PostgreSQL 数据存储结构

PostgreSQL 数据存储结构

数据存储结构分为：逻辑储存和物理存储

• 逻辑存储结构是内部的组织和管理数据的方式。
• 物理存储结构是操作系统中组织和管理数据的方式。
• 逻辑存储结构适用于不同的操作系统和硬件平台。
• 逻辑存储结构和物理存储结构是分别进行管理。

逻辑结构包括

• 数据库集群-Database cluster
• 数据库-Database
• 表空间-tablespace

• 数据库在逻辑上分成多个存储单元，称作表空间。
• 表空间用作把逻辑上相关的结构放在一起。
• 数据库逻辑上是由一个或多个表空间组成。
• 新创建的数据库默认创建下面的表空间：

• Catalog表空间 存放系统表信息
• System表空间 存放用户数据
• Temp表空间

• 模式-Schema

• 自动创建的系统模式

• PG_CATALOG
• PG_LARGEOBJECT
• PG_TOAST
• PG_PARTITION

• 默认的用户模式PUBLIC。

• 段-segment
• 区-extent
• 块-block

4. 数据库对象-Database object

• 模式对象
  表、索引、序列、大对象、视图、函数、存储过程、触发器、包 … …
• 非模式对象
  用户、数据库

5. 数据表-Table
6. 索引-Index
7. 序列-Sequence
8. 视图-View

逻辑与物理存储关系

1. 逻辑关系存在表空间；
2. 表空间存在对应的数据文件中；

存储系统包括三个部分

1. 内存中：buffer，MemoryContext；
2. 数据文件，临时文件；
3. 日志文件，日志缓存。

新创建的数据库对应的数据文件的名称

• Catalog表空间 – databasename.dbf
• System表空间 – Udatabasename.dbf
• Temp表空间-- Tdatabasename.dbf

• 前面加 “U” 前缀代表用户数据表空间，用于保存用户表的数据。
• 不带 U 代表 是系统表的表空间，用于保存系统表的数据。
• U 前缀的数据文件代表的表空间名为PG。
• 不带U 的数据文件代表的表空间为 CATALOG。

数据库文件、表空间、其他文件之间的关系图

上图说明：

• 每一个数据库具有一个或多个数据文件，用户存放数据库的所有数据。
• 数据库的数据文件有以下特征：

一个数据库文件只能与一个数据库的一个表空间相连。
一个表空间可以由多个数据文件组成。

• 数据库对象与文件关系：

• 数据库对象放到表空间中。
• 表空间有多个数据文件。
• 表空间中有多个数据库对象。

• 数据库对象逻辑上是存储在表空间中，物理上是存储在与表空间相关联的数据文件中。

数据库包含的文件种类：

1. 数据库文件：data/DB
   数据库对象，如：数据库、表，索引，序列等对象。
2. 控制文件：data/CTL
   用来记录数据库集群的状态信息，如：版本信息、集群所管理的各种文件信息、检查点信息、事务状态信息等。
3. 日志文件：data/REDOLOG
   记录数据修改操作的日志，用于系统发生故障时进行数据恢复。
4. 临时文件：data/DB
   存放数据库进行计算的过程中，生成的各种中间对象，如排序运算的外存归并单元。
5. 参数文件：data目录下

数据文件结构

Page（页）

将数据文件中的空间从逻辑上划分成一个个页面（数据块）。页面是数据库I/O的基本单位，即只能整页读写数据文件, 页面的大小默认是8K。
页面可以分成两种：

1. 数据页面：数据页面是用来存储用户数据的。
2. 控制页面：控制页面用来管理这些数据页面。

数据库共享缓存中的空间划分也是按页为基本单位, 一个页的大小与数据文件中页的大小一致, 这样便于整页读取数据文件,并放入到数据库Buffer中, 从Buffer写入数据文件也同理，保证了缓存与数据文件结构和内容上的一致性。

