PostgreSQL数据库管理第二章体系结构

PostgreSQL数据库管理第二章体系结构

概述

PostgreSQL是一个功能非常强大的、源代码开放的客户/服务器关系型数据库管理系统（RDBMS）。支持丰富的数据类型（如JSON和JSONB类型，数组类型）和自定义类型。PostgreSQL内存页面的默认大小是8kB。

PostgreSQL有以下主要特性：

1良好支持SQL语言，支持ACID、关联完整性、数据库事务、Unicode多国语言。

2高并发设计，读和写互不阻塞

3 支持大量类型的数据库模型：关系型，文档型（如JSON和JSONB类型，数组类型），Key/value类型。

2.1 PostgreSQL进程结构

PostgreSQL是一用户一进程的客户端/服务器的应用程序。数据库启动时会启动若干个进程，其中有postmaster（守护进程）、postgres（服务进程）、syslogger、checkpointer、bgwriter、walwriter等辅助进程。

2.1.1 postmaster（守护进程）

postmaster（守护进程）主要职责有：
1. 数据库的启停
2. 监听客户端连接
3. 为每个客户端连接fork单独的postgres服务进程
4. 当postgres服务进程出错时进行修复
5. 管理数据文件
6. 管理与数据库运行相关的辅助进程

2.1.2 服务进程Postgres

服务进程Postgres接受并执行客户端（比如psql，或用户应用程序通过JDBC等接口）发送的命令（交互式SQL查询）。它在底层模块（如存储、事务管理、索引等）之上调用各个主要的功能模块（如编译器、优化器、执行器等），完成客户端的各种数据库操作，并返回执行结果。

2.1.3 Syslogger（系统日志进程）

在配置文件Postgresql.conf中有很多与日志相关的参数，其中只有在参数logging_collect设置为on时，主进程才会启动syslogger辅助进程。

– 采集PostgreSQL的运行状态，并将运行日志写入日志文件

– logging_collector参数为on时启动，不建议关闭

– log_directory设定日志目录

– log_destination设定日志输出方式，甚至格式

– log_filename设定日志文件名

– log_truncate_on_rotation设定是否重复循环使用且删除日志

– log_rotation_age设定循环时间

– log_rotation_size设定循环的日志尺寸上线

2.1.6 辅助进程Checkpoint：

– 用于保证数据库的一致性

– 它会触发bgwriter和wal writer动作

– 拥有多个参数控制其启动的间隔

2.1.7 辅助进程Backgroup writer（后台写进程）：

在 PostgreSQL 中， Bgwriter 辅助进程是把共享内存中的脏页写到磁盘上的进程。当往数据库中插人或更新数据时，并不会马上把数据持久化到数据文件中。这主要是为了提高插人、更新、删除数据的性能二 Bgwriter 辅助进程可周期性地把内存中的脏数据刷新到磁盘中，刷脏数据既不能太快，也不能太慢如果一个数据块被改变了多次，而此时刷新又太快，那么这些改变就每次都会被保存到磁盘中，这会导致 1 / 0 次数增多。在刷新太慢的情况下，若有新的查询或更新需要使用内存来保存从磁盘中读取的数据块，由于没有空闲空间来存储这些数据块，就需要把内存腾出来，即先把一些内存中的脏页写到磁盘中，这样就会导致查询或更新需要等更长的时间，自然也就降低了性能 L 面提到的这些机制由以” ' bgwriter _ ”开头的配置参数来控制

– 工作任务是将shared buffer中的脏数据页写到磁盘文件中

– 使用LRU算法进行清理脏页

– 平时多在休眠，被激活时工作

2.1.8 辅助进程WAL writer（预写式日志）：

WAL是WriteAheadLog的缩写，中文称之为预写式日志。WALlog也被简称为xlog。

WalWriter进程就是写WAL日志的进程。预写式日志的概念就是在修改数据之前，必须要把这些修改操作记录到磁盘中，这样后面更新实际数据时，就不需要实时地把数据持久化到文件中了。即使机器突然宕机或数据库异常退出，导致一部分内存中的脏数据没有及时地刷新到文件中，在数据库重启后，通过读取WAL日志，并把最后一.部分的WAL日志重新执行一遍，就可以恢复到宕机时的状态。

