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如何从零学习PostgreSQL Page结构

原创 PostgreSQL 作者:数据和云 时间:2018-12-10 15:32:57 0 删除 编辑


作者 | 李亮,云和恩墨西区交付工程师,长期服务于运营商、社保、银行、医院、公积金等行业,擅长数据库备份恢复,升级迁移,性能优化,sql优化。

导读:PostgreSQL 号称是“世界上最先进的开源数据库”(The world's most advanced open source database),在DB-Engines的排名中长期处于第四的位置,并且增长趋势明显。开源的优势就是可以直接阅读源码,本文通过源码结合pageinspect对pg的page结构进行解析和学习。

一、Page

pg中的page和Oracle中的数据块一样,指的是数据库的块,操作系统块的整数倍个,默认是8K也就是两个操作系统块(4k的文件系统块)。这个大小在pg编译安装configure的时候通过--with-blocksize参数指定,单位是Kb。

二、Page的内部结构

2.1 page结构

2.2 PageHeaderData数据结构 (页头)

可以看到一个Page有 Pager header(页头),后面是linp(行指针),pd_lower和pd_upper分别是空闲空间的开始位置和结束位置;后面就是行数据(pg里面的行就是tuple)和special空间。整个page的结构比Oracle的数据块结构简单多了。

typedef struct PageHeaderData

{

    /* XXX LSN is member of *any* block, not only page-organized ones */

    PageXLogRecPtr pd_lsn;      /* LSN: next byte after last byte of xlog

                                 * record for last change to this page */

    uint16      pd_checksum;    /* checksum */

    uint16      pd_flags;       /* flag bits, see below */

    LocationIndex pd_lower;     /* offset to start of free space */

    LocationIndex pd_upper;     /* offset to end of free space */

    LocationIndex pd_special;   /* offset to start of special space */

    uint16      pd_pagesize_version;

    TransactionId pd_prune_xid; /* oldest prunable XID, or zero if none */

    ItemIdData  pd_linp[FLEXIBLE_ARRAY_MEMBER]; /* line pointer array */

} PageHeaderData;

 具体的长度和描述也都有详细说明:

Field

Type

Length

Description

pd_lsn

PageXLogRecPtr

8 bytes

LSN: next byte after last byte of WAL record for last change to this page

pd_checksum

uint16

2 bytes

Page checksum

pd_flags

uint16

2 bytes

Flag bits

pd_lower

LocationIndex

2 bytes

Offset to start of free space

pd_upper

LocationIndex

2 bytes

Offset to end of free space

pd_special

LocationIndex

2 bytes

Offset to start of special space

pd_pagesize_version

uint16

2 bytes

Page size and layout version number information

pd_prune_xid

TransactionId

4 bytes

Oldest unpruned XMAX on page, or zero if none

简单来说,pd_lsn是指最后修改过这个page的lsn(log sequence number),这个和wal(write ahead log,同oracle redo)中记录的lsn一致。数据落盘时redo必须先刷到wal,这个pd_lsn就记录了最后data落盘时的相关redo的lsn。

pd_checksum是校验和,在initdb初始化实例的时候通过-k参数指定开启,默认是关闭的,initdb之后不能修改,它基于FNV-1a hash算法,做了相应的更改。这个校验和与Oracle的checksum一样用于数据块在读入和写出内存时的校验。比如我们在内存中修改了一个数据块,写入到磁盘的时候,在内存里面先计算好checksum,数据块写完后再计算一遍cheksum是否和之前在内存中的一致,确保整个写出过程没有出错,保护数据结构不被破坏。

pd_flags有以下的值:

/*

 * pd_flags contains the following flag bits.  Undefined bits are initialized

 * to zero and may be used in the future.

 *

 * PD_HAS_FREE_LINES is set if there are any LP_UNUSED line pointers before

 * pd_lower.  This should be considered a hint rather than the truth, since

 * changes to it are not WAL-logged.

 *

 * PD_PAGE_FULL is set if an UPDATE doesn't find enough free space in the

 * page for its new tuple version; this suggests that a prune is needed.

 * Again, this is just a hint.

