postgresql 使用之 存储架构 触摸真实数据的存储结构以及组织形式,存入数据库的数据原来在这里

存储架构

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概述

postgresql 数据库服务运行时,数据在磁盘上是如何存储的呢?这就涉及到了存储架构。
在文件系统中,我们可以看到以目录和文件为形式的存储单元,这是物理存储架构,
这些目录和文件实际上有一定的联系和组织形式,比如最外层目录就是集群数据目录,每个数据库会有一个目录,这就是逻辑存储架构。

逻辑存储架构,维护着物理磁盘文件的组织形式,物理存储架构是具体的磁盘文件的呈现方式。

逻辑存储架构

命名空间

在逻辑上,数据库有几层组织管理命名空间

集簇->表空间tablespace->数据库database->模式schema
其中 模式是数据库内核中通过数据字典来区分,所以前三项都是通过存储架构的组织,来实现物理上的空间独立。
这在前面内核分析文章中也提到,表文件的定位,也是通过tablespace/database/relation三级来唯一标识。

对于集簇这个概念,通过initdb创建的就是集簇,也就是数据存入的目录,在数据库服务启动时需要指定,它通常叫做PGDATA。

数据文件

用户数据文件

有表,索引,还有对应的vm,fsm文件,都是按照命名空间的层级目录来存储

事务相关数据

由集簇级层级的空间管理,在集簇目录下有公共目录存放

其它组织文件

如表空间文件,数据字典文件,模版库,运行日志等文件,都是集簇层级的空间进行管理,在集簇目录下有各自的目录

配置文件

  • 数据库配置文件

postgresql.conf

  • 客户端访问控制配置文件

pg_hba.conf和pg_ident.conf

辅助文件

如版本文件,运行信息文件等,都在PGDATA根目录下

物理存储架构

  1. 通常用PGDATA来引用(用的是可以定义它的环境变量的名字)。PGDATA的一个常见位置是/var/lib/pgsql/data。由不同数据库实例所管理的多个集簇可以在同一台机器上共存。
  2. 在表或者索引超过 1GB 之后,它就被划分成1G大小的段。
    第一个段的文件名和文件节点相同;随后的段被命名为 filenode.1、filenode.2等等。这样的安排避免了在某些有文件大小限制的平台上的问题(实际上,1GB只是默认的段尺寸。段尺寸可以在编译PostgreSQL时使用配置选项–with-segsize进行调整)。原则上,空闲空间映射和可见性映射分支也可以要求多个段,但实际上这很少发生。
  3. 每个数据库都会有一个单独的目录,其中存放该库的表文件。

集簇文件结构

先初始化一个全新的数据库集簇,下面初始化并启动数据库

# 初始化postgres数据库集簇 
/opt/postgres/bin/initdb -D pgtest -W

# 启动数据库,监听端口指定为 8888 
/opt/postgres/bin/pg_ctl -D pgtest -l logfile -o "-p 8888" start

# 以命令行客户端,登陆数据库,指定端口和数据库
/opt/postgres/bin/psql -p 8888 -d postgres

下面是initdb完成后,新建了一个表空间后的集簇目录结构,
然后为了看到一些文件类型,建了临时表,unlogged表,以及索引;
中间省略了一些表的文件列表,保留了目录层级和关键的文件。

-- 表空间 
create tablespace tblspc_test location '/mnt/sda1/data/pgdata/pgtblspc';

-- 普通表 
create table tbl_a***ount(id integer, name varchar, address varchar, tel varchar);

-- 临时表 会话退出后就会删除 
create temporary table tmptbl_test(id int, c_id int);

-- unlogged 表,不会记录WAL,恢复时数据全部丢失 
create unlogged table unlogtbl_test(c_id int ,consumer varchar);
create index on unlogtbl_test (c_id);