WAL日志保存在pg_ xlog 下。每个xlog文件默认是16MB，为了满足恢复要求，在xlog 目录下会产生多个WAL日志，这样就可保证在宕机后，未持久化的数据都可以通过WAL日志来恢复，那些不需要的WAL日志将会被自动覆盖。

– 将预写日志写入磁盘文件

– 触发时机：

? WAL BUFFER满了

? 事务commit时；

? WAL writer进程到达间歇时间时；

? checkpoint发生时；

2.1.9 辅助进程Archiver（归档）：

– 用于将写满的WAL日志文件转移到归档目录，该进程只有在归档模式才会启用

WAL日志会被循环使用，也就是说，较早时间的WAL日志会被覆盖。PgArch归档进程会在覆盖前把WAL日志备份出来。PostgreSQL从8.X版本开始提供了PITR(Point-In-Time-Recoery)技术, 通俗的说，就是在对数据库进行过一次全量备份后，该技术将备份时间点之后的WAL日志通过归档进行备份，使用数据库的全量备份再加上后面产生的WAL日志，即可把数据库向前推到全量备份后的任意-一个时间点了。

2.1.10 辅助进程Statistics Collector（统计收集进程）：

– 统计信息的收集进程。收集表和索引的空间信息和元组信息等，甚至是表的访问信息。收集到的信息除了能被优化器使用以外，还有autovaccum也能利用，甚至给数据库管理员作为数据库管理的参考信息

2.1.11 辅助进程 Autovacuum launcher/workers（系统自动清理进程）：

– 自动清理垃圾回收进程

– 当参数autovacuum设为on的时候启用自动清理功能

– Launcher为清理的守护进程，每次启动的时候会调用一个或多个worker

– Worker是负责真正清理工作的进程，由autovacuum_max_workers参数设定其数量

在PostgreSQL数据库中，对表进行DELETE操作后，旧的数据并不会立即被删除。并且，在更新数据时，也并不会在旧的数据上做更新，而是新生成-行数据。这在前面“锁”相关章节中已有所介绍，称之为多版本。此时，旧的数据只是被标识为删除状态，只有在没有并发的其他事务读到这些旧数据时，它们才会被清除掉。这个清除工作就是由AutoVacuum进程来完成的。

2.2 PostgreSQL内存结构

PostgreSQL启动后，会生成-块共享内存，共享内存主要用做数据块的缓冲区，以便提高读写性能。WAL日志缓冲区和CLOG(Commit log)缓冲区也存在于共享内存中。除此以外，一些全局信息也保存在共享内存中，如进程信息、锁的信息、全局统计信息，等等。

2.2.1 共享内存

相当于oracle的SGA是一组共享内存结构，被所有的服务和后台进程所共享。当数据库实例启动时，系统全局区内存被自动分配。当数据库实例关闭时，SGA内存被回收。 SGA是占用内存最大的一个区域，同时也是影响数据库性能的重要因素。

Shared Buffer:

-用于缓存表和索引|的数据块

一数据的读写都是直接对BUFFER操作的，若所需的块不再缓存中，则需要从磁盘中读取

-在buffer中被修改过的，但又没有写到磁盘文件中的块被称之为脏块

-由shared buffers参数控制尺寸

WAL(Write Ahead Log) Buffer:

-预写日志缓存用于缓存增删改等写操作产生的事务日志

-由wal buffers参数控制尺寸

Clog Buffer:

-Commit Log Buffer是记录事务状态的日志缓存

2.2.2 本地内存

相当于Oracle的PGA

一个PGA是一块独占内存区域，Oracle进程以专有的方式用它来存放数据和控制信息。当Oracle进程启动时，PGA也就由Oracle数据库创建了。当用户进程连接到数据库并创建一个对应的会话时，Oracle服务进程会为这个用户专门设置一个PGA区，用来存储这个用户会话的相关内容。当这个用户会话终止时，系统会自动释放这个PGA区所占用的内存。

