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PostgreSQL逻辑和物理结构

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PostgreSQL逻辑和物理结构

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文章前言



在了解PostgreSQL逻辑和物理结构之前，我们先了解PostgreSQL的系统架构，PostgreSQL使用一种客户端/服务器的模型。
其会话由下列相关的进程或程序组成：
一个服务器进程，它管理数据库文件、接受来自客户端应用与数据库的连接并且在数据库上执行操作，该进程叫做postgres。
那些需要执行数据库操作的用户的客户端应用。
客户端应用可能本身就是多种多样的：
可以是一个面向文本的工具，也可以是一个图形界面的应用，或者是一个通过访问数据库来显示网页的网页服务器，或者是一个特制的数据库管理工具。例如PoWA,pgAdmin等。
PostgreSQL采取类似于Oracle的多进程模式，在服务器处理来自客户端的多个并发请求时，它会为每个连接fork一个新的进程。从这个时候开始，客户端和新服务器进程就不再经过 postgres进程的进行通信。
因此，主服务器进程总是在运行并等待着客户端的连接，而新派生的进程就负责处理客户端的各种操作。





PostgreSQL的逻辑结构



Database cluster: 
数据库集群，或者叫数据库实例，由PostgreSQL server管理的数据库的集合，由多个database组成。每个正在运行的PostgreSQL server实例都管理着一个或多个数据库。
database:
由各种数据库对象构成，例如table，indexes, view,function,sequence等。在数据库对象的层次结构中，database位于最顶层。通常每个数据库对象（table、function等） 属于并且只属于一个database，但是也有几个系统表例如pg_database属于整个数据库集群，对于集群中的每个database来说都是可访问的）。

图 1  PostgreSQL的逻辑结构
PostgreSQL中的所有数据库对象都通过对象标识符oid(object identifiers), oid是无符号的四字节整数，数据库对象的oid存放在相关的system catalog表中，且数据库对象与oid的关系取决于对象的类型，例如，数据库和表的oid分别存放在pg_database,pg_class表中，通过下面的查询语句可以找到指定对象的oid。
示例：
查看数据库pgtest的oid：
查看表products的oid：
当我们执行initdb命令初始化PostgreSQL时，默认就创建了template0、 template1和postgres这3个数据库。
template0和template1数据库是创建用户数据库时将要用到的模版数据库，它们包含了系统的元数据表。
initdb刚完成时，template0和template1数据库中的表是一样的，设置两个模版数据库的原因是template0是初始状态，template1则可以集成用户的某些需求。用户数据库是通过克隆template1来创建的。postgres数据库是使用模版template1创建的默认数据库，如果连接时不指定数据库名，则默认连接到postgres数据库。
查看数据库集群当前有哪些数据库：
上图中，pgtest是初始化完成之后用户新创建的一个数据库。
通过datistemplate列可知template0和template1是用户创建数据库时使用的模版数据库，其他的则不是模版数据库。
通过datlowconn列可知该数据库是否允许访问。template0数据库不能被访问，因此该数据库不能被修改。
tablespace：
PostgreSQL的表空间的概念与其他关系数据库有所不同，在PostgreSQL中，一个表空间对应的是一个目录，里面存放的是数据目录之外的一些数据,一般是业务数据。
当我们初始化PostgreSQL后，就默认创建了pg_default和pg_global这两个表空间。
建表时如果没有指定特定的表空间，表默认存储在pg_default表空间中。pg_global表空间中默认存储的是用于管理整个数据库集群的表。
block：
在PostgreSQL中，将保存在磁盘中的块称为Page，而将内存中的块称为Buffer，表和索引称为Relation，行称为Tuple。数据的读写是以Page为最小单位，每个Page默认大小为8KB，页的尺寸可以在编译PostgreSQL时指定。





PostgreSQL的物理结构



当我们初始化一个新的数据库集群的时候，会在指定目录下创建一个数据目录，这个数据目录的路径通常用环境变量$PGDATA来表示，初始化完成后，会在$PGDATA下生成相关的子目录以及文件。
1. 数据库的物理结构
图2展示了PostgreSQL数据库集群的物理结构。database是$PGDATA/base路径下的子目录，每个表和索引（至少）是一个文件，存储在它所属的数据库（例如testdb）的子目录下。另外，还有几个包含特定数据和配置文件的子目录。
图2  PostgreSQL的物理结构
下面是数据目录下的文件和子目录的信息：
相关文件和子目录的介绍如下：


如下图所示，每个数据库的oid都对应了$PGDATA/base路径下面的一个子目录：
2. 表空间的物理结构
PostgreSQL初始化时默认创建pg_default和pg_global这两个表空间，pg_default表空间的物理位置为$PGDATAase目录，pg_global表空间的物理位置为$PGDATAglobal目录。用户新建的表空间对应的目录都位于pg_tblspc下。
一个表空间可以同时被多个数据库使用，这时，每个数据库都会在表空间的路径下创建一个新的子路径。
每创建一个用户表空间就会在$PGDATApg_tblspc目录下面创建一个软链接，连接到表空间指定的目录位置。
例如，当我们创建一个名为tbs_test表空间，路径是/home/postgres/data2/tbs_test，那么就会在pg_tblspc目录下面生成一个软连接的目录16425，这里的16425就是表空间对应的oid，再往下可以看到子目录16384，对应的是database的oid。
3. 表和索引的物理结构
表或者索引超过 1GB 之后，它就被划分成1G大小的segment。第一个segment的文件名和文件节点相同；随后的segment被命名为 filenode.1、filenode.2等等。
这样的安排避免了在某些有文件大小限制的平台上的问题（实际上，1GB只是默认的segment尺寸。segment尺寸限制可以在编译PostgreSQL时使用配置选项--with-segsize进行调整）。
如下：
cd $PGDATA
$ ls -la -h base/16384/19427*
-rw------- 1 postgres postgres 1.0G Aug 6 10:33 data/base/16384/19427
-rw------- 1 postgres postgres 45M Aug 6 10:33 data/base/16384/19427.1





本文作者：魏 斌

本文来源：IT那活儿（上海新炬王翦团队）

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