如何從零學習PostgreSQL Page結構

作者 | 李亮，雲和恩墨西區交付工程師，長期服務於運營商、社保、銀行、醫院、公積金等行業，擅長資料庫備份恢復，升級遷移，效能最佳化，sql最佳化。

導讀：PostgreSQL 號稱是“世界上最先進的開源資料庫”（The world's most advanced open source database），在DB-Engines的排名中長期處於第四的位置，並且增長趨勢明顯。開源的優勢就是可以直接閱讀原始碼，本文透過原始碼結合pageinspect對pg的page結構進行解析和學習。

一、Page

pg中的page和Oracle中的資料塊一樣，指的是資料庫的塊，作業系統塊的整數倍個，預設是8K也就是兩個作業系統塊（4k的檔案系統塊）。這個大小在pg編譯安裝configure的時候透過--with-blocksize引數指定，單位是Kb。

二、Page的內部結構

2.1 page結構

如何從零學習PostgreSQL Page結構

2.2 PageHeaderData資料結構（頁頭）

可以看到一個Page有 Pager header（頁頭），後面是linp（行指標），pd_lower和pd_upper分別是空閒空間的開始位置和結束位置；後面就是行資料（pg裡面的行就是tuple）和special空間。整個page的結構比Oracle的資料塊結構簡單多了。

typedef struct PageHeaderData
{
    /* XXX LSN is member of *any* block, not only page-organized ones */
    PageXLogRecPtr pd_lsn;      /* LSN: next byte after last byte of xlog
                                 * record for last change to this page */
    uint16      pd_checksum;    /* checksum */
    uint16      pd_flags;       /* flag bits, see below */
    LocationIndex pd_lower;     /* offset to start of free space */
    LocationIndex pd_upper;     /* offset to end of free space */
    LocationIndex pd_special;   /* offset to start of special space */
    uint16      pd_pagesize_version;
    TransactionId pd_prune_xid; /* oldest prunable XID, or zero if none */
    ItemIdData  pd_linp[FLEXIBLE_ARRAY_MEMBER]; /* line pointer array */
} PageHeaderData;

具體的長度和描述也都有詳細說明：

Field	Type	Length	Description
pd_lsn	PageXLogRecPtr	8 bytes	LSN: next byte after last byte of WAL record for last change to this page
pd_checksum	uint16	2 bytes	Page checksum
pd_flags	uint16	2 bytes	Flag bits
pd_lower	LocationIndex	2 bytes	Offset to start of free space
pd_upper	LocationIndex	2 bytes	Offset to end of free space
pd_special	LocationIndex	2 bytes	Offset to start of special space
pd_pagesize_version	uint16	2 bytes	Page size and layout version number information
pd_prune_xid	TransactionId	4 bytes	Oldest unpruned XMAX on page, or zero if none

簡單來說，pd_lsn是指最後修改過這個page的lsn（log sequence number），這個和wal（write ahead log，同oracle redo）中記錄的lsn一致。資料落盤時redo必須先刷到wal，這個pd_lsn就記錄了最後data落盤時的相關redo的lsn。

pd_checksum是校驗和，在initdb初始化例項的時候透過-k引數指定開啟，預設是關閉的，initdb之後不能修改，它基於FNV-1a hash演算法，做了相應的更改。這個校驗和與Oracle的checksum一樣用於資料塊在讀入和寫出記憶體時的校驗。比如我們在記憶體中修改了一個資料塊，寫入到磁碟的時候，在記憶體裡面先計算好checksum，資料塊寫完後再計算一遍cheksum是否和之前在記憶體中的一致，確保整個寫出過程沒有出錯，保護資料結構不被破壞。

pd_flags有以下的值：

/*
* pd_flags contains the following flag bits. Undefined bits are initialized
* to zero and may be used in the future.
*
* PD_HAS_FREE_LINES is set if there are any LP_UNUSED line pointers before
* pd_lower. This should be considered a hint rather than the truth, since
* changes to it are not WAL-logged.
*
* PD_PAGE_FULL is set if an UPDATE doesn't find enough free space in the
* page for its new tuple version; this suggests that a prune is needed.
* Again, this is just a hint.
*/
#define PD_HAS_FREE_LINES   0x0001  /* are there any unused line pointers? */
#define PD_PAGE_FULL        0x0002  /* not enough free space for new tuple? */
#define PD_ALL_VISIBLE      0x0004  /* all tuples on page are visible to
                                     * everyone */

#define PD_VALID_FLAG_BITS  0x0007  /* OR of all valid pd_flags bits */

pd_lower和pd_upper分別表示空閒空間起始位置和結束位置；pd_special在索引page才有效；pd_pagesize_version是page大小和page version的儲存位，在不同資料庫版本中，page version不一樣：

