PostgreSQL Page頁結構解析（4）- 執行DML時表佔用空間解析

本文介紹了在長事務（開啟事務，一直不提交/回滾）的情況下，透過使用pageinspect外掛分析Update資料表導致資料表佔用空間“暴漲”的原因。

一、測試場景

使用psql啟動會話Session B

testdb=# --------------------------- Session B
testdb=# -- 開啟事務
testdb=# begin;
BEGIN
testdb=# 
testdb=# select txid_current();  
 txid_current 
--------------
      1600322
(1 row)

testdb=# -- 建立表&插入100行資料
testdb=# drop table if exists t1;
DROP TABLE
testdb=# create table t1(id int,c1 varchar(50));
CREATE TABLE
testdb=# insert into t1 select generate_series(1,100),'#abcd#';
INSERT 0 100
testdb=# select txid_current();  
 txid_current 
--------------
      1600322
(1 row)

testdb=# select count(*) from t1;
 count 
-------
   100
(1 row)

testdb=# 
testdb=# -- 提交事務
testdb=# end;
COMMIT
testdb=# 

開啟新的Console建立，使用psql啟動會話Session A

testdb=# --------------------------- Session A
testdb=# -- 開啟事務
testdb=# begin;
BEGIN
testdb=# 
testdb=# -- 查詢當前事務
testdb=# select txid_current();  
 txid_current 
--------------
      1600324
(1 row)

testdb=# 
testdb=# -- do nothing

雖然什麼都不做，但Session A仍然可以開啟一個事務，在這裡這個事務一直不提交。
回到Session B，檢視資料表t1的資料：

testdb=# --------------------------- Session B
testdb=# -- 檢視資料表
testdb=# select ctid, xmin, xmax, cmin, cmax,id from t1 limit 8;
 ctid  |  xmin   | xmax | cmin | cmax | id 
-------+---------+------+------+------+----
 (0,1) | 1600322 |    0 |    4 |    4 |  1
 (0,2) | 1600322 |    0 |    4 |    4 |  2
 (0,3) | 1600322 |    0 |    4 |    4 |  3
 (0,4) | 1600322 |    0 |    4 |    4 |  4
 (0,5) | 1600322 |    0 |    4 |    4 |  5
 (0,6) | 1600322 |    0 |    4 |    4 |  6
 (0,7) | 1600322 |    0 |    4 |    4 |  7
 (0,8) | 1600322 |    0 |    4 |    4 |  8
(8 rows)

testdb=# -- 檢視資料佔用空間
testdb=# \set v_tablename t1
testdb=# SELECT pg_size_pretty( pg_total_relation_size(:'v_tablename') );
 pg_size_pretty 
----------------
 8192 bytes
(1 row)

testdb=# -- page_header
testdb=# SELECT * FROM page_header(get_raw_page('t1', 0));
    lsn     | checksum | flags | lower | upper | special | pagesize | version | prune_xid 
------------+----------+-------+-------+-------+---------+----------+---------+-----------
 1/4476E4A0 |        0 |     0 |   424 |  4192 |    8192 |     8192 |       4 |         0
(1 row)

再開啟一個Shell視窗，使用pgbench持續不斷的更新t1，在此過程進行資料分析。

[xdb@localhost benchmark]$ cat update.sql 
\set rowid random(1,100)
begin;
update t1 set c1=:rowid where id= :rowid;
end;

[xdb@localhost benchmark]$ pgbench -c 2 -C -f ./update.sql -j 1 -n -T 600 -U xdb testdb

