还在MySQL?高手早转用PostgreSQL原始码剖析

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具体描述

PostgreSQL作为当今的开源关系型数据库,本书揭示  PostgreSQL查询引擎运行原理和实现技术细节,其中包括:基础资料结构;SQL词法语法分析及查询语法树;查询分析及查询重写;子连接及子查询处理;查询访问路径创建;查询计画生成,等等。以深入浅出的方式讨论每个主题并结合基础资料结构、图表、源码等对所讨论的主题进行详细分析,以使读者对PostgreSQL查询引擎的运行机制及实现细节能有全面且深入的认识。

  PostgreSQL为优秀的开放原始码关联式资料库管理系统,但无论中文或是英文资料,对PostgreSQL查询引擎的介绍非常缺乏,不是限于整体架构性的介绍,就是粗浅的概述性描述。对PostgreSQL查询引擎中较多的实现及其相对应的理论基础并无较为深入的说明,这使得很多相关核心开发人员初次阅读查询引擎原始程式时存在许多的学习困难和疑点。

  本书的写作初衷正是为了加快资料库开发人员对PostgreSQL查询引擎的学习过程以及减少相关人员在原始程式学习中的迷惑,同时也为那些想一窥查询引擎究竟的DBA们提供一个相互学习的机会和通道,无论你是MySQL DBA或是Oracle DBA。
 
