PG虚拟文件描述符（VFD）机制——FD LRU池：postgresql-8.4.1/src/backend/storage/file/fd.c

• 引入虚拟文件描述符机制的痛点：单个进程可以轻易拥有超过系统限制的打开文件数
• 虚拟文件描述符机制的原理概述：VFD作为LRU池管理文件描述符，并根据需要打开和关闭实际需要的OS文件描述符。
  FD LRU池的结构如下图所示：
  

代码解析

fd.c是PG后端代码中存储管理器中的一部分，此代码管理“虚拟”文件描述符（‘virtual’ file descriptors, VFD）的缓存。服务器出于各种原因打开许多文件描述符，包括基表（base tables），暂存文件（scratch files，例如，排序和哈希spool文件），以及对诸如system(3)之类的C库例程的随机调用；单个进程可以轻易拥有超过系统限制的打开文件数（open files）。 （在许多现代操作系统上，系统限制约为256，但在其他操作系统上，则可能低至32。） VFD作为LRU池进行管理，并根据需要打开和关闭实际需要的OS文件描述符。显然，如果使用这些接口，则所有后续操作也必须通过这些接口进行操作（文件类型不是真实的文件描述符，the File type is not a real file descriptor）。为了使该方案起作用，整个PG数据库服务器中的大多数（如果不是全部）例程都应使用这些接口，而不是自己调用C库例程（例如，open(2)和fopen(3)）。否则，我们可能仍然会发现自己缺少真实的文件描述符。
注：该文件过去包含一堆东西来支持RAID级别0（jbod），1（双工 duplex）和5（异或奇偶校验 xor parity）。这些东西在本版本中全部删除了，因为调用它的并行查询处理代码全部删除了。如果您确实需要它，可以从原始POSTGRES源代码获取。

以下的头文件都在include文件夹中的相应文件中，而不是和源文件处于同一文件夹中。

#include "postgres.h"
#include "miscadmin.h"
#include "access/xact.h"
#include "catalog/pg_tablespace.h"
#include "storage/fd.h"
#include "storage/ipc.h"
#include "utils/guc.h"

文件描述符LRU池之外遗留的文件描述符相关

#define NUM_RESERVED_FDS 10
我们必须为system()，动态加载程序dynamic loader和其他尝试打开文件而不使用fd.c提供的函数保留一些文件描述符。 （虽然我们可以确定我们不会获得EMFILE，但由于任何其他进程消耗FD的缘故，我们无法保证不会获得ENFILE。因此，尝试不使用fd.c来打开文件是一个坏主意。 我们无法控制所有代码）因为这只是一个固定的设置，所以我们假设没有这样的代码可以使FD长期处于开放open状态。特别要注意的是，我们期望加载共享库不会导致打开文件数量的任何永久增加。 （截至2004年2月，对于大多数（如果不是全部）平台，这似乎都是正确的。）
#define FD_MINFREE 10 如果少于最小可用FD，阻塞
int max_files_per_process = 1000; 平台限制单个进程打开的文件数量
当许多进程执行相同的操作时，许多平台允许单个进程打开的文件数量超出其实际支持的数量。通过该GUC参数，DBA可以将max_safe_fds限制为小于postmaster的初始建议的工作范围。

文件描述符LRU池

文件描述符LRU池–> 最大fd数量
static int max_safe_fds = 32; /* default if not changed */
为VFD条目或AllocateFile / AllocateDir操作打开的文件描述符的最大数量。 它被初始化为一个保守值，并在引导程序bootstrap或独立后端standalone-backend情况下保持该值。 在正常的postmaster操作中，postmaster在初始化后期调用set_max_safe_fds()来更新该值，然后该值由派生子进程继承。注意：设置此变量时会考虑max_files_per_process的值，因此无需单独测试。
static int nfile = 0; 由VFD使用的文件描述符fd的数量

LRU池使用数组实现的，数组元素是vfd结构体虚拟文件描述符数组的指针和大小。 数组大小会根据需要增长。 “文件File”值是该数组的索引。请注意，VfdCache[0]不是可用的VFD，而只是列表头。

static Vfd *VfdCache;
static Size SizeVfdCache = 0;

typedef struct vfd
{
	int			fd;				/* current FD, or VFD_CLOSED if none */
	unsigned short fdstate;		/* bitflags for VFD's state */
	SubTransactionId create_subid;		/* for TEMPORARY fds, creating subxact */
	File		nextFree;		/* link to next free VFD, if in freelist */
	File		lruMoreRecently;	/* doubly linked recency-of-use list */
	File		lruLessRecently;
	off_t		seekPos;		/* current logical file position */
	char	   *fileName;		/* name of file, or NULL for unused VFD */
	/* NB: fileName is malloc'd, and must be free'd when closing the VFD */
	int			fileFlags;		/* open(2) flags for (re)opening the file */
	int			fileMode;		/* mode to pass to open(2) */
} Vfd;

LRU池的底层虽然是数组，但是通过lruMoreRecently和lruLessRecently成员变量定位下一个vfd元素，也就是就是环形队列。（ typedef int File ）这里的File被定义为Int类型，也就是数组索引。

VfdCache[0]可以看成最近最少使用和最近最多使用集于一身，当使用lruMoreRecently成员进行寻址时，它就是最近最少使用，可以通过它找到真正的最近最少使用的vfd。同样可以通过lruLessRecently成员进行寻址，找到真正最近最多使用的vfd。VfdCache[0]的fd成员永远为VFD_CLOSED（#define VFD_CLOSED (-1) 当该VFD结构体无效时，fd值会被设置为-1）。除了VfdCache[0]，只有真正打开的vfd（赋值了真正的文件描述符FD）才能放入环形队列。

