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Go语言鱼皮数据库连接池雪崩复盘:从sql.DB.MaxOpenConns到driver.Conn的3次上下文超时传递断裂点

第一章:Go语言鱼皮数据库连接池雪崩复盘:从sql.DB.MaxOpenConns到driver.Conn的3次上下文超时传递断裂点

某次线上服务突发50%连接耗尽、P99延迟飙升至8s,监控显示 sql.DB.Stats().OpenConnections 持续顶满 MaxOpenConns=20,但活跃查询仅3–5个。根本原因并非连接泄漏,而是上下文超时在三层调用链中被静默丢弃,导致连接长期阻塞在驱动层无法归还。

连接池配置与隐性陷阱

MaxOpenConns 仅限制连接数上限,不控制单连接生命周期。当应用层使用 context.WithTimeout(ctx, 100*time.Millisecond) 发起查询,但底层驱动(如 github.com/go-sql-driver/mysql)未正确传播该上下文时,连接将无视超时继续等待网络响应。

三次超时传递断裂点

  • 第一断点:sql.DB.QueryContext → driver.Conn.PrepareContext
    若驱动未实现 PrepareContextdatabase/sql 回退至无上下文的 Prepare,超时信息丢失;
  • 第二断点:stmt.ExecContext → driver.Stmt.ExecContext
    即使 stmt 层支持上下文,若驱动 ExecContext 内部未对 net.Conn.SetReadDeadline 做适配,TCP 层仍无超时;
  • 第三断点:driver.Conn.Close → 底层 net.Conn.Close
    当连接因超时被 sql.DB 强制关闭时,若驱动未在 Close() 中主动中断 pending I/O(如调用 net.Conn.SetWriteDeadline(past)),goroutine 将永久阻塞。

验证与修复步骤

// 检查驱动是否真正支持上下文(以 mysql 为例)
db, _ := sql.Open("mysql", "user:pass@tcp(127.0.0.1:3306)/test?timeout=1s&readTimeout=1s&writeTimeout=1s")
// ⚠️ 注意:此处 queryTimeout 参数仅影响驱动内部,不替代 context 超时
ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), 200*time.Millisecond)
defer cancel()
rows, err := db.QueryContext(ctx, "SELECT SLEEP(5)") // 应在200ms内返回error

errcontext.DeadlineExceeded,说明上下文穿透成功;若为 i/o timeout 或卡死,则存在断裂。强制升级驱动至 v1.7.1+ 并启用 interpolateParams=true 可修复多数断裂点。

断裂层级 检测方式 修复方案
PrepareContext reflect.ValueOf(driver).MethodByName("PrepareContext").IsValid() 替换为支持 Context 的驱动实现
ExecContext I/O deadline 抓包观察 TCP Retransmission 是否在超时后停止 ExecContext 中显式调用 conn.netConn.SetReadDeadline(time.Now().Add(timeout))
Close 中断 pending I/O pprof goroutine 分析是否存在 io.ReadFull 阻塞 Close() 中调用 conn.netConn.SetWriteDeadline(time.Now().Add(-1)) 触发 write error

第二章:连接池核心参数的语义陷阱与运行时行为解构

2.1 MaxOpenConns在高并发压测下的资源争用实证分析

在 500 QPS 持续压测下,PostgreSQL 连接池 MaxOpenConns=20 触发显著排队等待,平均连接获取延迟从 0.8ms 升至 42ms。

连接池关键配置示例

db, _ := sql.Open("pgx", dsn)
db.SetMaxOpenConns(20)     // 同时打开的最大连接数
db.SetMaxIdleConns(10)     // 空闲连接上限
db.SetConnMaxLifetime(30 * time.Minute)

MaxOpenConns=20 是硬性并发上限,超限请求将阻塞在 sql.Conn 获取阶段,不触发底层网络重试,仅受 context.WithTimeout 约束。

压测对比数据(持续 2 分钟)

MaxOpenConns P99 获取延迟 连接等待率 失败请求
10 186 ms 37% 12.4%
20 42 ms 8% 0.2%
50 1.2 ms 0% 0%

资源争用路径

graph TD
    A[HTTP Handler] --> B[db.AcquireConn]
    B --> C{Pool has idle conn?}
    C -- Yes --> D[Return conn]
    C -- No --> E{Active < MaxOpenConns?}
    E -- Yes --> F[Open new conn]
    E -- No --> G[Block in mutex queue]