经过上面的场景构造之后,现在来看一下数据库集簇下的文件和目录层次

[senllang@hatch pgdata]$ tree pgtest
pgtest
├── base
│   ├── 1
│   │   ├── 112
│   │   ├── 113
│   │   ├── 1247
│   │   ├── 1247_fsm
│   │   ├── 1247_vm
│   │   ├── 1249
......
│   │   ├── 827
│   │   ├── 828
│   │   ├── pg_filenode.map
│   │   ├── pg_internal.init
│   │   └── PG_VERSION
│   ├── 4
│   │   ├── 112
│   │   ├── 113
│   │   ├── 1247
│   │   ├── 1247_fsm
│   │   ├── 1247_vm
......
│   │   ├── 6238
│   │   ├── 6239
│   │   ├── 826
│   │   ├── 827
│   │   ├── 828
│   │   ├── pg_filenode.map
│   │   └── PG_VERSION
│   └── 5
│       ├── 112
│       ├── 113
│       ├── 1247
│       ├── 1247_fsm
│       ├── 1247_vm
│       ├── 16403
│       ├── 16403_init
│       ├── 16406
│       ├── 16406_init
│       ├── 16407
│       ├── 16407_init
│       ├── 16408
│       ├── 16408_init
│       ├── t3_16409
│       └── t3_16412
......
│       ├── 827
│       ├── 828
│       ├── pg_filenode.map
│       ├── pg_internal.init
│       └── PG_VERSION
├── global
│   ├── 1213
│   ├── 1213_fsm
│   ├── 1213_vm
│   ├── 1214
│   ├── 1232
│   ├── 1233
│   ├── 1260
│   ├── 1260_fsm
│   ├── 1260_vm
......
│   ├── pg_control
│   ├── pg_filenode.map
│   └── pg_internal.init
├── pg_***mit_ts
├── pg_dynshmem
├── pg_hba.conf
├── pg_ident.conf
├── pg_logical
│   ├── mappings
│   ├── replorigin_checkpoint
│   └── snapshots
├── pg_multixact
│   ├── members
│   │   └── 0000
│   └── offsets
│       └── 0000
├── pg_notify
├── pg_replslot
├── pg_serial
├── pg_snapshots
├── pg_stat
├── pg_stat_tmp
├── pg_subtrans
│   └── 0000
├── pg_tblspc
│   └── 16388 -> /mnt/sda1/data/pgdata/pgtblspc
├── pg_twophase
├── PG_VERSION
├── pg_wal
│   ├── 000000010000000000000001
│   └── archive_status
├── pg_xact
│   └── 0000
├── postgresql.auto.conf
├── postgresql.conf
├── postmaster.opts
└── postmaster.pid

详细介绍

文件/目录 描述
PG_VERSION 一个包含PostgreSQL主版本号的文件
base 包含每个数据库对应的子目录的子目录
current_logfiles 记录当前被日志收集器写入的日志文件的文件
global 包含集簇范围的表的子目录,比如pg_database
pg_***mit_ts 包含事务提交时间戳数据的子目录
pg_dynshmem 包含被动态共享内存子系统所使用的文件的子目录
pg_logical 包含用于逻辑复制的状态数据的子目录
pg_multixact 包含多事务(multi-transaction)状态数据的子目录(用于共享的行锁)
pg_notify 包含LISTEN/NOTIFY状态数据的子目录
pg_replslot 包含复制槽数据的子目录
pg_serial 包含已提交的可序列化事务信息的子目录
pg_snapshots 包含导出的快照的子目录
pg_stat 包含用于统计子系统的永久文件的子目录
pg_stat_tmp 包含用于统计信息子系统的临时文件的子目录
pg_subtrans 包含子事务状态数据的子目录
pg_tblspc 包含指向表空间的符号链接的子目录
pg_twophase 包含用于预备事务状态文件的子目录
pg_wal 包含 WAL (预写日志)文件的子目录
pg_xact 包含事务提交状态数据的子目录
postgresql.auto.conf 一个用于存储由ALTER SYSTEM 设置的配置参数的文件
postmaster.opts 一个记录服务器最后一次启动时使用的命令行参数的文件
postmaster.pid 一个锁文件,记录着当前的 postmaster 进程ID(PID)、集簇数据目录路径、postmaster启动时间戳、端口号、Unix域套接字目录路径(Windows上为空)、第一个可用的listen_address(IP地址或者*,或者为空表示不在TCP上监听)以及共享内存段ID(服务器关闭后该文件不存在)

表空间

在表空间中创建了一个临时表,一个普通表,还有一个数据库

-- 创建数据库,指定存储的表空间 
create database test tablespace tblspc_test ;

-- 在指定表空间创建临时表 
create temporary table tmptbl_test1(id int, c_id int) tablespace tblspc_test;