好的,这是一本关于数据库技术的书籍简介,内容与《还在MySQL?高手早转用PostgreSQL原始码剖析》无关: --- 书名:《深入理解分布式系统架构:从理论基石到实践落地》 引言:复杂性管理与系统演进的必然选择 在当今的数字洪流中,单个服务器已无法承载海量数据的处理需求与高并发的业务场景。分布式系统不再是可选项,而是构建现代、可扩展、高可靠性应用的基础设施。然而,将一个单体应用拆解并重构成一个协调工作的分布式集群,其复杂性是指数级增长的。本书旨在为资深工程师和系统架构师提供一张详尽的路线图,聚焦于如何系统地理解、设计、构建和维护复杂的分布式系统。我们不满足于停留在表层的框架使用,而是深入到分布式理论的核心,探讨其背后的权衡取舍,并展示如何在实际工程中优雅地解决“不可能三角”的困境。 第一部分:分布式系统的理论基石与核心挑战 本部分聚焦于奠定坚实的理论基础,理解分布式系统的本质难题。 第一章:重访一致性与并发控制 我们首先回顾经典的CAP理论,并深入探讨其在实际应用中的微妙之处——例如,线性一致性(Linearizability)与顺序一致性(Sequential Consistency)的严格定义与性能代价。随后,我们将详细剖析Paxos算法的演变过程,从理论的复杂性到工程实践中的简化版本,如Raft协议。Raft的核心概念——领导者选举、日志复制与安全性证明,将被逐一拆解。特别地,我们将讨论如何处理“脑裂”情况下的日志冲突与状态恢复,以及多活(Multi-Primary)架构下实现强一致性的复杂性模型。 第二章:时间、顺序与全局状态的难题 在没有共享时钟的分布式环境中,如何定义事件发生的先后顺序是至关重要的。本章将详细介绍向量时钟(Vector Clocks)和Lamport时间戳的原理与局限性。接着,我们将引入因果一致性(Causal Consistency)模型,并展示如何利用因果关系来优化数据同步的效率,避免不必要的阻塞。此外,本章还将探讨分布式快照(Distributed Snapshot)的算法,如Chandy-Lamport算法,及其在故障恢复和系统调试中的关键作用。 第三章:分布式事务的困境与解决方案 分布式事务是架构师面临的经典难题。本章将从ACID特性在分布式环境下的瓦解开始,深入剖析两阶段提交(2PC)和三阶段提交(3PC)的缺陷(如阻塞问题)。核心内容将聚焦于基于Saga的补偿机制,阐述如何通过事件驱动或命令序列来管理长期运行的分布式事务,以及如何设计幂等的补偿操作来保证最终一致性。最后,我们将对比探讨Google Spanner的TrueTime机制,分析其在特定场景下实现外部一致性的工程可行性。 第二部分:大规模数据存储与复制策略 本部分聚焦于如何设计能够应对PB级数据和高写入负载的持久化存储层。 第四章:数据分片与一致性哈希 理解数据如何分布到成千上万的节点是扩展性的关键。本章将详细解析一致性哈希(Consistent Hashing)的原理,包括虚拟节点的引入如何平滑负载迁移和节点增减带来的影响。我们将对比分析基于范围分区(Range Partitioning)和基于列表分区(List Partitioning)的优缺点,并探讨如何设计智能的分片策略来应对热点问题(Hotspotting)。实战中,我们将以Cassandra和HBase的Router机制为例,分析它们如何高效地定位数据。 第五章:高可用性复制:主从、多主与Quorum机制 数据复制是实现高可用性的基石。本章将深入探讨不同复制模型下的性能和一致性权衡。我们将详述主从复制(Primary-Replica)中如何处理读写分离和故障转移(Failover)。随后,重点分析多主复制(Multi-Primary)架构的复杂性,包括冲突检测和解决机制(如CRDTs——冲突无关复制数据类型)。最后,我们将系统梳理Quorum机制(R, W, N)的设计哲学,并展示如何通过调整R、W、N参数来动态地在一致性与可用性之间进行权衡。 第六章:面向未来的NewSQL数据库原理 NewSQL数据库试图结合关系型数据库的强一致性和事务性与NoSQL的水平扩展能力。本章将剖析TiDB、CockroachDB等主流NewSQL系统的内部架构,着重分析它们如何利用分布式事务管理器(如TiKV中基于Raft的事务实现)来保证ACID特性。我们将探讨这些系统如何处理跨节点的查询优化和分布式Join操作,以及它们在云原生环境下的部署优势。 第三部分:分布式中间件与服务间通信 分布式系统不仅是数据存储,更依赖于高效、可靠的消息传递和协调服务。 第七章:消息队列的深度解析:从Kafka到Pulsar 消息队列是构建事件驱动架构的神经系统。本章将聚焦于Kafka的内部机制,包括其日志段的存储结构、分区分配策略、零拷贝(Zero-Copy)的实现原理,以及消费者组的Rebalance过程。随后,我们将引入Apache Pulsar,对比其“计算与存储分离”的架构优势,分析BookKeeper如何提供更强的持久性和更快的持久化写入。我们将探讨消息的顺序保证、Exactly-Once语义的实现路径(如Kafka Streams中的状态存储与事务)。 第八章:分布式协调服务:ZooKeeper与etcd 分布式协调服务是集群状态管理、领导者选举和配置同步的“定海神针”。本章将深入剖析ZooKeeper的ZAB协议(ZooKeeper Atomic Broadcast)和etcd的Raft协议在服务发现和元数据管理中的应用。我们将详细演示如何利用这些工具实现分布式锁、配置管理和集群成员状态的感知。同时,本章将讨论etcd如何通过其MVCC(多版本并发控制)模型,高效地支持历史版本查询和事务操作。 第九章:高性能RPC框架与可观测性 在微服务架构中,服务间通信的效率和可靠性至关重要。本章将对比分析REST/HTTP、gRPC(基于HTTP/2和Protocol Buffers)的性能差异。重点分析gRPC的流式通信(Stream)能力和多路复用特性。此外,我们还将讨论分布式系统的可观测性(Observability)挑战,包括分布式链路追踪(如OpenTracing/Jaeger)、集中式日志收集(ELK/Loki堆栈)和系统指标监控(Prometheus/Grafana)的架构设计,确保系统在故障发生时能够快速定位问题根源。 结语:迈向自适应与自我修复的未来 本书的终极目标是培养架构师的“系统思维”,使读者不仅能够使用成熟的框架,更能理解其设计哲学,从而在面对前所未有的业务挑战时,能够设计出具有前瞻性和韧性的分布式架构。随着Serverless和边缘计算的兴起,下一代分布式系统将更趋向于自动化运维和自我修复能力。掌握这些底层理论和工程实践,是构建面向未来的健壮系统的基石。

著者信息

图书目录

前言

第1章 PostgreSQL概述
1.1  概述
1.2  查询叙述最佳化
1.3  建立查询计画
1.4  小结

第2章 基底资料表资料结构
2.1  概述
2.2  资料结构
2.3  思考

第3章 查询分析
3.1  概述
3.2  问题描述
3.3  词法分析和语法分析(Lex&Yacc)
3.4  抽象查询语法树AST
3.5  查询分析
3.6  查询重新定义
3.7  小结
3.8  思考