核心矛盾在于:连接建立开销(TLS + auth)远高于复用空闲连接,而 MaxOpenConns 过低会强制大量 Goroutine 在锁队列中竞争。

2.2 MaxIdleConns与ConnMaxLifetime协同失效的火焰图追踪

MaxIdleConns 设置过高而 ConnMaxLifetime 过短时,连接池频繁驱逐“尚健康但超时”的空闲连接,触发高频重建,引发 CPU 火焰图中 net.(*netFD).connectdatabase/sql.(*DB).conn 占比异常飙升。

火焰图关键特征

  • 顶层热点集中于 runtime.mallocgccrypto/tls.(*Conn).Handshakenet/http.(*Transport).dialConn
  • 深层调用栈反复出现 (*Conn).close(*freeConn).finalizer

典型错误配置示例

db.SetMaxIdleConns(100)          // ❌ 过度保留空闲连接
db.SetConnMaxLifetime(30 * time.Second) // ⚠️ 生命周期远短于实际网络RTT波动

逻辑分析:ConnMaxLifetime 强制关闭空闲连接,但 MaxIdleConns=100 导致大量连接在到期前被轮询检查;每次检查触发 time.Since(conn.createdAt) > lifetime 判断,叠加锁竞争(db.mu),放大调度开销。参数 30s 在高延迟网络下易使连接未被复用即淘汰。

协同失效根因表

参数 作用域 失效表现
MaxIdleConns 空闲连接上限 推高定时扫描负载
ConnMaxLifetime 连接存活时长 触发非预期重连风暴
graph TD
    A[连接空闲] --> B{IdleTime > ConnMaxLifetime?}
    B -->|Yes| C[标记为过期]
    B -->|No| D[保留在idleList]
    C --> E[Close + 新建连接]
    E --> F[TLS握手+TCP重连]
    F --> G[火焰图中connect/handshake尖峰]

2.3 SetConnMaxIdleTime与SetConnMaxLifetime的时序竞态复现实验

竞态触发条件

SetConnMaxIdleTime(5s)SetConnMaxLifetime(10s) 同时启用,且连接池中存在空闲超时早于生命周期到期的连接时,可能引发连接被双重清理的竞态。

复现代码片段

db.SetConnMaxIdleTime(5 * time.Second)
db.SetConnMaxLifetime(10 * time.Second)
// 模拟高并发下连接复用与空闲检测重叠
go func() {
    for i := 0; i < 100; i++ {
        _, _ = db.Exec("SELECT 1") // 触发连接获取与空闲计时器更新
        time.Sleep(3 * time.Second)
    }
}()

逻辑分析:SetConnMaxIdleTime 控制连接在池中空闲最长时间(从归还池开始计时),而 SetConnMaxLifetime 控制连接自创建起最大存活时间(从 driver.Open 开始)。二者独立计时,无同步锁保护状态切换,导致同一连接可能被两个 goroutine 并发标记为“可关闭”。

关键参数对比

参数 计时起点 清理触发者 是否可重置
ConnMaxIdleTime 连接归还至池时 idleTimer goroutine ✅ 归还即重置
ConnMaxLifetime 连接创建时 lifetimeTimer goroutine ❌ 创建后不可重置

竞态流程示意

graph TD
    A[连接创建] --> B[ConnMaxLifetime=10s启动]
    A --> C[连接归还池]
    C --> D[ConnMaxIdleTime=5s启动]
    D --> E{5s后空闲检查}
    B --> F{10s后生命周期检查}
    E & F --> G[并发调用close()]

2.4 sql.DB健康检查机制缺失导致的“幽灵连接”堆积验证

复现幽灵连接场景

sql.DB未配置连接健康检查(如SetConnMaxLifetime或自定义driver.Connector),空闲连接可能在数据库侧被强制断开(如MySQL wait_timeout=60s),而Go客户端仍将其保留在连接池中:

db, _ := sql.Open("mysql", "user:pass@tcp(127.0.0.1:3306)/test")
db.SetMaxIdleConns(5)
db.SetMaxOpenConns(10)
// ❌ 缺失:db.SetConnMaxLifetime(50 * time.Second)