資料庫版本	pd_pagesize_version
<7.3	0
7.3 & 7.4	1
8.0	2
8.1	3
>8.3	4

prune_xid表示這個page上最早刪除或者修改tuple的事務id，在vacuum操作的時候會用到。（pg沒有undo，舊的資料也在page中，用vacuum來清理）

2.3 linp結構（行指標）

如何從零學習PostgreSQL Page結構

lp_off是tuple的開始的偏移量；lp_flags是標誌位；lp_len記錄了tuple的長度。

Field	Length	Description
lp_off	15 bits	offset to tuple
lp_flags	2 bits	State of iteam pointer
lp_len	15 bits	Byte length of tuple

2.4 tuple header結構（行頭）

typedef struct HeapTupleFields

{

TransactionId t_xmin; /* inserting xact ID */

TransactionId t_xmax; /* deleting or locking xact ID */

union

{

CommandId t_cid; /* inserting or deleting command ID, or both */

TransactionId t_xvac; /* old-style VACUUM FULL xact ID */

} t_field3;

} HeapTupleFields;

typedef struct DatumTupleFields

{

int32 datum_len_; /* varlena header (do not touch directly!) */

int32 datum_typmod; /* -1, or identifier of a record type */

Oid datum_typeid; /* composite type OID, or RECORDOID */

/*

* Note: field ordering is chosen with thought that Oid might someday

* widen to 64 bits.

*/

} DatumTupleFields;

struct HeapTupleHeaderData

{

union

{

HeapTupleFields t_heap;

DatumTupleFields t_datum;

} t_choice;

ItemPointerData t_ctid; /* current TID of this or newer tuple (or a

* speculative insertion token) */

/* Fields below here must match MinimalTupleData! */

uint16 t_infomask2; /* number of attributes + various flags */

uint16 t_infomask; /* various flag bits, see below */

uint8 t_hoff; /* sizeof header incl. bitmap, padding */

/* ^ - 23 bytes - ^ */

bits8 t_bits[FLEXIBLE_ARRAY_MEMBER]; /* bitmap of NULLs */

/* MORE DATA FOLLOWS AT END OF STRUCT */

};

（*這部分程式碼在src/include/access/htup_details.h）

也有對應的長度和描述的相詳細說明：

Field	Type	Length	Description
t_xmin	TransactionId	4 bytes	insert XID stamp
t_xmax	TransactionId	4 bytes	delete XID stamp
t_cid	CommandId	4 bytes	insert and/or delete CID stamp (overlays with t_xvac)
t_xvac	TransactionId	4 bytes	XID for VACUUM operation moving a row version
t_ctid	ItemPointerData	6 bytes	current TID of this or newer row version
t_infomask2	uint16	2 bytes	number of attributes, plus various flag bits
t_infomask	uint16	2 bytes	various flag bits
t_hoff	uint8	1 byte	offset to user data

union是共享結構體，起作用的變數是最後一次賦值的成員。來看看tuple header的結構。

在HeapTupleFields中，t_xmin是插入這行tuple的事務id；t_xmax是刪除或者鎖住tuple的事務id；union結構中的t_cid是刪除或者插入這個tuple的命令id，也就是命令序號；t_xvac是以前格式的vacuum full用到的事務id。

在DatumTupleFields中，datum_len_ 指tuple的長度；datum_typmod是記錄的type；datum_typeid是記錄的id。

頁頭HeapTupleHeaderData包含了union結構體中的兩個變數HeapTupleFields和DatumTupleFields。t_ctid是tuple id，類似oracle的rowid，形式為（塊號，行號）。

t_infomask2 表示屬性和標誌位

t_infomask 是flag標誌位，具體值如下：

/*

* information stored in t_infomask:

*/

#define HEAP_HASNULL 0x0001 /* has null attribute(s) */

#define HEAP_HASVARWIDTH 0x0002 /* has variable-width attribute(s) */

#define HEAP_HASEXTERNAL 0x0004 /* has external stored attribute(s) */

#define HEAP_HASOID 0x0008 /* has an object-id field */

#define HEAP_XMAX_KEYSHR_LOCK 0x0010 /* xmax is a key-shared locker */

#define HEAP_COMBOCID 0x0020 /* t_cid is a combo cid */

#define HEAP_XMAX_EXCL_LOCK 0x0040 /* xmax is exclusive locker */

#define HEAP_XMAX_LOCK_ONLY 0x0080 /* xmax, if valid, is only a locker */

/* xmax is a shared locker */

#define HEAP_XMAX_SHR_LOCK (HEAP_XMAX_EXCL_LOCK | HEAP_XMAX_KEYSHR_LOCK)