第4章 查询逻辑最佳化
4.1  概述
4.2  前置处理
4.3  查询最佳化中的资料结构
4.4  查询最佳化分析

第5章 查询实体最佳化
5.1  概述
5.2  所有可行查询存取路径组成函数make_one_rel
5.3  小结
5.4  思考

第6章 查询计画的产生
6.1  查询计画的产生
6.2  产生查询计画—create_plan/create_plan_recurse
6.3  查询计画的阅读
6.4  小结
6.5  思考

第7章 其他函数与基础知识
7.1  AND/OR规范化
7.2  常数运算式的处理—eval_const_expressions
7.3  Relids的相关函数
7.4  List的相关函数
7.5  中继资料表Meta Table
7.6  查询引擎相关参数设定
 

图书序言

前言

  随着行动使用者的高速发展,「资料」已成为当今最宝贵的资源;谁掌握了资料,谁就掌握无尽的宝藏。而如何有效地管理这些巨量资料则成为首要问题。从电脑出现以来,人们便孜孜不倦地追求着高效管理资料的办法, IBM的System R,U. C. Berkeley PostgreSQL以及Oracle MySQLOracle的诞生,无一不表明人们对于高效、快速的资料管理的不懈追求。

  虽然Oracle、MySQL广泛应用于国内外各大网际网路公司的基础架构中,但作为另一款优秀的开放原始码关联式资料库,PostgreSQL同样也获得各大网际网路公司的持续关注;另外随着大数据平台对SQL标准支援的日益丰富,SQL on Hadoop的各种解决方案如雨后春笋般涌现,例如Hadoop Hive、Facebook Presto、Cloudera Impala等,这些SQL on Hadoop解决方案无一例外地需要一个表现优异的SQL查询引擎的支援。

  作为资料库的大脑,查询引擎的优劣直接决定了资料库管理系统的好坏。不同的查询引擎对相同查询叙述的处理策略可能截然不同,而其导致的执行效率也差别很大,少则相差数倍,多则数百倍。因此,认真地分析设计优秀的查询引擎并学习其查询最佳化方法,可以使我们能够以「巨人肩膀之上」的方式来提升我们自己资料库产品的查询效率。

  PostgreSQL为优秀的开放原始码关联式资料库管理系统,其来自U.C Berkeley,带有浓郁的学术气息,资料库相关理论贯穿于整个PostgreSQL的设计和实现中,尤以查询引擎更甚。无论中文或是英文资料,对PostgreSQL查询引擎的介绍非常缺乏,仅有的相关资料不是限于整体架构性的介绍,就是粗浅的概述性描述。对PostgreSQL查询引擎中较多的实现及其相对应的理论基础并无较为深入的说明,这使得很多相关核心开发人员初次阅读查询引擎原始程式时存在许多的学习困难和疑点。举例来说,查询引擎在子连结处理时的理论依据;Lateral Join的处理方法;限制条件下推时需满足的条件;选择率对查询计画的影响等。而这也正是作者最初在阅读PostgreSQL查询引擎原始程式时所经历过的迷惑和不解。

  本书的写作初衷正是为了加快资料库开发人员对PostgreSQL查询引擎的学习过程以及减少相关人员在原始程式学习中的迷惑,同时本书也为那些想一窥查询引擎究竟的DBA们提供一个相互学习的机会和通道,无论你是MySQL DBA或是Oracle DBA。

  读者定位

  本书尝试以一种全新的角度列出对LPostgreSQL查询引擎的分析,笔者作为一名资料库核心开发人员,了解核心开发人员关注的重点是什么。因此,本书以一位核心开发人员和架构师的角度来探讨如何设计并完成一个资料库查询引擎;资料库查询引擎在设计和实现过程中需要考虑哪些问题,又透过什么样的途径和方法来解决这些问题。举例来说,如何以资料结构来表示一条SQL查询叙述?如何将SQL查询最佳化理论应用到查询引擎的实现中?相信读者在阅读本书后,能产生同样的思考。

