Архитектура PostgreSQL

PostgreSQL — это объектно-реляционная СУБД с модульной архитектурой.

Понимание архитектуры PostgreSQL, позволит эффективно настраивать и администрировать PostgreSQL. Рассмотрим подробно архитектуру PostgreSQL.

Модульная архитектура — это подход к проектированию систем, при котором система разделяется на независимые, функционально завершенные компоненты (модули), которые взаимодействуют друг с другом через четко определенные интерфейсы. Каждый модуль выполняет определенную задачу и может быть разработан, протестирован и модернизирован независимо от других модулей.

Модульная архитектура в PostgreSQL

1. Процессор запросов:

   • Разбирает и оптимизирует SQL-запросы.

2. Менеджер транзакций:

   • Управляет транзакциями и обеспечивает ACID-свойства.

3. Менеджер памяти:

   • Управляет буферами и кэшированием данных.

4. Менеджер хранения:

   • Отвечает за физическое хранение данных на диске.

5. Модуль WAL (Write-Ahead Logging):

   • Обеспечивает надежность и восстановление данных.

6. Модуль репликации:

   • Управляет репликацией данных между серверами.

Основные компоненты PostgreSQL:

• Процессы:

  • Postmaster: Главный процесс, управляющий всеми остальными процессами.

  • Backend processes: Процессы, обслуживающие клиентские подключения.

  • Background processes: Фоновые процессы (например, автоочистка, запись в WAL).

• Структуры данных:

  • Shared Buffers: Общая память для кэширования данных.

  • WAL (Write-Ahead Log): Журнал предзаписи для обеспечения надежности.

  • Tablespaces, Databases, Tables: Логические и физические структуры хранения данных.

• Файлы:

  • Data files: Файлы данных (таблицы, индексы).

  • WAL files: Файлы журнала предзаписи.

  • Configuration files: Файлы конфигурации (postgresql.conf, pg_hba.conf).

Изоляция и многоверсионность (MVCC)

• MVCC (Multi-Version Concurrency Control):

  • Механизм, позволяющий нескольким транзакциям работать с данными одновременно без блокировок.

  • Каждая транзакция видит "снимок" данных на момент своего начала.

• Реализация MVCC в PostgreSQL:

  • Каждая строка (tuple) имеет два дополнительных поля:

    • xmin: Идентификатор транзакции, создавшей строку.

    • xmax: Идентификатор транзакции, удалившей строку (если есть).

  • Версии строк:

    • При изменении данных создается новая версия строки, а старая помечается как устаревшая.

    • Устаревшие строки сохраняются до тех пор, пока они не будут очищены.

• Преимущества MVCC:

  • Высокая производительность при параллельных операциях.

  • Отсутствие блокировок при чтении.

Очистка (Vacuum)

• Назначение очистки:

  • Удаление "мертвых" строк (устаревших версий данных).

  • Освобождение места для новых данных.

  • Обновление статистики для планировщика запросов.

• Типы очистки:

  • Обычная очистка (VACUUM):

    • Удаляет мертвые строки, но не возвращает место операционной системе.

    • Не блокирует таблицу для чтения/записи.

  • Полная очистка (VACUUM FULL):

    • Возвращает место операционной системе.

    • Требует эксклюзивной блокировки таблицы.

  • Автоочистка (Autovacuum):

    • Фоновый процесс, автоматически выполняющий очистку.

    • Настраивается через параметры autovacuum в postgresql.conf.

• Параметры очистки:

  • autovacuum: Включение/выключение автоочистки.

  • vacuum_cost_limit: Лимит "стоимости" очистки.

  • vacuum_cost_delay: Задержка между операциями очистки.

VACUUM создаёт значительную нагрузку на подсистему ввода/вывода, что может отрицательно сказаться на производительности других активных сеансов. Поэтому иногда полезно использовать возможность задержки очистки с учётом её стоимости.

Практическое использование этой команды будет рассмотрено далее в учебнике.

Буферный кэш (Shared Buffers)

• Назначение:

  • Кэширование данных в оперативной памяти для ускорения доступа.

• Управление:

  • Размер буферного кэша задается параметром shared_buffers в postgresql.conf.

  • Рекомендуемое значение: 25-40% от общей оперативной памяти.

• Принцип работы:

  • Данные считываются с диска в буферный кэш.

  • Последующие операции чтения/записи выполняются в памяти.

  • Измененные данные (грязные страницы) периодически записываются на диск.

• Проблемы:

  • Недостаток памяти может привести к вытеснению страниц из кэша.

  • Избыток памяти может привести к неэффективному использованию ресурсов.

Журнал предзаписи (WAL — Write-Ahead Log)

• Назначение:

  • Обеспечение надежности и восстановления данных после сбоев.

  • Все изменения сначала записываются в WAL, а затем в данные.

• Принцип работы:

  • Каждая транзакция записывает свои изменения в WAL.

  • WAL-файлы сохраняются на диск до подтверждения транзакции.

  • В случае сбоя данные восстанавливаются из WAL.

• Параметры WAL:

  • wal_level: Уровень журналирования (minimal, replica, logical).

  • wal_buffers: Размер буферов для WAL.

  • checkpoint_timeout: Интервал между контрольными точками.

• Контрольные точки (Checkpoints):

  • Периодически данные из WAL применяются к основным данным.

  • Управляются параметрами checkpoint_timeout и checkpoint_completion_target.

Архитектура PostgreSQL обеспечивает высокую производительность, надежность и масштабируемость.

Понимание архитектуры позволяет эффективно настраивать и администрировать PostgreSQL.