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PostgreSQL数据目录深度揭秘

阿里技术 2021-09-02
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一  概述


PostgreSQL是一个功能非常强大的、源代码开放的客户/服务器关系型数据库管理系统（RDBMS），PostgreSQL被业界誉为“先进的开源数据库”，支持NoSQL数据类型（JSON/XML/hstore），主要面向企业复杂查询SQL的OLTP业务场景，提供PostGIS地理信息引擎、阿里云自研多维多模时空信息引擎等。

本文着重介绍PostgreSQL的数据目录，其中保存着配置文件、数据文件、事务日志和WAL日志等重要文件，所有客户创建的数据文件和初始配置文件都可以在数据目录中找到，因此数据目录是重要的客户价值所在。

二  名词


1  OID


数据库对象是数据库存储或引用的数据结构体，数据库本身也是数据库对象，同时包括表、索引、视图、序列和函数等。Object ID是数据库对象的唯一标识符，保存在无符号四字节的整形变量中，所有数据库对象各自对应一个OID。PostgreSQL有两个视图各司其职，分别保存着不同类别的OID，其中pg_database保存数据库本身对象的OID，pg_class保存表、索引和序列等对象的OID。

2  Relation


关系代表非数据库本身的数据库对象，包括表、视图、索引和toast等，不包括数据库本身。

3  MVCC


Multi-Version-Concurrency-Control是一种并发控制机制，数据库引擎根据不同的事务隔离级别，通过查询事务快照和事务提交日志来完成元组的可见性检查。如果希望理解数据库机制原理，MVCC是必不可少的学习知识。

4  Page


数据库文件在Linux平台被划分为默认8K固定长度的page进行管理，通过启动参数BLCKSZ可以预设page的大小。如果page设低了，相同数据量的文件需要分裂成更多的page，IO次数和索引分裂次数都会增加，性能会降低较多；如果page设高了，page内部的数据检索效率会降低，性能一样会降低不少，一般来说8K和16K对于数据库系统来说是最优解。

三  数据目录


数据目录默认在/var/lib/pgsql/data下，支持使用环境变量$PG_DATA管理。下图所示是数据目录的一级结构，后续会重点介绍具有代表性的重要文件和目录，比如base、pg_xact等。


四  base


1  概述


base目录存储用户创建的数据库文件，及隶属于用户数据库的所有关系，比如表、索引等。

2  一级目录


目录结构分为两级，第一级结构如下图所示，一级目录名是用户数据库对象的OID，1代表的是postgres数据库，一级目录内的二级子文件都是隶属于该数据库对象的关系，包括表、索引、视图等。


3  二级文件


二级子文件如下图所示，存储着某个数据库内的所有关系，包括表、索引、视图等，这里以postgres数据库目录示例。二级子文件分为三大类，第一类是以关系OID命名的主数据文件，第二类是文件名以_fsm结尾的空闲空间映射文件，第三类是文件名以_vm结尾的可见性映射文件。


4  主数据文件


主数据文件存储隶属于对应数据库下的数据库关系文件，包括数据、索引等，客户最重要的业务数据便是存储在主数据文件中。

当关系文件大小低于RELSEG_SIZE × BLCKSZ时，数据库引擎创建名称为pg_class.relfilenode的单文件，反之会切分为名称如pg_class.relfilenode.segno的多个文件。单个关系文件内部被划分为默认8K固定大小的多个page并存储在磁盘上，8K可以在initdb时通过BLCKSZ参数修改配置。主数据文件写入时，会先将元组数据从行指针数组的底部开始堆叠，直到空间耗尽。

用户通过SQL查询到的单行数据记录对应单个元组（tuple），因为MVCC机制的原因，元组可能是无法查询到旧版本数据，也可能是活跃的新版本数据，旧版本数据会在未来的某个时刻被清理。当查询没有命中索引触发顺序扫描时，数据库引擎顺序扫描page的行指针读取到元组，反之如果命中B树索引，引擎会通过索引文件的元组，通过索引键的TID值读取到元组。

下图是主数据文件的层级结构。


下表格是上图所示page内部结构的元数据信息。


下表格是上图所示tuple内部结构的元数据信息。


5  FSM


FSM是空闲空间映射文件，记录着heap和index的每个page的空闲空间信息，有利于快速定位到有充足空闲空间的page以便存储tuple，如果没有定位到则需要扩展新page。除了Hash Index文件没有FSM文件，其他heap和index都需要FSM文件。

总体上，FSM采用3-4级多叉树的结构组织FSM page，单个FSM page内部采用完全二叉树的结构进行管理，高级别FSM page的叶子节点关联低级别的FSM page，低级别FSM Page的叶子节点存储着heap、index page的可用空间数目，而非叶子结点依次存储叶子节点的最大可用空间数目，每个节点占用1个字节。


6  VM


VM是可见性映射文件，记录着每个heap page的可见性信息，因此index page并没有vm文件。一方面它可以提高vacumn的执行效率，另一方面通过vm文件可以感知到page内的元组是否全部可见，如果全部可见的话，查询引擎查询索引元组直接获取到数据即可，不必再访问数据元组检查可见性，减少了回表次数，极大提升了查询的效率。