  本书主要针对的读者:首先是资料库核心开发人员。无论你是MySQL开发人员还是PostgreSQL开发人员,亦或是Infomix开发人员。一个优秀的查询引擎总是值得你花费一定的时间和精力进行研究并学习其设计和实现中的精华。其次,资料库DBA们同样也值得花费一定的时间和精力来阅读和研究查询引擎原始程式,所谓知彼知己,百战百胜。只有更进一步地了解核心中的理论基础和实现机制,我们才可能管理好资料库。最后,对于那些对资料库核心实现有兴趣的相关人员,无论您是经验丰富的老手还是初出茅庐的新手,我想本书也能够为想要了解PostgreSQL查询引擎的实现内幕的您提供一丝帮助。同样,对于高年级的大学生或是低年级的所究所学生,相信本书也可作为您学习资料库理论的有益补充。

  当然,您在阅读本书之前还需要有一些必要的知识:对SQL标准有必要的认识和了解;了解资料库原理中的相关基本概念,例如查询计画、索引等;C/C++程式设计知识等。

  章节编排

  第1章以如何了解并执行查询叙述为例,综合性地描述PostgreSQL查询引擎包含的相关模组以及各个模组的功能。

  第2章从核心开发人员的角度出发重点介绍描述一条SQL查询叙述需要的相关资料结构。

  第3章主要讨论对一条SQL查询叙述的识别以及相关知识,并以此为基础重点讨论将该字串形式的SQL查询叙述转为查询树的过程。

  第4章将以第3章中所获得的查询树为基础,讨论如何对该查询树进行查询逻辑最佳化。举例来说,对SubLinks的最佳化处理,对SubQueries的处理,对运算式的最佳化,对限制条件的处理,对Lateral Join的的处理,等等。

  第5章以查询中有关的基底资料表的物理参数为基础,依据查询代价来计算查询叙述的最佳查询存取路径的方法,并对实体最佳化中使用的相关技术和理论基础进行详细的讨论和分析。举例来说,所有可行查询存取路径的求解策略,多表连接的处理策略,索引建立和选择的策略,实体代价相关参数的分析,等等。

  第6章以第5章中所获得的最佳查询存取路径为基础,重点讨论如何依据该查询存取路径建置执行引擎所需的查询计画。例如,顺序扫描查询计画的建置,连接关系查询计画建置等。

  第7章主要分析我们在原始程式阅读过程中遇到的一些重要辅助函数。

  错误说明

  由于笔者水准有限,在本书中会存在一定的错误,例如笔误、了解错误等,对于本书中出现的错误,读者可以在www.leehao.orgorg中查询该错误的勘误资讯,或发送邮件至hom.lee@hotmail.com与作者联系。笔者非常希望能够与读者共同进步,共同推动资料库核心开发人员对PostgreSQL查询引擎的认识。相比MySQL而言,PostgreSQL的相关资料非常少,而专门介绍PostgreSQL查询引擎之类的资料则更加少,这也是本书成书的原因。

  学习资料

  原始程式码作为最好的学习资料,应该永远值得我们认真对待和重视,本书所有分析均基于PostgreSQL9.4.1版本。读者可以在github.com/postgres中下载最新原始程式。当然,最新版本的原始程式可能与本书讨论中列出的原始程式有所不同,但这并不影响我们对主题问题的讨论。

  为了解最新特性或想参与PostgreSQL核心开发,读者可以订阅PostgreSQL邮寄清单,其中包含开发人员邮寄清单、当地语系化相关邮寄清单、相关Bugs邮寄清单等。

  ■ www.postgresql.org/list/pgsql-cluster-hackers/ 丛集相关核心开发人员邮寄清单;

  ■ www.postgresql.org/list/pgsql-committers/ 核心commiters 邮寄清单,为核心日常技术问题讨论,读者可从中了解核心commiters 的最新动态;

  ■ www.postgresql.org/list/pgsql-hackers/ 核心开发人员邮寄清单;

  ■ www.postgresql.org/list/pgsql-interfaces/ 相关介面讨论邮寄清单,例如odbc、jdbc 等;

  ■ www.postgresql.org/list/pgsql-docs/ 相关文件邮寄清单;