二、資料分析

下面透過pageinspect外掛分析t1資料頁中的資料。

testdb=# \set v_tablename t1
testdb=# 
testdb=# SELECT pg_size_pretty( pg_total_relation_size(:'v_tablename') );
 pg_size_pretty 
----------------
 160 kB
(1 row)

testdb=# -- 檢視第0個資料頁的頭部資料和使用者資料
testdb=# SELECT * FROM page_header(get_raw_page('t1', 0));
    lsn     | checksum | flags | lower | upper | special | pagesize | version | prune_xid 
------------+----------+-------+-------+-------+---------+----------+---------+-----------
 1/44787990 |        0 |     2 |   840 |   864 |    8192 |     8192 |       4 |   1600325
(1 row)

testdb=# select * from heap_page_items(get_raw_page('t1',0)) limit 10;
 lp | lp_off | lp_flags | lp_len | t_xmin  | t_xmax  | t_field3 | t_ctid  | t_infomask2 | t_infomask | t_hoff | t_bits | t_oid |          t_data          
----+--------+----------+--------+---------+---------+----------+---------+-------------+------------+--------+--------+-------+--------------------------
  1 |   8152 |        1 |     35 | 1600322 | 1600365 |        0 | (0,141) |       16386 |       1282 |     24 |        |       | \x010000000f236162636423
  2 |   8112 |        1 |     35 | 1600322 | 1600325 |        0 | (0,101) |       16386 |       1282 |     24 |        |       | \x020000000f236162636423
  3 |   8072 |        1 |     35 | 1600322 | 1600421 |        0 | (0,197) |       16386 |       1282 |     24 |        |       | \x030000000f236162636423
  4 |   8032 |        1 |     35 | 1600322 | 1600435 |        0 | (1,7)   |           2 |       1282 |     24 |        |       | \x040000000f236162636423
  5 |   7992 |        1 |     35 | 1600322 | 1600474 |        0 | (1,46)  |           2 |       1282 |     24 |        |       | \x050000000f236162636423
  6 |   7952 |        1 |     35 | 1600322 | 1600538 |        0 | (1,110) |           2 |       1282 |     24 |        |       | \x060000000f236162636423
  7 |   7912 |        1 |     35 | 1600322 | 1600396 |        0 | (0,172) |       16386 |       1282 |     24 |        |       | \x070000000f236162636423
  8 |   7872 |        1 |     35 | 1600322 | 1600331 |        0 | (0,107) |       16386 |       1282 |     24 |        |       | \x080000000f236162636423
  9 |   7832 |        1 |     35 | 1600322 | 1600531 |        0 | (1,103) |           2 |       1282 |     24 |        |       | \x090000000f236162636423
 10 |   7792 |        1 |     35 | 1600322 | 1600413 |        0 | (0,189) |       16386 |       1282 |     24 |        |       | \x0a0000000f236162636423
(10 rows)

testdb=# -- 再次檢視空間佔用
testdb=# SELECT pg_size_pretty( pg_total_relation_size(:'v_tablename') );
 pg_size_pretty 
----------------
 360 kB
(1 row)

可以看出，資料表佔用空間一直在增長，已遠遠超出一個資料頁的範圍。同時，我們注意到t_xmax、t_infomask2、t_infomask中的部分值與先前首次插入的資料的取值不同。
t_xmax
該值 > 0，表示該行資料已廢棄，該值為delete/update操作的事務號
t_infomask2
該值為16386，轉換為十六進位制顯示：

[xdb@localhost benchmark]$ echo "obase=16;16386"|bc
4002

前（低）11位表示屬性個數，值為2，也就是說資料表有2個屬性（欄位）；\x4000表示HEAP_HOT_UPDATED，官方解釋如下：

An updated tuple, for which the next tuple in the chain is a heap-only tuple. Marked with HEAP_HOT_UPDATED flag.

