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存储架构

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专栏内容：
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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

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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

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。
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。
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_account(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_commit_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_commit_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

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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.com

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