參考

數(shù)據(jù)庫集群的邏輯結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫集群是由 PostgreSQL 服務(wù)器管理 的數(shù)據(jù)庫集合。 PostgreSQL 中的術(shù)語“數(shù)據(jù)庫集群”并不意味著“一組數(shù)據(jù)庫服務(wù)器”。PostgreSQL 服務(wù)器在單個主機上運行并管理單個數(shù)據(jù)庫集群。

數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)庫對象的集合。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫理論中，數(shù)據(jù)庫對象是一種用于存儲或引用數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。（堆）表就是它的一個典型例子，還有很多像索引、序列、視圖、函數(shù)等。在 PostgreSQL 中，數(shù)據(jù)庫本身也是數(shù)據(jù)庫對象，并且在邏輯上是相互分離的。所有其他數(shù)據(jù)庫對象（例如，表、索引等）都屬于它們各自的數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)庫集群的邏輯結(jié)構(gòu)

PostgreSQL 中的所有數(shù)據(jù)庫對象都由各自的對象標識符 (OID)進行內(nèi)部管理，它們是無符號的 4 字節(jié)整數(shù)。根據(jù)對象的類型，數(shù)據(jù)庫對象和相應(yīng) OID 之間的關(guān)系存儲在適當?shù)南到y(tǒng)目錄中。例如，數(shù)據(jù)庫和堆表的 OID 分別存儲在pg_database和pg_class中。

openGauss=# select datname, oid from pg_database where datname='test';
 datname |  oid
---------+-------
 test    | 16386
(1 row)

數(shù)據(jù)庫集群的物理結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫集群基本上是 一個稱為基本目錄的目錄，它包含一些子目錄和大量文件。如果您執(zhí)行initdb實用程序來初始化新的數(shù)據(jù)庫集群，則會在指定目錄下創(chuàng)建一個基本目錄。雖然不是強制性的，但基本目錄的路徑通常設(shè)置為環(huán)境變量PGDATA。

下圖顯示了 PostgreSQL 中的數(shù)據(jù)庫集群示例。數(shù)據(jù)庫是基本子目錄下的子目錄，每個表和索引都是（至少）一個存儲在其所屬數(shù)據(jù)庫的子目錄下的文件。還有幾個包含特定數(shù)據(jù)和配置文件的子目錄。雖然 PostgreSQL 支持tablespaces，但該術(shù)語的含義與其他 RDBMS 不同。PostgreSQL 中的表空間是一個包含基本目錄之外的一些數(shù)據(jù)的目錄。

數(shù)據(jù)庫集群的一個例子

數(shù)據(jù)庫集群布局

根目錄文件

子目錄

數(shù)據(jù)庫布局

數(shù)據(jù)庫是base子目錄下的子目錄；并且數(shù)據(jù)庫目錄名稱與各自的 OID 相同。

與表和索引相關(guān)的文件布局

每個大小小于 1GB 的表或索引都是存儲在其所屬數(shù)據(jù)庫目錄下的單個文件。作為數(shù)據(jù)庫對象的表和索引在內(nèi)部由各個 OID 管理，而這些數(shù)據(jù)文件由變量relfilenode管理。表和索引的 relfilenode 值基本但并不總是與各自的 OID 匹配.

test=# SELECT relname, oid, relfilenode FROM pg_class WHERE relname = 'students';
 relname  |  oid  | relfilenode
----------+-------+-------------
 students | 16393 |       16393
(1 row)

對應(yīng)目錄：

[root@localhost base]# ll ./16386/16393
-rw------- 1 omm omm 8192 May 19 02:33 ./16386/16393

也可以使用(pg9.0以上版本，opengauss都支持):

test=# select pg_relation_filepath('students');
 pg_relation_filepath
----------------------
 base/16386/16393

• 可以通過發(fā)出一些命令（例如，TRUNCATE、REINDEX、CLUSTER）來更改表和索引的 relfilenode 值。

• 當表和索引的文件大小超過 1GB 時，PostgreSQL 會創(chuàng)建一個名為 relfilenode.1 的新文件并使用它。如果新文件已填滿，將創(chuàng)建下一個名為 relfilenode.2 的新文件，依此類推。

• 仔細查看數(shù)據(jù)庫子目錄，你會發(fā)現(xiàn)每個表都有兩個關(guān)聯(lián)文件，分別以'_fsm'和'_vm'為后綴。這些被稱為空閑空間映射和可見性映射，分別存儲空閑空間容量和表格文件中每個頁面的可見性信息（參見第 5.3.4節(jié)和第 6.2節(jié)中的更多詳細信息）。索引只有單獨的可用空間圖，沒有可見性圖。它們也可以在內(nèi)部稱為每個關(guān)系的分支；可用空間映射是表/索引數(shù)據(jù)文件的第一個分支（分支編號為 1），可見性映射是表數(shù)據(jù)文件的第二個分支（分支編號為 2）。數(shù)據(jù)文件的fork號為0。