此配置下,连接池不会主动驱逐超时连接。若MySQL服务端在55秒后关闭空闲连接,后续db.Query()复用该连接将返回i/o timeoutinvalid connection错误,但连接对象未被标记为失效,持续占用池位。

连接状态验证表

检查维度 健康连接 幽灵连接(服务端已断)
conn.Ping() ✅ 成功 io: read/write timeout
conn.(*mysql.conn).isBad() false true(需反射访问)

连接池退化流程

graph TD
    A[应用调用db.Query] --> B{连接池取空闲连接}
    B -->|返回已断开连接| C[执行失败]
    C --> D[连接未被移除]
    D --> E[持续占用MaxIdleConns名额]

2.5 连接池状态机源码级调试:从connRequest到connectionFlow的生命周期断点注入

连接池状态机的核心在于对连接请求的原子性状态跃迁控制。以 HikariCP 4.0.3 为例,关键断点应设在 HikariPool#getConnection()connRequest 构造处与 ConnectionSetupCallbackonSuccess() 入口。

断点注入策略

  • PoolEntryCreator#createPoolEntry() 前插入 DEBUG 级日志输出 requestIdacquireNanoTime
  • FastPathPool#connectionFlow 方法首行设置条件断点:connection != null && !connection.isClosed()

关键状态流转代码片段

// HikariPool.java 行 412(简化示意)
final long startTime = currentTime();
final PoolEntry poolEntry = connectionBag.borrow(500L, MILLISECONDS); // 阻塞获取
if (poolEntry == null) {
    throw new SQLException("Connection timeout"); // 状态机在此分支触发 TIMEOUT → FAILED
}

该段逻辑中,borrow() 返回 null 即触发 STATE_REQUEST_TIMEOUT 状态跃迁;poolEntry 非空则进入 VALIDATING → ACQUIRED 流程,startTime 用于后续 leakDetectionThreshold 校验。

状态迁移对照表

当前状态 触发事件 下一状态 监控指标字段
IDLE getConnection() REQUESTING totalConnections
REQUESTING borrow() 成功 VALIDATING pendingAcquires
VALIDATING isValid() 为 true ACQUIRED activeConnections
graph TD
    A[connRequest created] --> B{borrow from bag?}
    B -->|yes| C[VALIDATING]
    B -->|timeout| D[FAILED]
    C -->|validation success| E[ACQUIRED]
    C -->|validation fail| F[DEAD]

第三章:context.Context在驱动层的三次超时断裂点定位

3.1 第一次断裂:sql.QueryContext中ctx未透传至driver.Conn.Prepare的gdb源码级验证

源码断点追踪路径

database/sql 包中,QueryContext 调用链为:
QueryContext → stmt.queryContext → stmt.ctx → driverConn.prepareLocked
但关键断裂点位于 driverConn.prepareLocked 内部——其调用 dc.ci.Prepare()未传入 ctx

gdb 验证关键帧

(gdb) b database/sql/ctxutil.go:42  # stmt.queryContext 入口
(gdb) b database/sql/convert.go:187   # prepareLocked 调用点
(gdb) p dc.ci                      # 查看 driver.Conn 接口实例
(gdb) step                           # 进入 Prepare 方法 —— 此处 ctx 已丢失

ctx 透传缺失对比表

调用环节 是否接收 context 参数签名示例
sql.Stmt.QueryContext func (s *Stmt) QueryContext(ctx, ...)
driver.Conn.Prepare func (c *conn) Prepare(query string) (driver.Stmt, error)

核心逻辑分析

prepareLocked 中仅将原始 SQL 字符串传入 dc.ci.Prepare(query),而 driver.Conn 接口定义未声明 context 参数,导致底层驱动(如 mysql、pq)无法感知超时或取消信号。此设计缺陷使 QueryContext 的语义在 Prepare 阶段即被截断。

3.2 第二次断裂:driver.Stmt.ExecContext超时被sql.Tx内部ctx覆盖的单元测试反证

现象复现:显式传入超时 ctx 却被静默截断

以下测试用例明确构造了 10ms 超时上下文,但实际执行却受 sql.Tx 内部 context.Background() 覆盖:

func TestExecContextTimeoutOverridden(t *testing.T) {
    ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), 10*time.Millisecond)
    defer cancel()

    tx, _ := db.BeginTx(ctx, nil)
    // tx.ctx 实际为 background(因 nil opts → &sql.TxOptions{} → ctx = background)
    stmt, _ := tx.Prepare("INSERT INTO users(name) VALUES(?)")

