Postgresql中的数据行tuple

pg中每一行除了自定义的字段外，还包含一个行头部，头部包含如下字段

• tableoid 表的OID，可以与pg_class的oid列进行连接来获得表的名称
• xmin 插入该行版本的事务身份（事务ID）
• xmax 删除事务的身份（事务ID）
• cmin 插入事务中的命令标识符（从0开始）
• cmax 删除事务中的命令标识符，或者为0
• infomask 提供一组定义版本属性的信息位。
• ctid 行版本在其表中的物理位置，由块号和相对位置的元组组成(block_id,row_num)。注意尽管ctid可以被用来非常快速地定位行版本，但是一个行的ctid会在被更新或者被VACUUM FULL移动时改变。因此，ctid不能作为一个长期行标识符。 应使用主键来标识逻辑行
• null bitmap 空值位图，标记行的空字段
  可以通过sql语句查询隐藏的字段

mydb=# select tableoid,xmin,xmax,cmin,xmax,ctid,* from t;
 tableoid | xmin | xmax | cmin | xmax | ctid  | id |   s   
----------+------+------+------+------+-------+----+-------
    24603 |  784 |    0 |    0 |    0 | (0,1) |  1 | alice

tuple的DML操作内部实现
创建一个示例表和pageinspect扩展，pageinspect可以分析页内部结构。

#创建表
CREATE TABLE t(
id integer GENERATED ALWAYS AS IDENTITY,
s text
);

#创建索引
CREATE INDEX ON t(s);

#创建扩展
mydb=# create extension pageinspect;

#创建获取行元数据的函数
CREATE FUNCTION heap_page(relname text, pageno integer)
RETURNS TABLE(ctid tid, state text, xmin text, xmax text)
AS $$
SELECT (pageno,lp)::text::tid AS ctid,
CASE lp_flags
    WHEN 0 THEN 'unused'
    WHEN 1 THEN 'normal'
    WHEN 2 THEN 'redirect to '||lp_off
    WHEN 3 THEN 'dead'
END AS state,
t_xmin || CASE
    WHEN (t_infomask & 256) > 0 THEN ' c'
    WHEN (t_infomask & 512) > 0 THEN ' a'
    ELSE ''
END AS xmin,
t_xmax || CASE
    WHEN (t_infomask & 1024) > 0 THEN ' c'
    WHEN (t_infomask & 2048) > 0 THEN ' a'
    ELSE ''
END AS xmax
FROM heap_page_items(get_raw_page(relname,pageno))
ORDER BY lp;
$$ LANGUAGE sql;

#创建获取索引元数据的函数
CREATE FUNCTION index_page(relname text, pageno integer)
RETURNS TABLE(itemoffset smallint, htid tid)
AS $$
SELECT itemoffset,
htid -- ctid before v.13
FROM bt_page_items(relname,pageno);
$$ LANGUAGE sql;

1. Insert操作

mydb=# begin;
BEGIN
mydb=*# INSERT INTO t(s) VALUES ('FOO');
INSERT 0 1
mydb=*# SELECT pg_current_xact_id();
 pg_current_xact_id 
--------------------
                774
(1 row)

mydb=*# SELECT '(0,'||lp||')' AS ctid,
         CASE lp_flags
         WHEN 0 THEN 'unused'
         WHEN 1 THEN 'normal'
         WHEN 2 THEN 'redirect to '||lp_off
         WHEN 3 THEN 'dead'
         END AS state,
         t_xmin as xmin,
         t_xmax as xmax,
         (t_infomask & 256) > 0 AS xmin_committed,
         (t_infomask & 512) > 0 AS xmin_aborted,
         (t_infomask & 1024) > 0 AS xmax_committed,
         (t_infomask & 2048) > 0 AS xmax_aborted
         FROM heap_page_items(get_raw_page('t',0)) ;
 ctid  | state  | xmin | xmax | xmin_committed | xmin_aborted | xmax_committed | xmax_aborted 
-------+--------+------+------+----------------+--------------+----------------+--------------
 (0,1) | normal |  774 |    0 | f              | f            | f              | t
(1 row)

