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PostgreSQL進程和內存淺析

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PostgreSQL進程和內存淺析

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    本文主要是對 PostgreSQL 中的進程架構和內存架構做下簡單介紹，適用于初學者閱讀。

 


PART1

PostgreSQL的進程結構
PostgreSQL是具有多進程體系結構的客戶端/服務器類型的關系數據庫管理系統。
協作管理一個數據庫集群的多個進程的集合稱為“PostgreSQL服務器”，它主要包含以下3種類型的進程：
  • postgres server process：Postgres服務器進程，即守護進程，是數據庫集群管理的所有進程的父進程。
  • backend processes：后端進程，每個后端進程處理連接進來的客戶端發出的所有查詢和語句。
  • backgroud processes：后臺進程，每個后臺進程分別執行相應的功能（例如VACUUM和CHECKPOINT進程）以進行數據庫管理。
下面將分別對這三種進程進行介紹：
圖1.1.PostgreSQL進程結構示意圖
1.1 postgres server process
postgres server process，即postgres服務器進程，也叫守護進程，它是所有進程的父進程，早期的版本叫postmaster。其執行文件位于安裝目錄的bin目錄下：
當執行pg_ctl start，postgres服務器進程將會啟動。
然后，它從內存中分配一個shared memory area，啟動各種background processes后臺進程，并等待來自客戶端的連接請求，必要時還會啟動與復制相關的進程和后臺工作進程。每當接收到一個來自客戶端的連接請求時，它就會啟動（forks）一個backend process后端進程，啟動的后端進程將處理連接進來的客戶端發出的所有查詢。
1.2 backend processes
backend process，即后端進程（也稱為postgres），由postgres服務器進程啟動，并處理由一個連接的客戶端發出的所有查詢。它通過TCP協議與客戶端建立通信，并在客戶端斷開連接時終止。
PostgreSQL允許多個客戶端同時連接，連接數由max_connections參數控制（默認為100）。
PostgreSQL不具備本地連接池功能，如果許多客戶端（例如WEB應用程序）頻繁重復與PostgreSQL服務端進行連接和斷開連接，會增加數據庫的開銷，這會對數據庫服務器的性能產生負面影響，為了避免這種情況，通常使用中間件（pgbouncer 或pgpool-II）。
1.3 backgroud processes
下面是對相關的服務端后臺進程的介紹：
  • background writer(后臺寫進程)：定期將shared buffer pool中的臟數據寫到磁盤上的進程，checkpoint也會觸發這個過程，類似Oracle的dbwn進程。當插入或更新數據時，并不會馬上把數據持久化至數據文件中。
    這是基于提高插入、更新及刪除數據的性能考慮的，畢竟寫內存比寫硬盤會快很多。BgWriter會周期性的將內存中的臟塊刷新至磁盤，刷臟塊既不能太快也不能太慢。
    如果一個數據庫短時間內被修改多次，當刷新過快的情況下，它每次的修改都會保存至磁盤，這會導致I/O增加，從而影響性能。刷新過慢時，對于繁忙的數據庫而言，內存中存放大量的臟塊未刷新至磁盤，假設此時無可用內存，當有新的更新需要使用內存來保存從磁盤中讀取的數據塊時，需要等待臟塊刷新至磁盤把內存騰挪出來。
    這樣會導致更新需要等更長的時間。并且如果出現異常宕機的情況，重啟時需要恢復的那部分沒有刷新至磁盤的臟塊，也影響其故障恢復的時間。其機制由如下參數來控制：
  • Checkpointer進程：執行checkpoint，類似Oracle的ckpt
    autovacuum launcher進程：為vacuum process周期性的調用autovacuum work processes，用于舊數據的清除。
  • wal writer進程：將wal buffer的數據刷新到磁盤，WAL log另稱為預寫式日志。即在事務提交之前，必須將這些修改操作記錄到磁盤中。這樣就不需要實時地將臟數據持久化到磁盤。
    即便服務器突然宕機或數據庫異常宕掉，導致一部分內存中的臟塊未刷新至文件，在數據庫重啟后，通過讀取WAL日志，將這部分事務重放一遍就可以將數據庫恢復至宕機的時刻。
  • stats collector進程：收集統計信息，例如pg_stat_activity 和pg_stat_database的統計信息。
  • logging collector (logger)進程：將錯誤信息寫入到日志。
  • Archiver進程：將WAL log歸檔。
下面的示例展示了PostgreSQL服務器的進程信息，一個postgres server process守護進程，backend processes以及幾個background processes后臺進程正在運行。
一次PostgreSQL會話過程分解如下：
--客戶端調用libpq（數據庫應用連接接口庫，如JDBC,ODBC），將連接請求發送給守護進程；
--守護進程啟動（forks）一個新的后端進程postgres與客戶端應用連接；
--后端進程postgres直接與用戶通信，不再通過守護進程；
--后端進程postgres接收客戶端的查詢請求，完成并返回結果；
--客戶端每創建一個數據庫連接，守護進程就生成一個后端進程pstogres。

 


PART2

PostgreSQL的內存結構
PostgreSQL的內存結構分為兩部分：

  • Local memory area，由每個backend process后端進程分配以供其自己使用。

  • Shared memory area，由PostgreSQL server的所有服務進程共享使用的內存。

圖 2.1. PostgreSQL的內存結構
2.1 Local memory area 
每一個backend process后端進程都會分配一個local memory area, 每個local memory area又分為三部分：

2.2 Shared memory area 
shared memory area由PostgreSQL server的所有服務進程共享使用，這個區域在PostgreSQL server啟動的時候分配，它包括三個主要的緩沖區：

除此之外，PostgreSQL還在Shared memory area分配一些其他的內存區域：
  • 為各種訪問控制機制分配的子區域，例如輕量級鎖，共享鎖和排他鎖等。
  • 各種后臺進程的子區域，例如checkpointer和autovacuum。
  • 為事務處理提供的子區域，比如事務中的save-point，和二階段事務提交。
  • 其他。

 


END




本文作者：魏 斌

本文來源：IT那活兒（上海新炬王翦團隊）

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