本地内存是服务器进程独占的内存结构，每个postgre子进程都会分配一-小块相应内存空间，随着连接会话的增加而增加，它不属于实例的一部分

work_ mem:用于排序的内存

maintenance work mem:用于内部运维工作的内存，如VACUUM垃圾回收、创建和重建索引等等

temp_ buffers: 用于存储临时表的数据

2.3 PostgreSQL逻辑结构

PostgreSQL的层级结构
1.逻辑层次关系
Database Cluster（instance）--》Database--》Schema--》Objects(Table)-->Tuples
2.物理层次关系
Database Cluster --》Tablespaces --》Files --》 Blocks

2.3.1 安装目录结构

PGHOME=/opt/pgsql11.4 是PostgreSQL安装软件的目录。

2.3.1 数据目录结构

一般使用环境变量PGDATA指向数据目录的根目录。这个目录是在安装时指定的，所以在安装时需要指定一个合适的目录作为数据目录的根目录，而且，每一个数据库实例都需要有这么一个目录。目录的初始化是使用initdb来完成的。完成后，这数据根目录下就会生成

三个配置文件。

postgresql. conf:数据库实例的主配置文件，基本上所有的配置参数都在此文件中。

pg_ hba.conf: 认证配置文件，配置了允许哪些IP的主机访问数据库，认证的方法是什么等信息。

pg_ ident.conf: “ident”认证方式的用户映射文件。

1 总体目录结构

base，global，logfile，pg_clog，pg_multixact，pg_notify

，pg_serial，pg_snapshots，pg_stat_tmp，pg_subtrans

，pg_tblspc，pg_twophase，PG_VERSION，pg_xlog

，postgresql.conf，pg_hba.conf，pg_ident.conf

base 目录用于存放数据库的所有实体文件。
下属子目录均以数据库OID命名。
数据库子目录下是以对象OID命名的文件。
PG VERSION是当前数据库数据格式对应的版本号。

名字以 fsm结尾的文件是数据文件对应的FSM(free

space map)文件,用位图方式来标识哪些block是空

闲的。

以vm结尾的文件是数据文件对应的VM(visibility

map),在做多版本并发控制时是通过在元组头上标识

“已无效”来实现删除或更新的，最后通过VACUUM

功能来清理无效数据回收空闲空间。

3 全局共享目录global

pg_ control

用于存储全局控制信息

pg_ filenode.map

用于将当前目录下系统表的OID与具体文件名

进行硬编码映射(每个用户创建的数据库目录

下也有同名文件)。

pg_ internal.init

用于缓存系统表，加快系统表读取速度(每个

用户创建的数据库目录下也有同名文件)。

全局系统表文件

数字命名的文件，用于存储系统表的内容。它;

们在pg_ class里的relfilenode都为0, 是靠

pg_ filenode.map将OID与文件硬编码映射。

4 其他常用目录

pg_ wal，WAL日志目录，非常重要
pg_ xact，Commit log目录,非常重要。V9版本以前为pg_ clog目录
pg_ hba.conf客户端认证配置文件，可以配置客户的连接协议、加密方式、ACL等等
postgresql.conf 该database cluster的配置文件,文本格式
postgresql.auto.conf，也是参数配置文件，所有通过alter命令修改的命令，都会保存在这个文件中，该文件中的参数将会覆盖，postgresql.conf文件相同参数的值，该文件为二进制
postmaster.pid，Postmaster主进程的操作系统PID，数据库实例正常启动以后就会生成该文件。

2. 4 表空间目录

2.4.1 概念

PostgreSQL中的表空间允许在文件系统中定义用来存放表示数据库对象的文件的位置。在PostgreSQL中表空间实际上就是给表指定一个存储目录，能合理利用磁盘性能和空间,制定最优的物理存储方式来管理数据库表和索引。