 */

#define PD_HAS_FREE_LINES   0x0001  /* are there any unused line pointers? */

#define PD_PAGE_FULL        0x0002  /* not enough free space for new tuple? */

#define PD_ALL_VISIBLE      0x0004  /* all tuples on page are visible to

                                     * everyone */

 

#define PD_VALID_FLAG_BITS  0x0007  /* OR of all valid pd_flags bits */

 

pd_lower和pd_upper分别表示空闲空间起始位置和结束位置;pd_special在索引page才有效;pd_pagesize_version是page大小和page version的存储位,在不同数据库版本中,page version不一样:

数据库版本

pd_pagesize_version



<7.3

0



7.3 & 7.4

1



8.0

2



8.1

3



>8.3

4



prune_xid表示这个page上最早删除或者修改tuple的事务id,在vacuum操作的时候会用到。(pg没有undo,旧的数据也在page中,用vacuum来清理)

2.3 linp结构(行指针)

lp_off是tuple的开始的偏移量;lp_flags是标志位;lp_len记录了tuple的长度。

Field

Length

Description

lp_off

15 bits

offset to tuple

lp_flags

2 bits

State of iteam pointer

lp_len

15 bits

Byte length of tuple

2.4 tuple header结构(行头)

typedef struct HeapTupleFields

{

    TransactionId t_xmin;       /* inserting xact ID */

    TransactionId t_xmax;       /* deleting or locking xact ID */

    union

    {

        CommandId   t_cid;      /* inserting or deleting command ID, or both */

        TransactionId t_xvac;   /* old-style VACUUM FULL xact ID */

    }           t_field3;

} HeapTupleFields;

 

typedef struct DatumTupleFields

{

    int32       datum_len_;     /* varlena header (do not touch directly!) */

    int32       datum_typmod;   /* -1, or identifier of a record type */

    Oid         datum_typeid;   /* composite type OID, or RECORDOID */

 

    /*

     * Note: field ordering is chosen with thought that Oid might someday

     * widen to 64 bits.

     */

} DatumTupleFields;

 

struct HeapTupleHeaderData

{

    union

    {

        HeapTupleFields t_heap;

        DatumTupleFields t_datum;

    }           t_choice;

 

    ItemPointerData t_ctid;     /* current TID of this or newer tuple (or a

                                 * speculative insertion token) */

    /* Fields below here must match MinimalTupleData! */

    uint16      t_infomask2;    /* number of attributes + various flags */

    uint16      t_infomask;     /* various flag bits, see below */

    uint8       t_hoff;         /* sizeof header incl. bitmap, padding */

    /* ^ - 23 bytes - ^ */

    bits8       t_bits[FLEXIBLE_ARRAY_MEMBER];  /* bitmap of NULLs */

    /* MORE DATA FOLLOWS AT END OF STRUCT */

};

(*这部分代码在src/include/access/htup_details.h)

也有对应的长度和描述的相详细说明:

Field

Type

Length

Description

t_xmin

TransactionId

4 bytes

insert XID stamp

t_xmax

TransactionId

4 bytes

delete XID stamp

t_cid

CommandId

4 bytes

insert and/or delete CID stamp (overlays with t_xvac)

t_xvac

TransactionId

4 bytes

XID for VACUUM operation moving a row version

t_ctid

ItemPointerData

6 bytes

current TID of this or newer row version

t_infomask2

uint16

2 bytes

number of attributes, plus various flag bits

t_infomask

uint16

2 bytes

various flag bits

t_hoff

uint8

1 byte

offset to user data

union是共享结构体,起作用的变量是最后一次赋值的成员。来看看tuple header的结构。

在HeapTupleFields中,t_xmin是插入这行tuple的事务id;t_xmax是删除或者锁住tuple的事务id;union结构中的t_cid是删除或者插入这个tuple的命令id,也就是命令序号;t_xvac是以前格式的vacuum full用到的事务id。

在DatumTupleFields中,datum_len_ 指tuple的长度;datum_typmod是记录的type;datum_typeid是记录的id。

页头HeapTupleHeaderData包含了union结构体中的两个变量HeapTupleFields和DatumTupleFields。t_ctid是tuple id,类似oracle的rowid,形式为(块号,行号)。

t_infomask2 表示属性和标志位

t_infomask 是flag标志位,具体值如下:

/*

 * information stored in t_infomask:

 */

#define HEAP_HASNULL            0x0001  /* has null attribute(s) */

#define HEAP_HASVARWIDTH        0x0002  /* has variable-width attribute(s) */

#define HEAP_HASEXTERNAL        0x0004  /* has external stored attribute(s) */

#define HEAP_HASOID             0x0008  /* has an object-id field */

#define HEAP_XMAX_KEYSHR_LOCK   0x0010  /* xmax is a key-shared locker */

#define HEAP_COMBOCID           0x0020  /* t_cid is a combo cid */

#define HEAP_XMAX_EXCL_LOCK     0x0040  /* xmax is exclusive locker */

#define HEAP_XMAX_LOCK_ONLY     0x0080  /* xmax, if valid, is only a locker */

 

 /* xmax is a shared locker */

#define HEAP_XMAX_SHR_LOCK  (HEAP_XMAX_EXCL_LOCK | HEAP_XMAX_KEYSHR_LOCK)

 

