PostgreSQL 存储结构浅析

导语
PostgreSQL 数据库是功能强大的开源数据库，越来越多的公司开始使用 PostgreSQL。存储系统是 PostgreSQL 的最底层模块，它向下通过操作系统接口访问物理数据，向上为上层模块提供存储操作的接口和函数。本文通过对 PostgreSQL 的存储结构进行浅析，帮助大家了解这一强大的关系型数据库是如何存储数据的。

- 数据目录 -
PostgreSQL 安装完成后必须先使用 initdb 程序初始化磁盘上的数据存储区，生成模板数据库和相应的目录、文件信息。

initdb -D /usr/local/pgsql/data

初始化目录中包含数据文件、参数文件、控制文件、数据库运行日志及 WAL 日志文件等，下图各目录和子文件的用途在此不做赘述。

默认情况下，PostgreSQL 中的所有数据都存储在其数据目录里，这个数据目录通常会用环境变量 PGDATA 来引用，对于某个具体的数据库，在 PGDATA/base 里都对应有一个子目录，子目录的名字是该数据库在系统表 pg_database 里的 OID，每个表的数据都存在其所属数据库目录下的独立文件里，文件以该表的 filenode 号命名，为了避免有些文件系统不支持大文件，PostgreSQL 限制表文件大小不能超过 1GB（默认 1GB，编译时可通过./configure --with-segsize= x 修改）因此，当表文件超过 1GB 时，会另建一个有尾缀的文件 relfilenode.1，relfilenode.2…… 以此类推。

表文件的物理位置为：$PGDATA/BASE/DATABASE_OID/PG_CLASS.RELFILENODE

-- 查看数据库 test 的 OID

#select oid,datname from pg_database where datname='test'

-- 查看表 t1 的 filenode

#select pg_relation_filepath('t1');

- 数据文件结构 -

在 PG 中，磁盘存储和内存中的最小管理单位都是块，保存在磁盘中的数据块称为 Page，内存中的数据块称为 Buffer，表和索引称为 Relation，行称为 Tuple。数据的读写是以 Page 为最小单位，每个 Page 默认大小为 8kB，在源码编译时可通过./configure --with-blocksize=BLOCKSIZE 设置其他大小，此后都不可更改。每个表文件由多个 BLCKSZ 字节大小的 Page 组成，每个 Page 包含若干 Tuple。

内存中的共享缓冲池缓存了 block 块（默认 1000 个），若缓冲池中的 block 块为脏，需要刷回磁盘，缓冲池细节在此不做赘述，需要时可另起一文解析。

Page 结构

Page 结构包括五部分：

PageHeaderData --在 page 头部，24 个字节长度，记录 page 的元数据信息。

pg_lsn，存储 page 最新更改时，WAL 日志的 lsn 信息。

pg_checksum，存储 page 的校验值。

pd_flags，标志位

pg_lower，到空闲空间开头的偏移量。

pg_upper，到空闲空间结尾的偏移量。

pd_pagesize_version，页面大小和布局版本号信息

pd_prune_xid，页面上最早未删除 XMAX，如果没有则为 0。

ItemIdData --在 page header 之后，一个记录（偏移量，长度）对的数组，指向实际 tuple 项，每个 4 字节。

Free space --未分配的空间（空闲空间）。新项指针从这个区域的开头开始分配，新项从其结尾开始分配。

Items --用来存放行数据 Tuple。

Special space--索引访问模式相关的数据。不同的索引访问方式存放不同的数据。在普通表中为空。

Tuple
页中的元组可细分为 “普通数据元组和 TOAST 元组”。

TOAST (The Oversized-Attribute Storage Technique，超大属性存储技术) 主要用于存储变长数据，当待插入元组的数据大小大于约为 2KB (即页的 1/4) 时候，会自动启动 TOAST 技术来存储该元组。TOAST 较普通元组稍加复杂些，这里主要针对普通元组文件进行说明。

元组内部可以分为三部分，分别是：堆元组头部（23字节）、NULL值位图和用户存储的数据。

Pageinspect 扩展
PostgreSQL 在源码目录 contrib 下提供了许多扩展的功能，pageinspect 扩展模块提供的函数让你从低层次观察数据库页面的内容，这对于调试目的很有用。

安装

cd $PGSRC/contrib/pageinspect

make

sudo make install

简单使用

psql -d test

test=#create extension pageinspect; -- 首次使用需创建 Extension

-- 创建测试表

drop table if exists t1;

create table t1 (id int, name varchar(20));

insert into t1 values(1,'aaa');

-- 查看 page header&item

SELECT * FROM page_header(get_raw_page('t1', 0));

select * from heap_page_items(get_raw_page('t1',0));

-- 更新一行数据

update t1 set name='bbb' where id=1;

查看 heap_page_items()，发现多了一条 item，原因是 PG 更新数据时并不修改原 tuple，而是插入一条新的 tuple，并标记原 tuple.t_xmax= 新 tuple 的事务 id。