VM采用位图的结构存储可见性信息，每个heap page只在vm文件中存储2位，第一位代表元组是否全部可见，第二位代表元组是否全部被冻结。

    #define VISIBILITYMAP_ALL_VISIBLE  0x01
    #define VISIBILITYMAP_ALL_FROZEN  0x02

    五  global


    1  概述


    global目录存储pg_control及数据库集群维度的数据库及其关系，非客户维度的数据，例如pg_database、pg_class等。目录内的文件结构和base是一致的。

    global目录文件结构如下图所示。


    2  pg_control


    pg_control文件记录数据库集群控制信息，包括initdb初始化、WAL和checkpoint的信息。

    六  pg_wal


    1  概述


    pg_wal是WAL机制中的wal日志存储目录。PG10及之后的高版本改目录名为pg_wal，10之前目录名称是pg_xlog。

    2  WAL机制


    Write-Ahead-Logging：日志先行机制。数据变更优先写入日志文件，事务失败则变更记录被忽略，事务成功再选择合适时机写入数据文件，数据的刷盘速度慢于日志刷盘速度。当数据库系统崩溃后，引擎会从上一次成功的checkpoint点开始依次重放wal记录，如果LSN>pd_lsn则重放wal记录，反之跳过，确保数据记录恢复到崩溃前的状态。

    3  文件结构



    4  wal segment


    wal段文件存储着数据库行记录明细，每一条记录明细都是服务于数据库恢复操作的，确保前后数据一致。首先针对数据的任意一次修改操作均被记录在wal段文件中，包括insert、update和delete，其次系统的一些管理行为也会被记录在wal段文件中，例如事务提交和vacuum等行为。

    wal段文件命名形如00000001 00000001 00000092，文件名共24位，前8位是timeline，中间8位是logid，后8位是logseg，logseg的前6位始终是0，后2位是lsn的前2位。根据wal段文件名的最后2位，wal记录根据对应的LSN分别记录在不同的wal段文件中。


    5  .history


    .history文件内容包括原.history文件，当前时间线切换记录和切换原因，作用于数据库的时间点恢复行为。当数据库引擎从多个时间线的备份中恢复时，数据库从.history文件中找到从pg_control的start_timeline到指定的recovery_target_timeline间的所有wal段文件进行恢复。

    6  archive_status


    archive_status是wal段文件的备份目录，包括.ready和.done文件。超出wal_keep_segments数目限制的wal日志会在archive_status目录内被打标，归档操作完成后被进一步移除。


    7  .ready


    .ready是同名wal段文件在archive_status目录内的标记文件，代表该wal段文件可被归档。wal段文件在数据目录中的存储文件数量是有上限的，一般通过wal_keep_segments参数来约束，因此数据库引擎在wal段文件个数达到上限后会在archive_status目录内增加可移除的wal段文件的标记文件，文件名是原wal段文件名后增加.ready后缀，等待归档工具进行归档。

    8  .done


    .done是同名wal段文件在archive_status目录内的标记文件，代表该wal段文件已被归档，可以被清理。数据库引擎默认通过archive_command命令对.ready文件进行归档，归档成功与否取决于archive_command命令返回true还是false，当archive_command返回true时，代表与.ready文件同名的wal段文件已被归档，引擎再将该文件的扩展名重命名为.done，等待数据库引擎在下一次的checkpoint时进一步清理原wal段文件。

    七  pg_xact


    1  概述


    pg_xact是事务提交日志（Commit Log）的存储目录，事务提交日志默认256KB，文件名形如NNNN，系统初始化后从0000开始递增至FFFF。PG 10及之后的高版本改目录名为pg_xact，10之前目录名称是pg_clog。

    下图是pg_xact目录下的clog文件，027E前的文件因为事务已被冻结，所以被vacuum清理完毕。


    2  Commit Log


    事务提交日志存储数据库的单个事务运行状态。Commit Log由共享内存中一组8KB的page组成，每个page包含一列数组，每个数组元素包含XID和该事物的实时状态。当page不足时，创建新的page来存储新的事务。

    八  配置文件


    1  postgresql.conf


    postgresql.conf文件存储着配置文件的位置、资源限制、集群复制等参数数据，是数据库运行时最重要的配置文件。

    2  postgresql.auto.conf


    postgresql.auto.conf文件存储着数据库的全局配置参数，数据库引擎在启动时加载postgresql.auto.conf文件后，覆盖postgresql.conf文件中已有的配置，形成最终的数据库启动配置。

    3  pg_hba.conf


    pg_hba.conf文件负责客户端的连接和认证，起到防火墙的作用，格式是：TYPE DATABASE USER ADDRESS METHOD。

    九  总结


    本文从肉眼可见的数据目录及其子文件开始展开，由浅入深直到不可见的源码结构体维度，详细介绍了数据目录及其子文件的结构和作用。大家通过了解数据目录的文件体系结构，能够对PostgreSQL数据库全貌有个总体概览，无论是日常运维、内核研发，还是业务开发，这些都是必须掌握的基础知识。


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