页面的寻址

• 数据页面是由一个Uint32的变量寻址。前 11 位表示 fileid, 后 21 位表示文件内偏移。

Block（块）

概念上基本等同于Page, 但Block更多用于说明DMS中对数据文件中Page的描述。

• 例如: 对文件的读写的操作, 文件读写位置的定位, 数据文件空间回收等操作, 单位均是以块进行。
• 数据块的大小在系统初始化时指定，默认是8K，可以取值4K,8K,16K,32K。

Extent（区）

把数据文件中8个连续的Page构成的空间称为一个Extent。Extent是数据库进行数据文件空间分配/释放的基本单位。每个表、索引、序列对象都是由若干个区组成。数据文件被创建后，除自动保留部分区作为控制区外，其他区全部处于未分配状态。表、索引、序列对象的所有数据都存放在Extent中，当向这些Extent中插入数据时，若该Extent的所有页面都已占满，系统就会自动在所属表空间的数据文件中寻找一个尚未分配的区，并将其状态修改为数据区。

控制页面

• 用于空间管理的控制页面：PFS/GAM/IAM。
• 用于增量备份的控制页面：DCM。
• 判断可见性的控制页面：VM。
• 预留的控制页面：BCM/SGAM。

PFS

Page Free Space,简称PFS页.

• 功能：用于记录本数据文件中页面的空间使用情况。对文件中的每个页面，PFS中都有一个“字节”与之对应，该字节记录了该页面的状态。
• 每个页面可能有三种状态 :

PFS_FREE：该页面已被物理分配，但尚未分配给任何数据对象或控制页；
PFS_DATA：该对象被分配作为数据页使用；
PFS_CTRL：该对象被分配作为控制页使用；

• PFS页前64bytes被预留为页头, 剩下81024-64=8128一共覆盖81288K=64MB空间.
  故PFS页每隔8128个页面出现一次, 系统初始化把第一个PFS页放在数据文件的第二个页面位置,即:第1号数据页面, 由此可知,第N个PFS页的位置在8128*N+1.
  

GAM

Global Allocation Map，简称GAM页。

• 功能:记录所在数据文件的Extent的分配情况，GAM页中除GAM头外,剩下空间的每一位(bit)均对应一个Extent的分配情况。若某bit位为1，则表明该bit位所关联的Extent已被分配出去,反之未被分配。
• 若一个GAM页面大小为8K,则除GAM头(64 bytes)外,一个GAM页面所能覆盖的文件范围是: (81024-64)8(88K),约4GB空间。此外，GAM页每隔881288个页面出现一个，系统要求第一个GAM页出现在文件的第3个页面位置(即:第2个索引位置),由此得知,第N个GAM页的出现位置是: 881288*N+2
  

IAM

Index Allocation Map，简称IAM页。

• 功能：每个IAM页只隶属于一个数据库对象(例如:表),但一个数据库对象可包含多个IAM页,由此可见IAM页与数据库对象的关系是1对1，而数据库对象与IAM页的关系是1对多.
• IAM的结构与GAM页类似,除IAM头外,剩下空间的每一位(bit)均对应着一个与IAM相关的Extent。若某bit位为1，则表明该bit位所关联的Extent已被分配给该IAM,反之未被分配。若一个IAM页面大小为8K,则除IAM头(64 bytes)外,一个IAM页面所能覆盖的文件范围是: (81024-64)8(88K),约4GB空间。但与GAM也不同之处在于:IAM的出现位置不固定,只在在创建数据库对象的时候才分配。
  

存储空间大小

• 数据页大小：默认为8K (可支持4K, 8K, 16K, 32K)。
• 最大存储容量：单个数据库(集群)最大容量为32TB。
• 数据文件的最大尺寸：单个数据文件最大尺寸16GB。
• 数据文件最大个数：单个数据库(集群)最多支持2048个数据文件。

实战操作

• 查询所有数据和临时文件信息
  SELECT * FROM PG_ALLDATAFILES;
• 查询当前数据库的数据和临时文件信息
  SELECT * FROM PG_DATAFILES;
• 查询数据和临时文件的空闲空间信息
  SELECT * FROM PG_FREESPACES;