1. WAL簡介
WAL（Write-Ahead Logging）是PostgreSQL的核心機制之一。其基本理念是：在修改數據庫數據頁之前，必須先將這次修改操作寫入到WAL日志中。
這確保了即使發生崩潰，數據庫也可以根據WAL日志進行恢復。
恢復的核心流程就是不斷**Replay（重做）**WAL記錄，把數據庫恢復到一致狀態。
2. 為什么需要冪等性？
故障恢復可能發生在任意時刻，且可能反復進行。為了確保數據一致性，必須保證：
- WAL重放（replay）是冪等的：即多次重做同樣的WAL記錄，最終結果與只做一次是一樣的。
- 防止重復執行邏輯修改，避免出現臟數據（如重復插入、更新錯誤等）。
沒有冪等性，PostgreSQL的可靠性和數據完整性就無從談起。
3. PostgreSQL 如何實現 WAL 的冪等性？
分情況討論：
3.1 物理日志（Full Page Write, FPW）
- 當首次修改某個page時，如果遇到檢查點之后第一次修改，或者出現了部分寫（partial write）風險時，PostgreSQL會將整個page的物理鏡像寫入WAL。
- 恢復時直接拷貝覆蓋，無需考慮page上的狀態。
- 因為是整頁覆蓋，所以天然是冪等的。重復應用多次，結果不會變。
注：FPW是恢復的"大殺器"，確保即使發生中間頁損壞，也能恢復。
3.2 邏輯日志（Insert/Update/Delete操作記錄）
- 日志并不是直接記錄"修改了page的哪一塊物理位置"，而是記錄在什么page上執行了什么邏輯操作。
- 例如：在某個page上插入一條tuple "X"，而不是"在page偏移offset=32的地方插入"。
- 如果簡單地無腦重做，恢復兩遍就會出現重復記錄。
為避免此問題，PostgreSQL每個page在物理結構中維護了一個字段：pd_lsn，即Page LSN。
- 當一個page被修改時，它的pd_lsn被更新為當前WAL record的LSN。
- 恢復時，每次要重放一個WAL record之前，PostgreSQL會先檢查：
只有當 WAL record 的 LSN > page 的 pd_lsn 時，才進行重做，否則跳過。
3.3 流程示意圖
恢復 -> 讀取WAL record -> 找到要修改的Page ->
比較 (WAL record LSN vs Page pd_lsn)
?? -> 如果 WAL LSN <= Page LSN, 說明已經做過，跳過
?? -> 如果 WAL LSN > Page LSN, 執行修改，更新Page LSN
這種機制可以保證：即使崩潰后在同一個地方反復重做日志，也不會對數據造成破壞。
4. 實驗驗證 PostgreSQL WAL 冪等性
下面用一個小實驗驗證pg的WAL冪等性：
4.1 實驗環境準備
initdb -D /tmp/pgwaltest
pg_ctl -D /tmp/pgwaltest -l logfile start
psql
4.2 創建表并插入數據
CREATE TABLE test_wal (id serial PRIMARY KEY, val text);
INSERT INTO test_wal(val) VALUES('first insert');
CHECKPOINT;? -- 強制生成檢查點，防止混入無關WAL
這時test_wal表中有一條數據，系統生成了新的檢查點。
4.3 查看Page LSN
PostgreSQL提供了擴展 pageinspect 來查看物理Page的信息。
安裝并使用：
CREATE EXTENSION pageinspect;
-- 找出表的物理文件
SELECT relfilenode FROM pg_class WHERE relname = 'test_wal';
-- 假設relfilenode是 16384
-- 查看page的LSN（第一頁）
SELECT * FROM page_header(get_raw_page('test_wal', 0));
會返回：
lsn? | checksum | flags | lower | upper | special | pagesize | version | prune_xid
------+----------+-------+-------+-------+---------+----------+---------+-----------
0/1500720 |??? ...?? |?????? |?? ... |?? ... |??? ...?? |??? 8192? |??? 4??? |??? ...
記錄下當前Page的LSN，比如是0/1500720。
4.4 模擬崩潰后重復恢復
手動重放WAL當然很復雜，但可以模擬：
- 手動修改page LSN，使其低于WAL日志的LSN；
- 重啟數據庫，觸發recovery。
不過這樣太麻煩，我們可以簡單理解為：
- 如果page LSN已經大于WAL record的LSN，那么即使WAL被Replay，也不會改動頁面。
4.5 直接實驗重復寫入一條相同數據：
-- 模擬意外重復插入
INSERT INTO test_wal(val) VALUES('first insert');
-- 應該報錯，因為違反唯一約束（id列），而不是"無腦"插兩遍
說明PostgreSQL在邏輯層也有冪等保護，比如：
- 主鍵/唯一約束
- page LSN校驗
- XID（事務ID）檢測
5. 注意事項和補充
- FPW（Full Page Writes）必須打開，否則遇到partial write會導致崩潰后無法恢復。
- 極端情況下，日志丟失（比如WAL損壞）仍然會導致恢復失敗，因此建議使用流復制+歸檔備份雙保險。
- WAL日志管理工具（如pg_waldump）可以輔助查看日志內容，幫助理解。
示例：
pg_waldump /tmp/pgwaltest/pg_wal/
可以看到諸如：
rmgr: Heap??????? len (rec/tot):? 54/ 54, tx: 490, lsn: 0/01500280, desc: INSERT off 2
顯示了一個Heap表上的insert動作及其LSN。
總結
- PostgreSQL WAL重放過程是嚴格冪等的。
- 物理日志天然冪等，邏輯日志依賴于Page LSN機制保證冪等。
- 實現細節涵蓋了page級別和事務級別的雙重校驗。
- 實驗驗證了冪等機制的有效性。
PostgreSQL通過這些設計，確保即使在最壞情況下崩潰恢復，也能保證數據一致性和正確性。