t_infomask
該值為1282，轉換為十六進位制顯示：

[xdb@localhost benchmark]$ echo "obase=16;1282"|bc
502

\0x0502 = HEAP_XMIN_COMMITTED | HEAP_XMAX_COMMITTED
意思是插入資料的事務和更新（或刪除）的事務均已提交。

三、空間回收

資料表t1不管如何Update，實際的資料行數只有100行，大小遠不到8K，但為何佔用了幾百KB的空間？原因是PG為了MVCC（多版本併發控制）的需要保留了更新前的“垃圾”資料，這些垃圾資料可以透過vacuum機制定期清理這些垃圾資料。但在本例中，由於“長”事務的存在，垃圾資料不能正常清理。

testdb=# SELECT pg_size_pretty( pg_total_relation_size(:'v_tablename') );
 pg_size_pretty 
----------------
 472 kB
(1 row)

testdb=# vacuum t1;
VACUUM
testdb=# SELECT pg_size_pretty( pg_total_relation_size(:'v_tablename') );
 pg_size_pretty 
----------------
 472 kB
(1 row)

testdb=# vacuum full;
VACUUM
testdb=# SELECT pg_size_pretty( pg_total_relation_size(:'v_tablename') );
 pg_size_pretty 
----------------
 472 kB
(1 row)

使用命令vacuum t1和vacuum full均不能正常回收垃圾資料，原因是PG認為這些垃圾資料對於正在活動中的事務（Session A）是可見的。
我們回顧一下，Session A的事務號：1600324，Session B插入資料時的事務號：1600322，更新資料時的事務號 > 1600324，Session A（活動事務）查詢t1時，透過PG的snapshot機制實現“一致性”讀。PG的snapshot可以透過txid_current_snapshot函式獲得：

testdb=# select txid_current_snapshot();
  txid_current_snapshot  
-------------------------
 1600324:1612465:1600324
(1 row)

返回值分為三部分，分別是xin、xmax和xip_list：

格式：xin:xmax:xip_list
xin：Earliest transaction ID (txid) that is still active. 未提交併活躍的事務中最小的XID
xmax：First as-yet-unassigned txid. All txids greater than or equal to this are not yet started as of the time of the snapshot, and thus invisible.所有已提交事務中最大的XID + 1
xip_list：Active txids at the time of the snapshot. All of them are between xmin and xmax. A txid that is xmin <= txid < xmax and not in this list was already completed at the time of the snapshot, and thus either visible or dead according to its commit status.

資料行中的xin和xmax符合條件xmax>活動事務號xid（1600324）>xin的所有記錄均不能被回收！

testdb=# --------------------------- Session B
testdb=# vacuum t1;
VACUUM
testdb=# SELECT pg_size_pretty( pg_total_relation_size(:'v_tablename') );
 pg_size_pretty 
----------------
 472 kB
(1 row)

testdb=# vacuum full;
VACUUM
testdb=# SELECT pg_size_pretty( pg_total_relation_size(:'v_tablename') );
 pg_size_pretty 
----------------
 472 kB
(1 row)

反之，活動事務提交後，垃圾資料佔用的空間可正常回收：

testdb=# --------------------------- Session A
testdb=# -- 結束事務
testdb=# end;
COMMIT

執行vacuum命令回收垃圾資料：

testdb=# --------------------------- Session B
testdb=# vacuum t1;
VACUUM
testdb=# SELECT pg_size_pretty( pg_total_relation_size(:'v_tablename') );
 pg_size_pretty 
----------------
 472 kB
(1 row)
testdb=# vacuum full;

VACUUM
testdb=# SELECT pg_size_pretty( pg_total_relation_size(:'v_tablename') );
 pg_size_pretty 
----------------
 8192 bytes
(1 row)

透過vacuum t1命令還不能回收資料？為什麼？請注意t_infomask2標誌HEAP_HOT_UPDATED，簡單來說，在update chain中的data不會回收，由於涉及到HOT機制，詳細後續再解析。

四、小結

主要有三點需要總結：
1、保留原資料：PG沒有回滾段，在執行更新/刪除操作時並沒有真正的更新和刪除，而是保留原有資料，在合適的時候透過vacuum機制清理垃圾資料；
2、避免長事務：為了避免垃圾資料暴漲，在業務邏輯允許的情況下應儘可能的儘快提交事務，避免長事務的出現；
3、查詢操作：使用JDBC驅動或者其他驅動連線PG，如明確知道只執行查詢操作，請開啟自動提交事務。