    // 此处传入的 ctx 被 driver.Stmt.ExecContext 忽略,实际使用 tx.ctx
    _, err := stmt.ExecContext(ctx, "alice") // ✅ 预期 timeout,❌ 实际阻塞至语句完成
}

逻辑分析sql.Tx.Prepare 返回的 *sql.StmtExecContext 中未透传外部 ctx,而是直接调用 tx.ctx.Value(driverCtxKey) —— 而该值在 BeginTx 未指定 &sql.TxOptions{Isolation: ..., ReadOnly: ..., Context: explicitCtx} 时恒为 context.Background()

关键路径验证表

组件 传入 ctx 实际生效 ctx 是否可覆盖
db.BeginTx(explicitCtx, nil) explicitCtx context.Background() nil opts 强制重置
tx.Prepare(...).ExecContext(explicitCtx, ...) explicitCtx tx.ctx(即 background) Stmt 无 ctx 透传机制

根本原因流程图

graph TD
    A[stmt.ExecContext(userCtx)] --> B{driver.Stmt 实现}
    B --> C[tx.ctx.Value(driverCtxKey)]
    C --> D[sql.Tx 初始化时 opts == nil]
    D --> E[tx.ctx = context.Background()]
    E --> F[用户 ctx 被完全忽略]

3.3 第三次断裂:database/sql.(*DB).connWithNoTx中cancelCtx被意外重置的汇编级观测

汇编断点定位

connWithNoTx 函数入口处下断点,观察 runtime.newTimer 调用前后的 ctx.cancelCtx 字段(偏移 0x18)值突变:

MOVQ 0x18(DI), AX   // 加载原 cancelCtx 指针
CALL runtime.newTimer
MOVQ 0x18(DI), BX   // 再次读取 —— BX ≠ AX!

该指令序列揭示:newTimer 触发了 (*timerCtx).Done 初始化,间接调用 context.WithCancel 的内部 reset 逻辑,覆盖了原有 cancelCtx 实例。

根本诱因链

  • (*DB).connWithNoTx 在无显式事务时仍构造带超时的 timerCtx
  • timerCtx 嵌套父 cancelCtx,但其 cancel 方法未保留原始 done channel
  • 多 goroutine 并发调用时,atomic.StorePointer(&c.done, ...) 被重复触发
字段 初始值(hex) 重置后(hex) 含义
c.done 0xc000123000 0xc000456000 channel 地址变更
c.err nil nil 未同步错误状态
// 模拟复现路径(精简)
func brokenPath() {
    ctx, _ := context.WithTimeout(context.Background(), 100*time.Millisecond)
    // 此处 ctx.cancelCtx 已被 timerCtx 包装并重置
}

上述代码中,ctx 表面仍是 *cancelCtx,实为 *timerCtx,其 cancel 方法会覆盖底层 cancelCtxdone 字段。

第四章:鱼皮架构下连接池雪崩的链路治理实践

4.1 基于pprof+trace的连接阻塞链路可视化重建(含goroutine dump聚类)

当HTTP服务出现偶发性长尾延迟,仅靠/debug/pprof/goroutine?debug=2原始dump难以定位根因。需融合运行时trace与goroutine状态进行跨维度关联分析。

数据同步机制

使用runtime/trace捕获网络读写事件,并在net/http handler入口/出口埋点:

// 启动trace采集(生产环境建议采样率1%)
go func() {
    f, _ := os.Create("trace.out")
    trace.Start(f)
    defer f.Close()
}()

该代码启用全局trace recorder,记录goroutine调度、网络系统调用、GC等事件,为后续链路重建提供时间轴锚点。

阻塞链路重建流程

graph TD
    A[pprof goroutine dump] --> B[按stack fingerprint聚类]
    C[trace.out] --> D[提取netpoll阻塞时段]
    B & D --> E[匹配goroutine ID + 时间窗口]
    E --> F[生成阻塞调用图]

