如何從零學習PostgreSQL Page結構
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，本文通過原始碼結合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的時候通過--with-blocksize引數指定，單位是Kb。
二、Page的內部結構
2.1 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 */
uint16pd_checksum;/* checksum */
uint16pd_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 */
uint16pd_pagesize_version;
TransactionId pd_prune_xid; /* oldest prunable XID, or zero if none */
ItemIdDatapd_linp[FLEXIBLE_ARRAY_MEMBER]; /* line pointer array */
} PageHeaderData;
具體的長度和描述也都有詳細說明：
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初始化例項的時候通過-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數據塊，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_LINES0x0001/* are there any unused line pointers? */ #define PD_PAGE_FULL0x0002/* not enough free space for new tuple? */ #define PD_ALL_VISIBLE0x0004/* all tuples on page are visible to * everyone */ #define PD_VALID_FLAG_BITS0x0007/* 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：
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）
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。
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
{
CommandIdt_cid;/* inserting or deleting command ID, or both */
TransactionId t_xvac;/* old-style VACUUM FULL xact ID */
}t_field3;
} HeapTupleFields;
typedef struct DatumTupleFields
{
int32datum_len_;/* varlena header (do not touch directly!) */
int32datum_typmod;/* -1, or identifier of a record type */
Oiddatum_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! */
uint16t_infomask2;/* number of attributes + various flags */
uint16t_infomask;/* various flag bits, see below */
uint8t_hoff;/* sizeof header incl. bitmap, padding */
/* ^ - 23 bytes - ^ */
bits8t_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：
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_HASNULL0x0001/* has null attribute(s) */ #define HEAP_HASVARWIDTH0x0002/* has variable-width attribute(s) */ #define HEAP_HASEXTERNAL0x0004/* has external stored attribute(s) */ #define HEAP_HASOID0x0008/* has an object-id field */ #define HEAP_XMAX_KEYSHR_LOCK0x0010/* xmax is a key-shared locker */ #define HEAP_COMBOCID0x0020/* t_cid is a combo cid */ #define HEAP_XMAX_EXCL_LOCK0x0040/* xmax is exclusive locker */ #define HEAP_XMAX_LOCK_ONLY0x0080/* 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_COMMITTED0x0100/* t_xmin committed */ #define HEAP_XMIN_INVALID0x0200/* t_xmin invalid/aborted */ #define HEAP_XMIN_FROZEN(HEAP_XMIN_COMMITTED|HEAP_XMIN_INVALID) #define HEAP_XMAX_COMMITTED0x0400/* t_xmax committed */ #define HEAP_XMAX_INVALID0x0800/* t_xmax invalid/aborted */ #define HEAP_XMAX_IS_MULTI0x1000/* t_xmax is a MultiXactId */ #define HEAP_UPDATED0x2000/* this is UPDATEd version of row */ #define HEAP_MOVED_OFF0x4000/* moved to another place by pre-9.0 * VACUUM FULL; kept for binary * upgrade support */ #define HEAP_MOVED_IN0x8000/* 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_MASK0xFFF0/* 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
這裡可以看到1000行資料用了6個數據塊來儲存（這裡資料塊從0開始），第6個數據塊包含了73條記錄（tuple）
3.3 Pageinspect檢視page
這裡我們通過兩個函式來檢視
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
postgres=# \xExpanded display is on.postgres=# select * from page_header(get_raw_page('t1',0));-[ RECORD 1 ]--------lsn| 0/1671188checksum| 0flags| 0lower| 772upper| 784special| 8192pagesize| 8192version| 4prune_xid | 0postgres=#
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
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
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）
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。
原文釋出時間為：2018-12-9
本文作者： 李亮
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