  ■ www.postgresql.org/list/pgsql-bugs/ 相关bugs 邮寄清单。

  相关邮寄清单并不限于上述几种, 实际内容还请读者参考www.postgresql.org/list/ 中列出的详细资讯。

  致谢

  本书在撰写过程中获得了许多朋友的关心和帮助。首先,感谢北大方正资讯产业集团基础软体中心(上海)的同伴们:王博、王鑫、蒋灿、彭川、罗正海、黄诚一、刘慧娟、何奇、刘钰,等等。正是他们的鼓励和帮助,我才有完成本书的勇气和动力。同时,还要感谢基础软体中心(上海)关健和陈敏敏两位主管。

  腾讯TDSQL 技术专家赵伟、Oracle MySQL 技术专家赖铮阅读了本书的书稿并列出了许多具有洞察力的建议和意见。两位专家作为我的好友,其毋庸置疑的技术能力和为人、做事一直是我前进路上的榜样。在此,对二位的鼓励表示真挚的感谢。

  由书稿到铅字出版,离不开本书的责任编辑博文视点陈晓勐编辑的辛勤工作。无论从本书主题、版式风格,到稿件的修改等诸多方面,在此表示衷心感谢。

  同样要对我成长路上的诸多师长和同学及友人表达最衷心的感谢,正是他们的谆谆教诲和陪伴,我才可以自由地追逐梦想。
 
李浩

图书试读

用户评价

评分

* **评价二:** 说实话,我一直对MySQL有着“技术崇拜”,觉得它就像是那个可靠的老朋友,永远都能满足我的基本需求。但最近,公司几个核心业务的数据量开始出现指数级增长,一些原本运行顺畅的查询在高峰期变得异常缓慢,甚至导致系统响应延迟。我们尝试了各种MySQL的优化技巧,从索引优化到慢查询分析,再到参数调优,效果都只能是杯水车薪。在这种焦虑之中,我看到了这本书的标题,这无异于一道曙光。我对PostgreSQL并不陌生,零星接触过一些,知道它在功能丰富性上要强于MySQL,比如对SQL标准的遵循程度更高,支持更复杂的SQL特性。但是,一直以来,由于MySQL的生态系统更为庞大,社区活跃度更高,以及很多现有项目都基于MySQL,迁移的成本和风险让我望而却步。这本书的“原始码剖析”部分,让我看到了突破口。我坚信,只有真正理解了PostgreSQL的内部运作原理,才能更好地驾驭它,才能在遇到性能瓶颈时,找到问题的根源,而不是仅仅停留在表面调优。这本书是否能够揭示PostgreSQL在处理高并发、大数据量、复杂事务时,其内部机制的优越之处?它是否能够提供一些在我当前的MySQL困境下,能够直接借鉴的优化思路,即使不能立刻迁移,也能对现有的MySQL系统进行更深层次的理解和改进?这些都是我非常期待在书中找到答案的问题。

评分

* **评价四:** 作为一名长期从事后端开发的工程师,数据库是我工作中不可或缺的一部分,而MySQL则是我最熟悉、最常用的关系型数据库。我曾经为MySQL的易用性和广泛的社区支持而骄傲,并且在很多项目中都成功地部署和维护了MySQL集群。然而,随着项目需求的多样化和复杂化,我开始接触到一些更专业的数据库场景,比如地理空间数据处理、全文检索,以及对高性能、高可用性有极致追求的金融交易系统。在这些场景下,我发现MySQL在某些方面显得力不从心,或者需要大量的第三方插件和复杂配置才能勉强实现,而PostgreSQL却似乎能够轻松应对。这本书的标题,尤其是“高手早转用PostgreSQL”的提法,让我产生了强烈的共鸣。我想了解,PostgreSQL到底在哪些方面能够提供比MySQL更优秀的解决方案?它是否有更先进的架构设计,能够更好地应对大数据时代的挑战?而“原始码剖析”更是吸引了我,我希望这本书不仅仅是讲解PostgreSQL的特性,更能让我理解这些特性背后的实现原理。我想知道,PostgreSQL的查询优化器是如何权衡各种执行计划的?它的索引结构是否比MySQL更灵活高效?它的事务管理和并发控制机制是否能提供更强的性能和数据一致性保证?这本书能否帮助我理解PostgreSQL的“内功心法”,从而在实际工作中做出更明智的技术选型和优化决策?