聚类关键字段对比

字段 用途 示例值
stack_hash 快速归并相似阻塞栈 0xabc123
blocking_syscall 标识阻塞类型 epoll_wait
wait_duration_ms 实际挂起时长 2450

4.2 自研sql.DB Wrapper实现context超时保真透传的中间件设计与压测对比

传统 database/sql 默认忽略 context.Context 的 deadline,导致查询超时无法及时中断底层连接。我们封装了 DBWrapper,确保 context.WithTimeout 从调用层毫秒级透传至驱动层。

核心拦截逻辑

func (w *DBWrapper) QueryContext(ctx context.Context, query string, args ...any) (*sql.Rows, error) {
    // 关键:将ctx原样透传,不新建或截断
    return w.db.QueryContext(ctx, query, args...)
}

该实现避免 context.WithValue 二次包装,保留原始 Deadline()Done() 语义,使 MySQL 驱动可准确触发 net.Conn.SetReadDeadline

压测关键指标(QPS & 超时达标率)

场景 QPS 超时响应达标率
原生 sql.DB 1280 63%
DBWrapper 1265 99.8%

数据流保真机制

graph TD
    A[HTTP Handler] -->|ctx.WithTimeout(200ms)| B[DBWrapper.QueryContext]
    B --> C[sql.DB.QueryContext]
    C --> D[mysql.Driver.Exec]
    D --> E[net.Conn.SetReadDeadline]

4.3 driver.Conn层面的deadline双校验机制:net.Conn.SetDeadline + context.Deadline()联动加固

在高可靠性数据库驱动中,单一层级超时易被绕过。Go 的 driver.Conn 实现需同时尊重底层网络连接的硬性时限与上层业务上下文的语义时限。

双校验触发时机

  • net.Conn.SetDeadline() 控制 TCP 层 I/O 阻塞边界(系统级)
  • context.Deadline() 提供逻辑层截止时间(应用级),驱动需主动轮询

核心校验逻辑

func (c *conn) execContext(ctx context.Context, query string) (driver.Result, error) {
    // 同步设置底层 deadline(取 context 截止前 100ms,留出校验开销)
    if deadline, ok := ctx.Deadline(); ok {
        c.netConn.SetDeadline(deadline.Add(-100 * time.Millisecond))
    }
    // 执行前再次检查 context 是否已取消
    if err := ctx.Err(); err != nil {
        return nil, err
    }
    return c.rawExec(query)
}

此处 SetDeadline 设置的是绝对时间点(非 duration),且提前 100ms 触发,避免因调度延迟导致 context.Deadline() 已过但 net.Read() 仍阻塞。ctx.Err() 轮询确保 cancel 信号即时响应。

校验优先级对比

机制 触发主体 不可忽略性 典型延迟
net.Conn.SetDeadline 内核/Go runtime 强制中断系统调用 ~毫秒级
context.Deadline() Go scheduler 协程协作式退出 ~微秒级(但依赖主动轮询)
graph TD
    A[execContext 开始] --> B{ctx.Done?}
    B -->|是| C[立即返回 context.Canceled]
    B -->|否| D[SetDeadline<br>(提前100ms)]
    D --> E[执行SQL]
    E --> F{net.Read 阻塞?}
    F -->|超时| G[底层 ErrDeadline]
    F -->|未超时| H[检查 ctx.Err()]

4.4 鱼皮服务网格中连接池指标的Prometheus+Grafana黄金信号看板构建

鱼皮服务网格(Yupi Service Mesh)通过 Envoy Sidecar 暴露标准化连接池指标,如 envoy_cluster_upstream_cx_activeenvoy_cluster_upstream_cx_overflowenvoy_cluster_upstream_cx_close_notify,为黄金信号(Latency, Traffic, Errors, Saturation)提供底层支撑。

核心采集配置

在 Prometheus scrape_configs 中启用 Envoy /stats/prometheus 端点:

- job_name: 'yupi-envoy-pool'
  static_configs:
  - targets: ['10.244.1.5:19000']  # Sidecar admin port
  metrics_path: '/stats/prometheus'
  params:
    format: ['prometheus']

此配置直连 Envoy Admin 接口,拉取实时连接池状态;19000 为默认 admin 端口,需确保 Pod NetworkPolicy 允许访问;format=prometheus 触发原生指标导出,避免文本解析开销。

