概述

今天主要講講PG的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，PG數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)分為：邏輯結(jié)構(gòu)和物理存儲(chǔ)。

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其中邏輯存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是內(nèi)部的組織和管理數(shù)據(jù)的方式。物理存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是操作系統(tǒng)中組織和管理數(shù)據(jù)的方式。邏輯存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)適用于不同的操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)。

一、邏輯存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

邏輯結(jié)構(gòu)包括：

所有數(shù)據(jù)庫對(duì)象都有各自的oid(object identifiers),oid是一個(gè)無符號(hào)的四字節(jié)整數(shù)，相關(guān)對(duì)象的oid都存放在相關(guān)的system catalog表中，比如數(shù)據(jù)庫的oid和表的oid分別存放在pg_database,pg_class表中。

1、數(shù)據(jù)庫集群-Database cluster

2、數(shù)據(jù)庫-Database

3、表空間-tablespace

數(shù)據(jù)庫在邏輯上分成多個(gè)存儲(chǔ)單元，稱作表空間。表空間用作把邏輯上相關(guān)的結(jié)構(gòu)放在一起。數(shù)據(jù)庫邏輯上是由一個(gè)或多個(gè)表空間組成。

新創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫默認(rèn)創(chuàng)建下面的表空間：

1)Catalog表空間 存放系統(tǒng)表信息

2)System表空間 存放用戶數(shù)據(jù)3)Temp表空間

4、模式-Schema

自動(dòng)創(chuàng)建的系統(tǒng)模式如下：

1)PG_CATALOG

2)PG_LARGEOBJECT

3)PG_TOAST

4)PG_PARTITION

默認(rèn)的用戶模式PUBLIC。

5、段-segment

6、區(qū)-extent

7、塊-block

8、數(shù)據(jù)庫對(duì)象-Database object

1)模式對(duì)象表、索引、序列、大對(duì)象、視圖、函數(shù)、存儲(chǔ)過程、觸發(fā)器、包 … …

2)非模式對(duì)象用戶、數(shù)據(jù)庫

9、數(shù)據(jù)表-Table

10、索引-Index

11、序列-Sequence

12、視圖-View

二、物理存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

在執(zhí)行initdb的時(shí)候會(huì)初始化一個(gè)目錄，通常我們都會(huì)在系統(tǒng)配置相關(guān)的環(huán)境變量$PGDATA來表示，初始化完成后，會(huì)再這個(gè)目錄生成相關(guān)的子目錄以及一些文件。在postgresql中，tablespace的概念并不同于其他關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，這里一個(gè)tablespace對(duì)應(yīng)的都是一個(gè)目錄。如下圖就是PG的物理結(jié)構(gòu)：

1、存儲(chǔ)系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：

內(nèi)存中：buffer，MemoryContext;

數(shù)據(jù)文件，臨時(shí)文件;

日志文件，日志緩存。

2、文件和目錄相關(guān)作用描述：

3、數(shù)據(jù)文件結(jié)構(gòu)

3.1、頁

將數(shù)據(jù)文件中的空間從邏輯上劃分成一個(gè)個(gè)頁面(數(shù)據(jù)塊)。頁面是數(shù)據(jù)庫I/O的基本單位，即只能整頁讀寫數(shù)據(jù)文件, 頁面的大小默認(rèn)是8K。

頁面可以分成兩種：

1)數(shù)據(jù)頁面：數(shù)據(jù)頁面是用來存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)的。

2)控制頁面：控制頁面用來管理這些數(shù)據(jù)頁面。

數(shù)據(jù)庫共享緩存中的空間劃分也是按頁為基本單位, 一個(gè)頁的大小與數(shù)據(jù)文件中頁的大小一致, 這樣便于整頁讀取數(shù)據(jù)文件,并放入到數(shù)據(jù)庫Buffer中, 從Buffer寫入數(shù)據(jù)文件也同理，保證了緩存與數(shù)據(jù)文件結(jié)構(gòu)和內(nèi)容上的一致性。

3.2、Block(塊)

概念上基本等同于Page, 但Block更多用于說明DMS中對(duì)數(shù)據(jù)文件中Page的描述。

例如: 對(duì)文件的讀寫的操作, 文件讀寫位置的定位, 數(shù)據(jù)文件空間回收等操作, 單位均是以塊進(jìn)行。

數(shù)據(jù)塊的大小在系統(tǒng)初始化時(shí)指定，默認(rèn)是8K，可以取值4K,8K,16K,32K。

3.3、Extent(區(qū))