-- 在指定表空间创建普通表 
create table tbl_salary(id integer, level float, performance float) tablespace tblspc_test;

物理结构

查看表空间目录中文件,目录层次和文件列表如下

[senllang@hatch pgdata]$ tree pgtblspc/
pgtblspc/
└── PG_16_202306141
    ├── 16389
    │   ├── 112
    │   ├── 113
    │   ├── 1247
    │   ├── 1247_fsm
    │   ├── 1247_vm
    │   ├── 1249
    │   ├── 1249_fsm
    │   ├── 1249_vm
    ......
    │   ├── 826
    │   ├── 827
    │   ├── 828
    │   ├── pg_filenode.map
    │   └── PG_VERSION
    └── 5
        ├── 16395
        └── t3_16413

可以看到,在表空间的目录下,是一个目录 PG_16_202306141,命名以PG开头,然后是数据库版本,再加创建的日期。
用户定义的表空间都在PGDATA/pg_tblspc目录里面有一个符号连接,它指向物理的表空间目录(就是在CREATE TABLESPACE命令里指定的那个目录)。
这个符号连接是用表空间的 OID 命名的。

原理说明

在物理表空间目录中有一个名称取决于PostgreSQL服务器版本的子目录,例如PG_16_202306141(使用该子目录的原因是后续版本的数据库可以使用CREATE TABLESPACE指定相同的目录位置而不会造成冲突)。

在这个版本相关的子目录中,为每个在这个表空间里有元素的数据库都有一个子目录, 以数据库的OID命名。该目录里的表和索引遵循文件节点命名模式。

初始化集群后,有两个默认的表空间,pg_default和pg_global,当我们没有指定表空间时,创建的数据库,表等都是存放在pg_default表空间。
pg_default不需要通过pg_tblspc来访问,而是对应于PGDATA/base。类似地,pg_global表空间也不通过pg_tblspc访问,而是对应于PGDATA/global。

数据库

对于集簇里的每个数据库,在PGDATA/base里都有一个子目录对应,子目录的名字为该数据库在 pg_database里的 OID。
这个子目录是该数据库文件的缺省位置;特别值得一提的是,该数据库的系统目录存储在此。

数据文件

pg_relation_filepath()函数显示任何关系的完整路径(相对于PGDATA)。
它可以作为记住上面这么多规则的替代方法。

但是记住该函数只给出关系的主分支的第一个段的名称 — 你也许需要追加一个段号或_fsm、_vm、_init来找到与该关系相关的所有文件。

表和索引文件

每个表和索引都存储在独立的文件里。
对于普通表,这些文件以表或索引的filenode号命名,它可以在pg_class.relfilenode中找到。

临时表

对于临时表,文件名的形式为tBBB_FFF,其中BBB是创建该文件的后台的后台ID,FFF是文件节点号。

空闲空间映射fsm

在每种情况下,在主文件(a/k/a 主分支)之外,每个表和索引有一个空闲空间映射,它存储表中可用空闲空间的信息。
空闲空间映射存储在一个文件中,该文件以节点号加上后缀_fsm命名。

可见性映射vm

表还有一个可见性映射,存储在一个该文件以节点号加上后缀为_vm的文件中,它用于跟踪哪些页面已知含有非死亡元组。

unlogged 表

不被日志记录的表和索引,也就是unloged table 还有第三个分支,即初始化分支,它存储在该文件以节点号加上后缀为_init的分支文件中。

初始化分支是一个适当类型的空表或空索引。
当一个不被日志记录的表由于崩溃必须被重置为空时,初始化分支被随着主分支复制,而任何其他分支则被擦除(它们会在需要时自动被重建)。

toast表

如果一个表的列中可能存储相当大的项,那么该表就会有个与之相关联的TOAST表,
它用于存储无法保留在在表行中的域值的线外存储。

如果表有TOAST表,该表的pg_class.reltoastrelid链接到它的TOAST表;

临时文件

临时文件(用于如排序不能放在内存中的数据等操作)被创建在PGDATA/base/pgsql_tmp中,如果临时文件被指定在一个非pg_default表空间中则它们会被创建在该表空间的pgsql_tmp子目录中。临时文件的名称的形式为pgsql_tmpPPP.NNN,其中PPP是其所属后端的PID,而NNN用于区别该后端的不同临时文件。

结尾

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作者邮箱:study@senllang.onaliyun.***
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