黄金信号映射表

黄金信号 对应指标 语义说明
Saturation rate(envoy_cluster_upstream_cx_overflow[5m]) 连接池拒绝请求数/秒,反映过载
Traffic sum(rate(envoy_cluster_upstream_cx_total[5m])) by (cluster) 每集群新建连接速率
Errors sum(rate(envoy_cluster_upstream_cx_connect_fail{envoy_cluster_name=~".+"}[5m])) by (cluster) 连接建立失败率

Grafana 关键查询示例

# 连接池饱和度热力图(按 cluster + locality)
100 * sum(rate(envoy_cluster_upstream_cx_overflow[5m])) by (cluster, locality)
/
sum(rate(envoy_cluster_upstream_cx_total[5m])) by (cluster, locality)

分子为溢出连接数,分母为总连接数,比值 >5% 即触发告警;by (cluster, locality) 支持多区域拓扑下精细化定位。

第五章:总结与展望

技术栈演进的实际影响

在某大型电商平台的微服务重构项目中,团队将原有单体架构迁移至基于 Kubernetes 的云原生体系后,CI/CD 流水线平均部署耗时从 22 分钟压缩至 3.7 分钟;服务故障平均恢复时间(MTTR)下降 68%。关键在于将 Istio 服务网格与自研灰度发布平台深度集成,实现了按用户标签、地域、设备类型等多维条件的动态流量切分。下表对比了迁移前后核心指标变化:

指标 迁移前(单体) 迁移后(K8s+Istio) 变化幅度
单次发布影响服务数 全站 ≤3 个微服务 ↓99.2%
配置变更生效延迟 8–15 分钟 ↓99.9%
日均人工介入发布次数 17 次 2.3 次(仅紧急回滚) ↓86.5%

生产环境可观测性落地细节

某金融级风控系统上线后,通过 OpenTelemetry Collector 统一采集 traces、metrics、logs,并将 span 数据实时写入 ClickHouse(非 Elasticsearch),支撑毫秒级链路异常定位。以下为实际告警规则片段,已部署于 Prometheus Alertmanager:

- alert: HighLatencyByEndpoint
  expr: histogram_quantile(0.99, sum(rate(http_request_duration_seconds_bucket[1h])) by (le, endpoint)) > 2.5
  for: 5m
  labels:
    severity: critical
  annotations:
    summary: "P99 latency > 2.5s on {{ $labels.endpoint }}"

该规则在真实压测中成功捕获到 /v3/risk/evaluate 接口因 Redis 连接池泄漏导致的阶梯式延迟上升,比传统日志 grep 提前 4.2 分钟发现。

边缘计算场景下的架构取舍

在智能物流分拣中心项目中,需在 200+ 本地网关节点上运行轻量推理服务。团队放弃通用 K3s 方案,改用 eBPF + containerd shimv2 构建无守护进程的容器运行时,镜像启动耗时从 1.8s 降至 312ms;同时通过 Cilium BPF 程序实现跨节点 service mesh 加密,带宽开销控制在 1.3% 以内(实测值)。该方案使单台边缘设备 CPU 占用率峰值稳定在 42%,满足工业 PLC 同机共存要求。

开源组件定制化改造案例

Apache Kafka 在某实时推荐系统中遭遇高吞吐下 ISR 收敛缓慢问题。团队基于 3.6.0 版本 fork 并修改 replicaManager.scala 中的 maybeShrinkIsr() 调度逻辑,引入滑动窗口统计副本滞后字节数标准差,当 σ > 512MB 时强制触发 ISR 收缩。上线后分区不可用时长由日均 18.4 分钟降至 0.7 分钟,且未引入额外 ZooKeeper 请求压力。

未来技术债管理路径

当前遗留系统中仍有 12 个 Java 8 应用未完成 GraalVM Native Image 迁移,主要卡点在于 JPA/Hibernate 的反射元数据动态注册。已验证 Spring AOT 编译器可覆盖 87% 场景,剩余部分正通过 Byte Buddy 在构建期注入 @RegisterForReflection 注解。下一阶段将结合 OpenJDK 21 的虚拟线程特性,对订单履约服务进行协程化改造,目标 QPS 提升 3.2 倍(基准测试已达成 3.14x)。

热爱算法,相信代码可以改变世界。

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