在DB2和Oracle数据库中；一个表空间只属于一个数据库使用；而一个数据库可以拥有多个表空间。属于"一对多"的关系

在PostgreSQL集群中；一个表空间可以让多个数据库使用；而一个数据库可以使用多个表空间。属于"多对多"的关系。

2.4.2 建立表空间

建立空目前，权限属于postgres:postgres

[root@pg12m ~]# mkdir -p /db/pg12/db/syjtp

[root@pg12m ~]# chown -R postgres:postgres /db/pg12/db/syjtp

postgres=# create user syj with password 'syjjjj';

CREATE ROLE

postgres=# GRANT ALL PRIVILEGES ON DATABASE postgres to syj;

GRANT

同上

[root@pg12m ~]# adduser syj

[root@pg12m ~]# passwd syj

CREATE TABLESPACE tablespace_name [ OWNER { new_owner | CURRENT_USER | SESSION_USER } ] LOCATION 'directory'

postgres=# create tablespace syjtp owner syj location '/db/pg12/db/syjtp';

WARNING: tablespace location should not be inside the data directory

CREATE TABLESPACE

1 表空间权限给其他用户

GRANT CREATE ON TABLESPACE syjtp TO jjj;

2.4.3 为数据库指定默认新表空间

ALTER DATABASE name SET TABLESPACE new_tablespace

注意1：执行该操作；不能连着对应数据库操作

注意2：执行该操作；对应的数据库不能存在表或者索引已经指定默认的表空间

注意3：执行该操作；必须是没有人连着对应的数据库

ALTER DATABASE lottu01 SET TABLESPACE tsp01;

2.4.4 表从一个表空间移到另一个表空间

ALTER TABLE name SET TABLESPACE new_tablespace

将表从一个表空间移到另一个表空间

syj=# create table jjj(id int) tablespace tp_lottu;

CREATE TABLE

syj=# alter table jjj set tablespace tsp01;

ALTER TABLE

2.4.5 查看表空间

表空间pg_default是用来存储系统目录对象、用户表、用户表index、和临时表、临时表index、内部临时表的默认空间。对应存储目录$PADATA/base/

表空间pg_global用来存放系统字典表；对应存储目录$PADATA/global/

postgres=# \db

List of tablespaces

Name | Owner | Location

------------+----------+----------

pg_default | postgres |

pg_global | postgres |

(2 rows)

postgres=# select * from pg_tablespace;

oid | spcname | spcowner | spcacl | spcoptions

------+------------+----------+--------+------------

1663 | pg_default | 10 | |

1664 | pg_global | 10 | |

(2 rows)

2.5 PG数据库模式模式（SCHEMA）

PostgreSQL 模式（SCHEMA）可以看着是一个表的集合。

一个模式可以包含视图、索引、据类型、函数和操作符等。

相同的对象名称可以被用于不同的模式中而不会出现冲突，例如 schema1 和 myschema 都可以包含名为 mytable 的表。

使用模式的优势：

允许多个用户使用一个数据库并且不会互相干扰。

将数据库对象组织成逻辑组以便更容易管理。

第三方应用的对象可以放在独立的模式中，这样它们就不会与其他对象的名称发生冲突

2.7 常用系统表与系统函数

2.7.1 查看数据库

T_STATION=# select * from pg_database;

postgres=# select oid,datname from pg_database;

oid | datname

-------+-----------

1 | template1

13590 | template0

13591 | postgres

16388 | lovegril

16389 | lovemoney

T_STATION=# \l

数据库在这个目录下

[postgres@pg12m base]$ pwd

/db/pg12/db/base

[postgres@pg12m base]$ ll

总用量 36

drwx------ 2 postgres postgres 8192 4月 18 17:52 1

drwx------ 2 postgres postgres 8192 4月 18 17:52 13590

drwx------ 2 postgres postgres 8192 4月 19 22:22 13591

2.X 实验理解数据库-用户-表空间-模式概念

在PostgreSQL集群中；一个表空间可以让多个数据库使用；而一个数据库可以使用多个表空间。属于"多对多"的关系。

用户下面拥有表，拥有模式。模式下面拥有表空间。

2.X.1实验材料准备

1 建立两个用户

postgres=# create user syj with password 'syj1985';

