 00 00 00  00 04 20 0b ff ff ff ff  |*.7....... .����|
00000660  53 59 53 00 a4 00 00 00  01 06 00 00 a2 1a 4f 00  |SYS.�.......�.O.|

咱们能够显著看到一个 redo record 是能够跨两个 block 的。也就是后面咱们介绍的逻辑的 redo record 是可能蕴含在一个物理 redo block 中的,也有可能跨多个物理 redo block。

log redo header

第一个 redo block 比拟非凡,”00 80″ 的起始 redo record 为 0。起始这个 redo block 中并没有 redo record。而是蕴含了这个 redo file 的所属实例信息,起止 SCN 等信息,甚至局部信息是以纯文原本记录的“Thread 0002, Seq# 0000000114, SCN 0x0000004f1aa1-0x0000004f1aa8”

总结

综上所述,本文简略的介绍了 Oracle redo 的物理和逻辑格局。

一条 update 语句理论执行时,在 Oracle 上经验的写 undo、记录 WAL,批改数据块的过程;介绍了 Oracle 在二进制 redo 日志中把逻辑的 redo record 对应记录到 redo block 中的。

文末一张图,简要总结一下他们的关系:

|附录

redo 逻辑格局 = redo 的 trace 文件

DUMP OF REDO FROM FILE '+SSDDG1/chenmm/archivelog/2022_05_12/thread_2_seq_114.1017.1104513037'
 Opcodes *.*
 RBAs: 0x000000.00000000.0000 thru 0xffffffff.ffffffff.ffff
 SCNs: scn: 0x0000.00000000 thru scn: 0xffff.ffffffff
 Times: creation thru eternity
 FILE HEADER:
    Compatibility Vsn = 186647552=0xb200400
    Db ID=2935349816=0xaef5e238, Db Name='CHENMM'
    Activation ID=2935307061=0xaef53b35
    Control Seq=18659=0x48e3, File size=102400=0x19000
    File Number=3, Blksiz=512, File Type=2 LOG
 descrip:"Thread 0002, Seq# 0000000114, SCN 0x0000004f1aa1-0x0000004f1aa8"
 thread: 2 nab: 0x4 seq: 0x00000072 hws: 0x2 eot: 0 dis: 0
 resetlogs count: 0x41a5ccfa scn: 0x0000.000e2006 (925702)
 prev resetlogs count: 0x3121c97a scn: 0x0000.00000001 (1)
 Low  scn: 0x0000.004f1aa1 (5184161) 05/12/2022 17:10:35
 Next scn: 0x0000.004f1aa8 (5184168) 05/12/2022 17:10:36
 Enabled scn: 0x0000.001f0753 (2033491) 04/07/2022 12:21:09
 Thread closed scn: 0x0000.004f1aa1 (5184161) 05/12/2022 17:10:35
 Disk cksum: 0xcd25 Calc cksum: 0xcd25
 Terminal recovery stop scn: 0x0000.00000000
 Terminal recovery  01/01/1988 00:00:00
 Most recent redo scn: 0x0000.00000000
 Largest LWN: 2 blocks
 End-of-redo stream : No
 Unprotected mode
 Miscellaneous flags: 0x800011
 Thread internal enable indicator: thr: 0, seq: 0 scn: 0x0000.00000000
 Zero blocks: 8
 Format ID is 2
 redo log key is 5732c0d413f33575933d9e64c4ff5c6
 redo log key flag is 5
 Enabled redo threads: 1 2 
 
REDO RECORD - Thread:2 RBA: 0x000072.00000002.0010 LEN: 0x0244 VLD: 0x05
SCN: 0x0000.004f1aa1 SUBSCN:  1 05/12/2022 17:10:35
(LWN RBA: 0x000072.00000002.0010 LEN: 0002 NST: 0001 SCN: 0x0000.004f1aa1)
CHANGE #1 TYP:0 CLS:17 AFN:3 DBA:0x00c00080 OBJ:4294967295 SCN:0x0000.004f1121 SEQ:1 OP:5.2 ENC:0 RBL:0
ktudh redo: slt: 0x0013 sqn: 0x00000648 flg: 0x0012 siz: 200 fbi: 0
            uba: 0x00c00e4c.0209.23    pxid:  0x0000.000.00000000
CHANGE #2 TYP:0 CLS:18 AFN:3 DBA:0x00c00e4c OBJ:4294967295 SCN:0x0000.004f1120 SEQ:1 OP:5.1 ENC:0 RBL:0
ktudb redo: siz: 200 spc: 2574 flg: 0x0012 seq: 0x0209 rec: 0x23
            xid:  0x0001.013.00000648  
ktubl redo: slt: 19 rci: 0 opc: 11.1 [objn: 98733 objd: 98733 tsn: 4]
Undo type:  Regular undo        Begin trans    Last buffer split:  No 
Temp Object:  No 
Tablespace Undo:  No 
             0x00000000  prev ctl uba: 0x00c00e4c.0209.20 
prev ctl max cmt scn:  0x0000.004ebaab  prev tx cmt scn:  0x0000.004ebaea 
txn start scn:  0xffff.ffffffff  logon user: 0  prev brb: 12586531  prev bcl: 0 BuExt idx: 0 flg2: 0
KDO undo record:
KTB Redo 
op: 0x04  ver: 0x01  
compat bit: 4 (post-11) padding: 1
op: L  itl: xid:  0x000a.013.00006307 uba: 0x00c0025b.072e.0b
                      flg: C---    lkc:  0     scn: 0x0000.004f1a39
KDO Op code: URP row dependencies Disabled
  xtype: XA flags: 0x00000000  bdba: 0x010000ad  hdba: 0x010000aa
itli: 2  ispac: 0  maxfr: 4858
tabn: 0 slot: 1(0x1) flag: 0x2c lock: 0 ckix: 0
ncol: 3 nnew: 1 size: 0
col  1: [4]  6f 32 6b 32
CHANGE #3 TYP:2 CLS:1 AFN:4 DBA:0x010000ad OBJ:98733 SCN:0x0000.004f1a8c SEQ:1 OP:11.5 ENC:0 RBL:0
KTB Redo 
op: 0x11  ver: 0x01  
compat bit: 4 (post-11) padding: 1
op: F  xid:  0x0001.013.00000648    uba: 0x00c00e4c.0209.23
Block cleanout record, scn:  0x0000.004f1aa1 ver: 0x01 opt: 0x02, entries follow...
  itli: 1  flg: 2  scn: 0x0000.004f1a8c
KDO Op code: URP row dependencies Disabled
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END OF REDO DUMP

redo 物理格局 = hexdump -C redo 文件

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00000800

参考文章和 blog

  • juliandyke 大神 blog 介绍 redo 日志的文章:http://www.juliandyke.com/Internals/Redo/Redo.php
  • Lewis 大神写的《Oracle Core: Essential Internals for DBAs and Developers (Expert’s Voice in Databases)》数据库内核人员都奉为经典的书:https://www.amazon.com/Oracle-Core-Essential-Internals-Developers-ebook/dp/B006C9EN1U\
  • lewis blog 中记录的 Oracle 的 opcode:https://jonathanlewis.wordpress.com/2017/07/25/redo-op-codes/\
  • 阿里开源的 GalaxyEngine 也应用了 lizard 事务:https://github.com/ApsaraDB/galaxyengine/wiki/1-GalaxyEngine-Overview\
  • WAL 日志后行机制:https://en.wikipedia.org/wiki/Write-ahead_logging
正文完
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