把數(shù)據(jù)文件中8個(gè)連續(xù)的Page構(gòu)成的空間稱為一個(gè)Extent。Extent是數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)文件空間分配/釋放的基本單位。每個(gè)表、索引、序列對(duì)象都是由若干個(gè)區(qū)組成。數(shù)據(jù)文件被創(chuàng)建后，除自動(dòng)保留部分區(qū)作為控制區(qū)外，其他區(qū)全部處于未分配狀態(tài)。表、索引、序列對(duì)象的所有數(shù)據(jù)都存放在Extent中，當(dāng)向這些Extent中插入數(shù)據(jù)時(shí)，若該Extent的所有頁面都已占滿，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)在所屬表空間的數(shù)據(jù)文件中尋找一個(gè)尚未分配的區(qū)，并將其狀態(tài)修改為數(shù)據(jù)區(qū)。

3.4、控制頁面

用于空間管理的控制頁面：PFS/GAM/IAM。

用于增量備份的控制頁面：DCM。

判斷可見性的控制頁面：VM。

預(yù)留的控制頁面：BCM/SGAM。

3.5、PFS

Page Free Space,簡(jiǎn)稱PFS頁.

用于記錄本數(shù)據(jù)文件中頁面的空間使用情況。對(duì)文件中的每個(gè)頁面，PFS中都有一個(gè)“字節(jié)”與之對(duì)應(yīng)，該字節(jié)記錄了該頁面的狀態(tài)。

PFS頁前64bytes被預(yù)留為頁頭, 剩下81024-64=8128一共覆蓋81288K=64MB空間.

故PFS頁每隔8128個(gè)頁面出現(xiàn)一次, 系統(tǒng)初始化把第一個(gè)PFS頁放在數(shù)據(jù)文件的第二個(gè)頁面位置,即:第1號(hào)數(shù)據(jù)頁面, 由此可知,第N個(gè)PFS頁的位置在8128*N+1.

3.6、GAM

Global Allocation Map，簡(jiǎn)稱GAM頁。

功能:記錄所在數(shù)據(jù)文件的Extent的分配情況，GAM頁中除GAM頭外,剩下空間的每一位(bit)均對(duì)應(yīng)一個(gè)Extent的分配情況。若某bit位為1，則表明該bit位所關(guān)聯(lián)的Extent已被分配出去,反之未被分配。

若一個(gè)GAM頁面大小為8K,則除GAM頭(64 bytes)外,一個(gè)GAM頁面所能覆蓋的文件范圍是: (81024-64)8(88K),約4GB空間。此外，GAM頁每隔881288個(gè)頁面出現(xiàn)一個(gè)，系統(tǒng)要求第一個(gè)GAM頁出現(xiàn)在文件的第3個(gè)頁面位置(即:第2個(gè)索引位置),由此得知,第N個(gè)GAM頁的出現(xiàn)位置是: 881288*N+2

3.7、IAM

Index Allocation Map，簡(jiǎn)稱IAM頁。

功能：每個(gè)IAM頁只隸屬于一個(gè)數(shù)據(jù)庫對(duì)象(例如:表),但一個(gè)數(shù)據(jù)庫對(duì)象可包含多個(gè)IAM頁,由此可見IAM頁與數(shù)據(jù)庫對(duì)象的關(guān)系是1對(duì)1，而數(shù)據(jù)庫對(duì)象與IAM頁的關(guān)系是1對(duì)多.

IAM的結(jié)構(gòu)與GAM頁類似,除IAM頭外,剩下空間的每一位(bit)均對(duì)應(yīng)著一個(gè)與IAM相關(guān)的Extent。若某bit位為1，則表明該bit位所關(guān)聯(lián)的Extent已被分配給該IAM,反之未被分配。若一個(gè)IAM頁面大小為8K,則除IAM頭(64 bytes)外,一個(gè)IAM頁面所能覆蓋的文件范圍是: (81024-64)8(88K),約4GB空間。

但與GAM也不同之處在于:IAM的出現(xiàn)位置不固定,只在在創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫對(duì)象的時(shí)候才分配。

三、邏輯與物理存儲(chǔ)關(guān)系

1、邏輯關(guān)系存在表空間;

2、表空間存在對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)文件中;

新創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)文件的名稱:

Catalog表空間 – databasename.dbf

System表空間 – Udatabasename.dbf

Temp表空間-- Tdatabasename.dbf

• 前面加 “U” 前綴代表用戶數(shù)據(jù)表空間，用于保存用戶表的數(shù)據(jù)。
• 不帶 U 代表 是系統(tǒng)表的表空間，用于保存系統(tǒng)表的數(shù)據(jù)。
• U 前綴的數(shù)據(jù)文件代表的表空間名為PG。
• 不帶U 的數(shù)據(jù)文件代表的表空間為 CATALOG。

四、數(shù)據(jù)庫文件、表空間、其他文件之間的關(guān)系

1、關(guān)系圖如下：

說明：

1)每一個(gè)數(shù)據(jù)庫具有一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)文件，用戶存放數(shù)據(jù)庫的所有數(shù)據(jù)。

2)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)文件有以下特征：

• 一個(gè)數(shù)據(jù)庫文件只能與一個(gè)數(shù)據(jù)庫的一個(gè)表空間相連。
• 一個(gè)表空間可以由多個(gè)數(shù)據(jù)文件組成。

3)數(shù)據(jù)庫對(duì)象與文件關(guān)系：

• 數(shù)據(jù)庫對(duì)象放到表空間中。
• 表空間有多個(gè)數(shù)據(jù)文件。
• 表空間中有多個(gè)數(shù)據(jù)庫對(duì)象。

4)數(shù)據(jù)庫對(duì)象邏輯上是存儲(chǔ)在表空間中，物理上是存儲(chǔ)在與表空間相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)文件中。

2、數(shù)據(jù)庫包含的文件種類：

1)數(shù)據(jù)庫文件：data/DB

數(shù)據(jù)庫對(duì)象，如：數(shù)據(jù)庫、表，索引，序列等對(duì)象。

2)控制文件：data/CTL

用來記錄數(shù)據(jù)庫集群的狀態(tài)信息，如：版本信息、集群所管理的各種文件信息、檢查點(diǎn)信息、事務(wù)狀態(tài)信息等。

3)日志文件：data/REDOLOG

記錄數(shù)據(jù)修改操作的日志，用于系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)。

4)臨時(shí)文件：data/DB

存放數(shù)據(jù)庫進(jìn)行計(jì)算的過程中，生成的各種中間對(duì)象，如排序運(yùn)算的外存歸并單元。

5)參數(shù)文件：data目錄下

五、Postgresql 底層存儲(chǔ)管理方式：

Postgresql的每個(gè)數(shù)據(jù)庫均存放在一個(gè)目錄中，以db_oid命名，該目錄中存放每個(gè)表對(duì)應(yīng)的文件，文件名以該數(shù)據(jù)表對(duì)應(yīng)的relfilenode_oid命名。當(dāng)表中的數(shù)據(jù)量足夠大，導(dǎo)致表文件的大小大于1GB的時(shí)候，postgresql會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建新的文件用于存放新插入的數(shù)據(jù)。新文件的名稱為： relfilenode_iod.1, relfilenode_iod.2 等。使用該策略是為了防止在某些文件系統(tǒng)中，最大支持文件尺寸不能大于1GB的情形。

db_oid, relfilenode_oid可以從pg_class系統(tǒng)表中查詢得出。

每個(gè)table對(duì)應(yīng)的文件內(nèi)部又按照Page的方式組織。每個(gè)Page的大小默認(rèn)為8KB。所以每個(gè)數(shù)據(jù)庫對(duì)應(yīng)文件的Disk 分布由下圖所示：

每個(gè)Page中包含Page Header以及Data段，Page Header中，pg_lower指向Free Space的起始地址，pg_upper指向Free Space的結(jié)束地址。

• Data 段中，包含有： ItemIdData 段，F(xiàn)ree Space段， Items段 以及Special space段。
• ItemIdData 段： Array of (offset,length) pairs pointing to the actual items. 4 bytes per item.
• Free Space 段：The unallocated space. New item pointers are allocated from the start of this area, new items from the end.
• Items 段： The actual items themselves.
• Special space 段： Index access method specific data. Different methods store different data. Empty in ordinary tables.
• Item的存儲(chǔ)是從pg_upper向pg_lower(類似堆)方向增長(zhǎng)。ItenIdData的存儲(chǔ)是從pg_lower向pg_upper方向增長(zhǎng)(類似棧)。