评分

* **评价三:** 我是一个追求技术深度的人,一直以来,我对MySQL的了解更多停留在应用层面,比如SQL语法、表结构设计、常用函数的调用。虽然在实际工作中游刃有余,但内心深处总有一种“知其然而不知其所以然”的遗憾。尤其是当听到一些关于PostgreSQL的“神迹”,比如它在ACID特性上的坚守,对各种复杂数据类型的支持,以及其强大的扩展性,我总是充满了好奇。这本书的标题“还在MySQL?高手早转用PostgreSQL原始码剖析”虽然带有一点“挑衅”的意味,但它恰恰点燃了我探索PostgreSQL的火焰。我渴望能够通过这本书,跳出MySQL的思维定势,去理解一个更加强大、更加健壮的数据库系统。而“原始码剖析”这四个字,对我来说简直是“量身定制”。我希望这本书能够带领我深入PostgreSQL的内核,去了解它的查询优化器是如何工作的,它的存储引擎是如何管理数据的,它的事务隔离机制是如何实现的,它的MVCC(多版本并发控制)是如何运作的。如果这本书能提供实际的源码片段,并且配以清晰的解释,那将是无价之宝。我想知道,PostgreSQL的底层设计,是否比MySQL更具优势?它的扩展性是如何实现的?它是否能支持一些MySQL难以企 McDonald 的高级特性?这些都是我非常期待在书中找到答案的。

评分

* **评价五:** 我对数据库技术的演进一直保持着高度的关注,从最初的单机数据库到分布式系统的出现,再到云原生数据库的兴起,每一次技术革新都带来了巨大的冲击和机遇。MySQL作为曾经的数据库巨头,其地位不容置疑,但随着技术的发展,新的需求和挑战不断涌现,促使我们不得不审视其局限性,并寻找更适合未来的解决方案。这本书的名字,用“还在MySQL?”这样一句略带反问的口吻,直接切中了当下很多开发者可能面临的迷茫和困惑。而“高手早转用PostgreSQL”的论断,则暗示了PostgreSQL在性能、功能和可扩展性上的巨大潜力,足以吸引那些追求技术前沿的开发者。最令我兴奋的是“原始码剖析”这一部分。我一直坚信,真正的技术实力来源于对底层原理的深刻理解。我希望通过这本书,能够不仅仅停留在PostgreSQL的使用层面,而是能够深入到其内部的设计和实现。我想了解PostgreSQL是如何管理内存的?它的后台进程是如何协同工作的?它的复制和高可用方案是如何在源码层面保证的?它是否提供了一套优雅的扩展机制,允许用户定制化开发?这本书是否能够帮助我构建一个更深入、更全面的PostgreSQL知识体系,从而在未来的技术选型和系统设计中,拥有更强的自信和竞争力?

评分

* **评价一:** 我一直在数据库领域摸爬滚打多年,从早期的MySQL 4.x一直用到现在的8.x,几乎见证了它所有的重要迭代。MySQL给我带来的效率提升和便利性是毋庸置疑的,尤其是在Web开发领域,它曾是当之无愧的首选。然而,随着项目复杂度逐年攀升,数据量爆炸式增长,以及对数据一致性、高级特性(如窗口函数、更强大的事务支持)的需求日益迫切,我开始感觉到MySQL的某些瓶颈。尤其是当需要进行复杂的数据分析、构建数据仓库,或者对数据库的底层实现有深入探究的需求时,MySQL的局限性就越发明显。最近,圈子里关于PostgreSQL的讨论愈发热烈,很多资深开发者和架构师都纷纷表示正在或已经迁移到PostgreSQL。这本书的名字——“还在MySQL?高手早转用PostgreSQL原始码剖析”,一下子就抓住了我的痛点,也激起了我强烈的好奇心。我非常想知道,PostgreSQL到底有什么样的魔力,让那些经验丰富的高手们纷纷“叛逃”?它在哪些方面能够提供MySQL无法比拟的优势?而“原始码剖析”这个副标题更是让我心动,我一直认为,理解一个技术工具的本质,最好的方式就是深入其源码。对于像我这样追求极致性能和稳定性的开发者来说,如果能理解PostgreSQL的内部工作机制,将能帮助我做出更明智的架构决策,优化查询性能,甚至解决一些别人难以解决的疑难杂症。这本书的出现,恰好提供了一个系统学习PostgreSQL,并且是从源码层面去理解它的绝佳机会。

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