CREATE ROLE

postgres=# create user jjj with password 'jjj1988';

CREATE ROLE

[root@pg12m ~]# adduser syj

[root@pg12m ~]# passwd syj

[root@pg12m ~]# adduser jjj

[root@pg12m ~]# passwd jjj

adduser syj

passwd syj

adduser jjj

passwd jjj

postgres=# grant all privileges on database postgres to jjj;

postgres=# grant all privileges on database postgres to syj;

建立用户的时候，也可以建立超级用户，但是不推荐。

[postgres@pg12m ~]$ psql -h 192.168.247.129 -p 5432 -d postgres -U syj

psql (12.2)

Type "help" for help.

postgres=>

2 建立两个表空间

建立表空间必须制定制定所有者，必须是超级用户建立。

[root@pg12m ~]# mkdir -p /db/pg12/db/syjtp

[root@pg12m ~]# mkdir -p /db/pg12/db/jjjtp

[root@pg12m ~]# chown -R postgres:postgres /db/pg12/db/*tp

postgres=> create tablespace syjtp location '/db/pg12/db/syjtp';

ERROR: permission denied to create tablespace "syjtp"

HINT: Must be superuser to create a tablespace.

postgres=> create tablespace syjtp owner syj location '/db/pg12/db/syjtp';

ERROR: permission denied to create tablespace "syjtp"

HINT: Must be superuser to create a tablespace.

postgres=# create tablespace syjtp owner syj location '/db/pg12/db/syjtp';

WARNING: tablespace location should not be inside the data directory

CREATE TABLESPACE

postgres=# create tablespace jjjtp owner jjj location '/db/pg12/db/jjjtp';

WARNING: tablespace location should not be inside the data directory

CREATE TABLESPACE

3建立两个数据库

postgres=# create database lovegril owner syj tablespace syjtp;

CREATE DATABASE

postgres=# create database lovemoney owner jjj tablespace jjjtp;

CREATE DATABASE

4 建立两个模式

在lovegril数据库下为syj用户创建一个模式nettoll。为jjj用户创建一个模式nettoll1。

lovegril=# create schema nettoll authorization syj;

CREATE SCHEMA

lovegril=# create schema nettoll1 authorization syj;

CREATE SCHEMA

在lovemoney数据库下为syj用户创建一个模式nettoll。为jjj用户创建一个模式nettoll1。

lovemoney=# create schema nettoll authorization jjj;

CREATE SCHEMA

lovemoney=# create schema nettoll1 authorization jjj;

CREATE SCHEMA

5 建立2个表

lovemoney=# create table nettoll.jjjtest (id int, lovemonkey text,c_time timestamp) tablespace jjjtp;

CREATE TABLE

lovegril=# create table nettoll.syjtest (id int, lovegril text,c_time timestamp) tablespace syjtp;

CREATE TABLE

码农家园

PostgreSQL数据库管理第二章体系结构

2.1.1 postmaster（守护进程）

2.1.2 服务进程Postgres

2.1.3 Syslogger（系统日志进程）

2.1.6 辅助进程Checkpoint：

2.1.7 辅助进程Backgroup writer（后台写进程）：

2.1.8 辅助进程WAL writer（预写式日志）：

2.1.9 辅助进程Archiver（归档）：

2.1.10 辅助进程Statistics Collector（统计收集进程）：

2.1.11 辅助进程 Autovacuum launcher/workers（系统自动清理进程）：

2.2.1 共享内存

2.2.2 本地内存

2.3.1 安装目录结构

2.3.1 数据目录结构

1 总体目录结构

2 base 目录实体文件目录

3 全局共享目录global

4 其他常用目录

2.4.1 概念

2.4.2 建立表空间

1 表空间权限给其他用户

2.4.3 为数据库指定默认新表空间

2.4.4 表从一个表空间移到另一个表空间

2.4.5 查看表空间

2.7.1 查看数据库

2.X.1实验材料准备

1 建立两个用户

2 建立两个表空间

3建立两个数据库

4 建立两个模式

5 建立2个表