• 打开的vfd的fd成员赋值了真正的文件描述符FD
• 虚打开（“virtually” open）的vfd的fileName成员为非空

相关操作函数

• Delete - delete a file from the Lru ring
• LruDelete - remove a file from the Lru ring and close its FD
• Insert - put a file at the front of the Lru ring
• LruInsert - put a file at the front of the Lru ring and open it
• ReleaseLruFile - Release an fd by closing the last entry in the Lru ring
• AllocateVfd - grab a free (or new) file record (from VfdArray)
• FreeVfd - free a file record

Insert：将索引file的Vfd结构体插入环形队列的front。该Vfd是lru中MostRecently（最近使用）的。主要重点在将新Vfd插入环形队列的front位置时，更新VfdCache[0]、新Vfd、旧VfdCache[front]的lruMoreRecently成员和lruLessRecently成员的关系。

LruInsert：将索引file的Vfd结构体插入环形队列，成功返回0，重新打开失败返回-1，并设置errno。

static int
LruInsert(File file)
{
Vfd *vfdP;

Assert(file != 0);

DO_DB(elog(LOG, "LruInsert %d (%s)",
file, VfdCache[file].fileName));

vfdP = &VfdCache[file];

if (FileIsNotOpen(file))
{
while (nfile + numAllocatedDescs >= max_safe_fds)
{
if (!ReleaseLruFile())
break;
}

/*
* The open could still fail for lack of file descriptors, eg due to
* overall system file table being full. So, be prepared to release
* another FD if necessary...
*/
vfdP->fd = BasicOpenFile(vfdP->fileName, vfdP->fileFlags,
vfdP->fileMode);
if (vfdP->fd < 0)
{
DO_DB(elog(LOG, "RE_OPEN FAILED: %d", errno));
return vfdP->fd;
}
else
{
DO_DB(elog(LOG, "RE_OPEN SUCCESS"));
++nfile;
}

/* seek to the right position */
if (vfdP->seekPos != (off_t) 0)
{
off_t returnValue;

returnValue = lseek(vfdP->fd, vfdP->seekPos, SEEK_SET);
Assert(returnValue != (off_t) -1);
}
}

/*
* put it at the head of the Lru ring
*/

Insert(file);

return 0;
}

需要提前处理的逻辑是检查file中fd是否有效，即不为-1。如果无效，尝试通过C函数库open API获取有效的fd（BasicOpenFile）。如果目前占用的fd数量（有效的vfd占用的fd、AllocateFile占用的和AllocateDir占用的）大于最多能打开的fd，需要释放lru池中的fd。根据vfd的seekPos来更新打开的fd的指针位置。最后将file插入环形队列的front。

Delete：将索引file的Vfd结构体从环形队列中删除。

LruDelete：将索引file的Vfd结构体从环形队列中删除。和Delete相比，该函数将打开文件的当前指针位置保存到vfd，并且关闭文件，设置vfd的状态为无效。

ReleaseLruFile：删除lru池中最近最少使用的vfd，使用LruDelete函数处理，不仅从Lru中剔除还将打开文件的当前指针位置保存到vfd，并且关闭文件，设置vfd的状态为无效。

如果vfd中的fileName不为NULL，需要free。将fdstate设置为0x0，将该vfd节点插入空闲vfd链表头部

AllocateVfd函数从空闲vfd链表中分配vfd节点，并将节点索引返回（失败返回0）。如果空闲vfd链表中没有空闲节点，增加数组的大小（原大小的两倍，但不超过32），使用realloc进行空间申请，清空新申请的空间，并加新节点添加到空闲vfd链表中。

static File
AllocateVfd(void)
{
Index i;
File file;

DO_DB(elog(LOG, "AllocateVfd. Size %lu", SizeVfdCache));

Assert(SizeVfdCache > 0); /* InitFileAccess not called? */

if (VfdCache[0].nextFree == 0)
{
/*
* The free list is empty so it is time to increase the size of the
* array. We choose to double it each time this happens. However,
* there's not much point in starting *real* small.
*/
Size newCacheSize = SizeVfdCache * 2;
Vfd *newVfdCache;

if (newCacheSize < 32)
newCacheSize = 32;

/*
* Be careful not to clobber VfdCache ptr if realloc fails.
*/
newVfdCache = (Vfd *) realloc(VfdCache, sizeof(Vfd) * newCacheSize);
if (newVfdCache == NULL)
ereport(ERROR,
(errcode(ERRCODE_OUT_OF_MEMORY),
errmsg("out of memory")));
VfdCache = newVfdCache;

/*
* Initialize the new entries and link them into the free list.
*/
for (i = SizeVfdCache; i < newCacheSize; i++)
{
MemSet((char *) &(VfdCache[i]), 0, sizeof(Vfd));
VfdCache[i].nextFree = i + 1;
VfdCache[i].fd = VFD_CLOSED;
}
VfdCache[newCacheSize - 1].nextFree = 0;
VfdCache[0].nextFree = SizeVfdCache;

/*
* Record the new size
*/
SizeVfdCache = newCacheSize;
}

file = VfdCache[0].nextFree;

VfdCache[0].nextFree = VfdCache[file].nextFree;

return file;
}

打印lru中的以最近使用遍历的vfd的顺序

可配置关键点：单个进程打开的文件数量（max_files_per_process）

源自肥叔菌的cnblogs精华博客系列：https://www.cnblogs.com/feishujun/p/PostgreSQLSourceAnalysis_vfd01.html