#define HEAP_LOCK_MASK  (HEAP_XMAX_SHR_LOCK | HEAP_XMAX_EXCL_LOCK | \

                         HEAP_XMAX_KEYSHR_LOCK)

#define HEAP_XMIN_COMMITTED     0x0100  /* t_xmin committed */

#define HEAP_XMIN_INVALID       0x0200  /* t_xmin invalid/aborted */

#define HEAP_XMIN_FROZEN        (HEAP_XMIN_COMMITTED|HEAP_XMIN_INVALID)

#define HEAP_XMAX_COMMITTED     0x0400  /* t_xmax committed */

#define HEAP_XMAX_INVALID       0x0800  /* t_xmax invalid/aborted */

#define HEAP_XMAX_IS_MULTI      0x1000  /* t_xmax is a MultiXactId */

#define HEAP_UPDATED            0x2000  /* this is UPDATEd version of row */

#define HEAP_MOVED_OFF          0x4000  /* moved to another place by pre-9.0

                                         * VACUUM FULL; kept for binary

                                         * upgrade support */

#define HEAP_MOVED_IN           0x8000  /* moved from another place by pre-9.0

                                         * VACUUM FULL; kept for binary

                                         * upgrade support */

#define HEAP_MOVED (HEAP_MOVED_OFF | HEAP_MOVED_IN)

 

#define HEAP_XACT_MASK          0xFFF0  /* visibility-related bits */

t_hoff表示tuple header的长度

t_bits记录了tuple中null值的列

三、实验

3.1 安装pageinspect

它在源码的crontrib目录下面

postgres@cs-> cd postgresql-10.4/contrib/pageinspect

 

make && make install

postgres@cs-> make

postgres@cs-> make install

 

create extension就好了

postgres@cs-> psql

psql (10.4)

Type "help" for help.

 

postgres=# CREATE EXTENSION pageinspect;

CREATE EXTENSION

 

postgres=# \x

Expanded display is on.

postgres=# \dx

List of installed extensions

-[ RECORD 1 ]------------------------------------------------------

Name        | pageinspect

Version     | 1.6

Schema      | public

Description | inspect the contents of database pages at a low level

-[ RECORD 2 ]------------------------------------------------------

Name        | plpgsql

Version     | 1.0

Schema      | pg_catalog

Description | PL/pgSQL procedural language

 3.2 创建建测试表t1,插入数据


这里可以看到1000行数据用了6个数据块来存储(这里数据块从0开始),第6个数据块包含了73条记录(tuple)

3.3 Pageinspect查看page

这里我们通过两个函数来查看

page_header 可以看到页头的数据

heap_pageitems 可以看到具体tuple的数据

3.3.1 page_header

postgres=# \xExpanded display is on.postgres=# select * from page_header(get_raw_page('t1',0));-[ RECORD 1 ]--------lsn       | 0/1671188checksum  | 0flags     | 0lower     | 772upper     | 784special   | 8192pagesize  | 8192version   | 4prune_xid | 0postgres=#

可以看到第0个page的pd_lsn为0/1671188,checksum和flags都是0,这里没有开启checksum;tuple开始偏移是772(pd_lower),结束偏移是784(pd_upper),这个page是个表,所以它没有special,我们看到的sepcial就是8192了;pagesize是8192就是8K,version是4,没有需要清理的tuple,所以存储需要清理的tuple的最早事务的id就是0(prune_xid)。

3.3.2 heap_page_items


我们来看一行记录,可以看到它是第1行记录(lp=1),tuple的开始偏移量8160(lp_off),tuple的长度是32 bytes(lp_len为32,这个tuple是第一个插入的tuple,所以lp_off+lp_len=8160+32=8192),这行记录的插入事务id是557(t_min),和tuple的删除事务id是0(tmax),这里数据没有被删除,所以都是0。我们还可以看到t_ctid是(0,1),这里表示这个tuple是这个page中第一个块的第一条tuple;tinfomask2是2,t_infomask为2306,十六进制就是 0x0902 ,这个我们可以根据上面提到的值去看看具体的含义,0x0902 = 0x0100 + 0x0800 +0x0002;tuple头部结构(行头)的长度是24(t_hoff),t_data就是16进制存储的真正的数据了。

3.4 删除一行数据观察prune_xid

我们删除一行tuple可以看到prune_xid有了值,为559,这个559就是删除这个tuple的事务id(当前最早的删除或更改了tuple的事务id)

同样,我们可以看到lp为1的这个tuple的t_xmax为559,这里就是删除这行tuple的事务id。

PostgreSQL Page的物理结构相比Oracle的数据块来说简单很多了,源代码开放也便于学习和研究,pg是个很好很强大的数据库,值得好好学习。

原创:李亮

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