#define HEAP_LOCK_MASK (HEAP_XMAX_SHR_LOCK | HEAP_XMAX_EXCL_LOCK | \

HEAP_XMAX_KEYSHR_LOCK)

#define HEAP_XMIN_COMMITTED 0x0100 /* t_xmin committed */

#define HEAP_XMIN_INVALID 0x0200 /* t_xmin invalid/aborted */

#define HEAP_XMIN_FROZEN (HEAP_XMIN_COMMITTED|HEAP_XMIN_INVALID)

#define HEAP_XMAX_COMMITTED 0x0400 /* t_xmax committed */

#define HEAP_XMAX_INVALID 0x0800 /* t_xmax invalid/aborted */

#define HEAP_XMAX_IS_MULTI 0x1000 /* t_xmax is a MultiXactId */

#define HEAP_UPDATED 0x2000 /* this is UPDATEd version of row */

#define HEAP_MOVED_OFF 0x4000 /* moved to another place by pre-9.0

* VACUUM FULL; kept for binary

* upgrade support */

#define HEAP_MOVED_IN 0x8000 /* moved from another place by pre-9.0

* VACUUM FULL; kept for binary

* upgrade support */

#define HEAP_MOVED (HEAP_MOVED_OFF | HEAP_MOVED_IN)

#define HEAP_XACT_MASK 0xFFF0 /* visibility-related bits */

t_hoff表示tuple header的長度

t_bits記錄了tuple中null值的列

三、實驗

3.1 安裝pageinspect

它在原始碼的crontrib目錄下面

postgres@cs-> cd postgresql-10.4/contrib/pageinspect

make && make install

postgres@cs-> make

postgres@cs-> make install

create extension就好了

postgres@cs-> psql

psql (10.4)

Type "help" for help.

postgres=# CREATE EXTENSION pageinspect;

CREATE EXTENSION

postgres=# \x

Expanded display is on.

postgres=# \dx

List of installed extensions

-[ RECORD 1 ]------------------------------------------------------

Name | pageinspect

Version | 1.6

Schema | public

Description | inspect the contents of database pages at a low level

-[ RECORD 2 ]------------------------------------------------------

Name | plpgsql

Version | 1.0

Schema | pg_catalog

Description | PL/pgSQL procedural language

3.2 建立建測試表t1，插入資料

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這裡可以看到1000行資料用了6個資料塊來儲存（這裡資料塊從0開始），第6個資料塊包含了73條記錄（tuple）

3.3 Pageinspect檢視page

這裡我們透過兩個函式來檢視

page_header 可以看到頁頭的資料

heap_pageitems 可以看到具體tuple的資料

3.3.1 page_header

可以看到第0個page的pd_lsn為0/1671188，checksum和flags都是0，這裡沒有開啟checksum；tuple開始偏移是772（pd_lower），結束偏移是784（pd_upper），這個page是個表，所以它沒有special，我們看到的sepcial就是8192了；pagesize是8192就是8K，version是4，沒有需要清理的tuple，所以儲存需要清理的tuple的最早事務的id就是0（prune_xid）。

3.3.2 heap_page_items

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我們來看一行記錄，可以看到它是第1行記錄（lp=1），tuple的開始偏移量8160（lp_off）,tuple的長度是32 bytes（lp_len為32，這個tuple是第一個插入的tuple，所以lp_off+lp_len=8160+32=8192），這行記錄的插入事務id是557（t_min），和tuple的刪除事務id是0（tmax），這裡資料沒有被刪除，所以都是0。我們還可以看到t_ctid是（0,1），這裡表示這個tuple是這個page中第一個塊的第一條tuple；tinfomask2是2，t_infomask為2306，十六進位制就是 0x0902 ，這個我們可以根據上面提到的值去看看具體的含義，0x0902 = 0x0100 + 0x0800 +0x0002；tuple頭部結構（行頭）的長度是24（t_hoff），t_data就是16進位制儲存的真正的資料了。

3.4 刪除一行資料觀察prune_xid

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我們刪除一行tuple可以看到prune_xid有了值，為559，這個559就是刪除這個tuple的事務id（當前最早的刪除或更改了tuple的事務id）

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同樣，我們可以看到lp為1的這個tuple的t_xmax為559，這裡就是刪除這行tuple的事務id。

PostgreSQL Page的物理結構相比Oracle的資料塊來說簡單很多了，原始碼開放也便於學習和研究，pg是個很好很強大的資料庫，值得好好學習。

原創：李亮

如何從零學習PostgreSQL Page結構

一、Page

二、Page的內部結構

2.1 page結構

2.3 linp結構（行指標）

2.4 tuple header結構（行頭）

三、實驗

3.1 安裝pageinspect

3.3 Pageinspect檢視page

3.3.1 page_header

3.3.2 heap_page_items

3.4 刪除一行資料觀察prune_xid

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