表空間

PostgreSQL 中的表空間是基本目錄之外的附加數(shù)據(jù)區(qū)域。下圖顯示了一個表空間的內(nèi)部布局，以及與主數(shù)據(jù)區(qū)的關(guān)系。

數(shù)據(jù)庫集群中的一個表空間

堆表文件的內(nèi)部布局

在數(shù)據(jù)文件（堆表和索引，以及空閑空間映射和可見性映射）內(nèi)部，分為固定長度的頁（或塊），默認為 8192 字節(jié)（8 KB）。每個文件中的那些頁面從 0 開始依次編號，這些編號稱為塊編號。如果文件已被填滿，PostgreSQL 會在文件末尾添加一個新的空頁以增加文件大小。

堆表文件的頁面布局

表中的一個頁面包含如下描述的三種數(shù)據(jù)：

1. heap tuple(s) ——堆元組本身就是一個記錄數(shù)據(jù)。它們從頁面底部開始按順序堆疊。tuple 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)此處暫不討論。

2. line pointer(s) – 一個行指針有 4 個字節(jié)長，并保存一個指向每個堆元組的指針。它也稱為item pointer。
   行指針組成一個簡單的數(shù)組，起到元組索引的作用。每個索引從 1 開始按順序編號，稱為偏移編號。當一個新的元組被添加到頁面時，一個新的行指針也被推到數(shù)組上以指向新的。

3. 標頭數(shù)據(jù)——由結(jié)構(gòu)[PageHeaderData](javascript:void(0))定義的標頭數(shù)據(jù)分配在頁面的開頭。它長 24 字節(jié)，包含有關(guān)頁面的一般信息。結(jié)構(gòu)的主要變量如下所述。

4. • pd_lsn——這個變量存儲了本頁最后一次更改寫入的 XLOG 記錄的 LSN。它是一個 8 字節(jié)的無符號整數(shù)，與 WAL（Write-Ahead Logging）機制有關(guān)。
   • pd_checksum – 此變量存儲此頁面的校驗和值。（注意9.3及以后版本支持這個變量；在早期版本中，這部分已經(jīng)存儲了頁面的timelineId。）
   • pd_lower, pd_upper – pd_lower 指向行尾指針，pd_upper 指向最新堆元組的開頭。
   • pd_special – 此變量用于索引。在表中的頁面中，它指向頁面的末尾。（在索引內(nèi)的頁面中，它指向特殊空間的開頭，這是僅由索引持有的數(shù)據(jù)區(qū)域，根據(jù)索引類型的種類，如B-tree、GiST、GiN等包含特定的數(shù)據(jù)。）

行尾指針和最新元組開頭之間的空白空間稱為空閑空間或空洞。

為了識別表中的元組，內(nèi)部使用了元組標識符 (TID)。TID 包含一對值：包含元組的頁面的塊號，以及指向元組的行指針的偏移量。其用法的一個典型例子是索引。

元組的讀寫方法

編寫堆元組

假設(shè)一個表由一頁組成，其中只包含一個堆元組。該頁的 pd_lower 指向第一行指針，行指針和 pd_upper 都指向第一個堆元組。見圖 1.5(a)。

當?shù)诙€元組被插入時，它被放在第一個元組之后。第二行指針被推到第一個上，它指向第二個元組。pd_lower 更改為指向第二行指針，pd_upper 更改為指向第二個堆元組。見圖 1.5(b)。此頁面中的其他標題數(shù)據(jù)（例如，pd_lsn、pg_checksum、pg_flag）也被重寫為適當?shù)闹怠?/p>

堆元組的編寫

讀取堆元組

這里概述了兩種典型的訪問方法，順序掃描和 B-tree 索引掃描：

• 順序掃描——通過掃描每頁中的所有行指針順序讀取所有頁中的所有元組。見圖 1.6(a)。
• B-tree 索引掃描 ——一個索引文件包含索引元組，每個索引元組由一個索引鍵和一個指向目標堆元組的 TID 組成。如果找到了具有您要查找的鍵的索引元組，則 PostgreSQL 使用獲得的 TID 值讀取所需的堆元組。（B-tree index中查找索引元組的方法，由于很常見，篇幅有限，這里就不做說明了，見相關(guān)資料。）例如，圖1.6(b)中，TID得到的索引元組的值為'(block = 7, Offset = 2)'。這意味著目標堆元組是表內(nèi)第 7 頁中的第 2 個元組，因此 PostgreSQL 可以讀取所需的堆元組，而無需在頁面中進行不必要的掃描。

順序掃描和索引掃描