PostgreSQL之整体架构

PostgreSQL作为一个单机的关系型数据库，与单机Oracle的架构是比较相似的，与MySQL的InnoDB引擎也比较像。据我目前的了解，单机数据库的整体架构都差不太多，都是包含一个主的进程，一些辅助进程，以及一个大的共享内存池。下面我们具体学习一下PG架构里面的这些部分。

进程架构

PostgreSQL是一个多进程架构的客户端/服务器模式的关系型数据库管理系统。PG数据库中的一系列进程组合进来就是PostgreSQL服务端。这些进程可以细分为以下几大类：

• postgres server进程 -是PG数据库中所有进程的父进程。
• backend进程 - 每个客户端对于一个backend进程，处于这个客户端中的所有请求。
• background进程 - 包含多个后台进程，比如做脏块刷盘的BACKGROUND WRITER进程，做垃圾清理的AUTOVACUUM进程，做检查点的CHECKPOINTER进程等。
• replication相关进程 - 处理流复制的进程。
• background workder进程 - PG9.3版本增加，执行由用户自定义开发的逻辑。

从上图可以看出，PG数据库中有一个主的postgres server进程，针对每个客户端有一个backend postgres进程，另外有一系列的background后台进程（针对不同的功能模块）。所以这些进程都对应一个共享内存shared memory。
下面我们再具体学习一下每类进程的主要工作内容。

Postgres Server Process

postgres server process是所有PG进程的父进程，在以前的版本中称为postmaster。当使用pg_ctl start启动数据库时，这个进程就被启动了， 然后它会启动一个共享内存shared memory，启动多个background后台进程，启动复制相关进程，如有需要也启动background worker progress，然后等待客户端的连接。
当接收到一个客户端连接时，它就会启动一个backend progress，专门服务于这个客户端。
postgres server process通常有一个对应的监听端口，默认是5432。如果一台机器上安装多个postgres实例有多个postgres server process，那么就需要修改对应的端口地址比如5433、5434等。

Backend Process

backend process也称为postgres进程，是由上面的postgres server process启动的用于服务于对应的客户端，通过TCP协议和客户端进行通信。
由于这个进程只能服务于一个特定的database，所以需要在连接PG数据库的时候指定一个默认连接的database。
PG允许多个客户端同时连接数据库，由max_connections参数控制最大并发连接数，默认是100。
如果有很多客户端频繁的对数据库进行短连接与释放连接，那么可能会造成连接耗时比较长，因为PG目前没有连接池的功能。针对于这种场景，一般通过像pgbouncer或pgpool-II这种插件来优化。

Background Process

background process后台进程有多个，每个进程负责一个模块或是一类任务，下面表格总结每个进程的描述。

进程	描述
background writer	负责将共享内存中的脏页刷到持久化存储，在PG9.1或更早版本中也负责checkpoint的工作
checkpointer	在PG9.2及之后版本中，引入用来单独处理checkpoint任务
autovacuum launcher	向postgres server进程请求启动autovacuum worker进程，用来进行定期的aotuvacuum任务
WAL writer	负责将共享内存中的WAL周期性的刷到持久化存储
statistics collector	负责收集统计信息，如pg_stat_activity和pg_stat_database
logging collector	负责把错误消息写到日志文件
archiver	负责归档日志

以下是一个环境中查看到的PG相关进程列表，

postgres> pstree -p 9687
-+= 00001 root /sbin/launchd
 \-+- 09687 postgres /usr/local/pgsql/bin/postgres -D /usr/local/pgsql/data
   |--= 09688 postgres postgres: logger process     
   |--= 09690 postgres postgres: checkpointer process     
   |--= 09691 postgres postgres: writer process     
   |--= 09692 postgres postgres: wal writer process     
   |--= 09693 postgres postgres: autovacuum launcher process     
   |--= 09694 postgres postgres: archiver process     
   |--= 09695 postgres postgres: stats collector process     
   |--= 09697 postgres postgres: postgres sampledb 192.168.1.100(54924) idle  
   \--= 09717 postgres postgres: postgres sampledb 192.168.1.100(54964) idle in transaction  

内存架构

了解完进程架构后，我们再来了解一下内存架构，PG中的内存主要分为两类：

• 本地内存区 - 用于每个backend process内部使用，每个客户端连接对应一个本地内存区
• 共享内存区 - 所有PG进程共享使用

本地内存区

本地内存区有多个，每个对应一个backend progres进程，用于处于这个连接内部的一些工作，包括：

子区域	描述
work_mem	进行ORDER BY/DISTINCT语句相关的排序工作，以及像merge关联或hash关联之类的关联工作
maintenance_work_mem	一些维护之类的工作，比如vacuum、reindex之类
temp_buffers	存储临时表相关的工作

共享内存区

共享内存区在数据库启动时创建，也可以划分为多个子区域，包括：

子区域	描述
shared buffer pool	从持久化存储中把表及索引数据加载到这个区域直接操作数据
WAL buffer	为了保证数据不丢失，PG支持WAL机制，WAL数据（XLOG）就是事务相关的日志，WAL buffer是WAL日志落盘前的缓冲区
commit log	commit log（CLOG）保存所有事务的状态，如in_progress、committed、aborted

除此之外，共享内存区还包括一些其他的子区域：

• 用于多种访问控制的内存区域
• 用于多种后台进程如checkpointer、vacuum的内存区域
• 用于事务处理的区域如saveping、二阶段提交

以及其他子区域。