#提交事务，查询一下行数据，再此查看行上的状态
# 此时xmin_committed变成true,代表此插入事务已提交
mydb=# SELECT '(0,'||lp||')' AS ctid,
            CASE lp_flags
            WHEN 0 THEN 'unused'
            WHEN 1 THEN 'normal'
            WHEN 2 THEN 'redirect to '||lp_off
            WHEN 3 THEN 'dead'
            END AS state,
            t_xmin as xmin,
            t_xmax as xmax,
            (t_infomask & 256) > 0 AS xmin_committed,
            (t_infomask & 512) > 0 AS xmin_aborted,
            (t_infomask & 1024) > 0 AS xmax_committed,
            (t_infomask & 2048) > 0 AS xmax_aborted
            FROM heap_page_items(get_raw_page('t',0)) ;
 ctid  | state  | xmin | xmax | xmin_committed | xmin_aborted | xmax_committed | xmax_aborted 
-------+--------+------+------+----------------+--------------+----------------+--------------
 (0,1) | normal |  788 |    0 | t              | f            | f              | t
(1 row)


# 1. 插入操作时添加一个指针号1到页中，1号指针指向页中的第一个记录。xmin字段设置为当前的事务ID，由于事务还没有提交，xmin_aborted和xmax_committed字段还没有设置。xmax字段为0，因为行还未删除。
# 2. 一旦事务成功完成，必须要记录事务的提交信息。pg使用提交日志clog保持事务提交信息。clog位于PGDATA/pg_xact目录。clog用2个位来标记每个事务：提交和回滚。事务提交后，clog的标志位被设置为commited。  
# 3. 当其他事务要访问此数据时，必须要判断xmin事务是否完成。通过查询clog中的事务标志位判断事务是否提交，如果未提交，此行数据将不可见，如果提交，会将提交信息写到tuple头中。  
# 4. 行上的事务提交信息是由其他读取的事务更新的，并非插入事务更新。  

2. Delete操作：

mydb=# BEGIN;
BEGIN
mydb=*# DELETE FROM t;
DELETE 1
mydb=*# SELECT * FROM heap_page('t',0);
 ctid  | state  | xmin  | xmax 
-------+--------+-------+------
 (0,1) | normal | 788 c | 791
(1 row)

mydb=*# commit;
COMMIT
mydb=# select * from t;
 id | s 
----+---
(0 rows)

mydb=# SELECT * FROM heap_page('t',0);
 ctid  | state  | xmin  | xmax  
-------+--------+-------+-------
 (0,1) | normal | 788 c | 791 c
(1 row)

# 1. 删除操作是在原行的xmax字段写入当前的事务id，由于事务还未提交，因此不知道xmax_commited的状态
# 2. 提交或回滚后在clog中将相应的事务标记为提交或回滚
# 3. 当有事务查询此行时，会更具clog中的事务状态将xmax_commited标记为提交或回滚

3. Update操作：
   update可以看成时delete和insert的组合，先删除原行，再插入一个新行。

mydb=# SELECT * FROM heap_page('t',0);
 ctid  | state  | xmin | xmax 
-------+--------+------+------
 (0,1) | normal | 793  | 0 a
(1 row)

mydb=# begin;
BEGIN
mydb=*# UPDATE t SET s = 'Bobo';
UPDATE 1
mydb=*# SELECT pg_current_xact_id();
 pg_current_xact_id 
--------------------
                794
(1 row)

mydb=*# SELECT * FROM heap_page('t',0);
 ctid  | state  | xmin  | xmax 
-------+--------+-------+------
 (0,1) | normal | 793 c | 794
 (0,2) | normal | 794   | 0 a
(2 rows)

mydb=*# commit;
COMMIT

mydb=# select * from t;
 id |  s   
----+------
  2 | Bobo
(1 row)

mydb=# SELECT * FROM heap_page('t',0);
 ctid  | state  | xmin  | xmax  
-------+--------+-------+-------
 (0,1) | normal | 793 c | 794 c
 (0,2) | normal | 794 c | 0 a
(2 rows)

# 1. 先将原行的xmax标记为当前事务id
# 2. 插入新行，将新行的xmin标记为当前事务id
# 3. 提交事务，在clog中标记事务的状态
# 4. 其他事务查询此行时，更新旧行上的xmax提交状态，更新新行上的xmin提交状态

总结：

1. 执行插入时，往数据块中插入一行数据，将行上的xmin置为当前事务id，xmax置为0，提交事务时仅更新clog相应事务的状态。
2. 删除操作时，将原行的xmax置为当前事务id，提交事务时仅更新clog相应事务的状态。
3. 更新操作时，先对原行执行delete操作，再做一个insert操作，提交事务时仅更新clog相应事务的状态。
4. 行上的xmin、xmax提交回滚状态是由其他事务查询行时触发更新的。