PostgreSQL 中的虚拟文件描述符

由于每个操作系统限制了一个进程能打开的文件数（例如：ubuntu 为1024），因此进程能获得的文件描述符是有限的。对于经常需要打开许多文件的数据库进程来说，很容易会超过操作系统对于文件描述符数量的限制。

为解决这个问题，PostgreSQL 中使用了虚拟文件描述符 (VFD) 机制，通过 VFD 管理真实的文件描述符，帮助进程摆脱操作系统的限制。

typedef struct vfd
{
  int          fd;
  unsigned short fdstate;  
  ResourceOwner  resowner;
  File        nextFree;  
  File        lruMoreRecently;
  File        lruLessRecently;
  off_t        fileSize;
  char         *fileName;
  int          fileFlags;
  mode_t        fileMode;
} Vfd;

VDF 中各字段含义：

1. fd 记录该 VFD 所对应的真实文件描述符，如果当前 VFD 没有打开文件，则其值为 VFD_CLOSED (-1)。
2. fdstate 标记位：如 FD_DELETE_AT_CLOSE，表明该文件在关闭时要被删除。
3. nextFree：指向下一个空闲的 VFD，其数据类型 File 表示其在 VFD 数组中的下标。
4. lruMoreRecently：指向比该 VFD 最近更常用的虚拟文件描述符。
5. lnuLessRecently：指向比该 VFD 最近更不常用的虚拟文件描述符。
6. fileSize：当前文件大小。
7. fleName：该 VFD 对应文件的文件名，如果是空闲的 VFD 则 fileName 为空。
8. fileFlags：该文件打开时的标志，包括只读、只写、读写等。
9. fileMode：文件创建时所指定的模式。

VFD 数组 VfdCache 作为 LRU 池管理文件描述符，并根据需要打开和关闭实际的 OS 文件描述符。LRU 池使用数组实现，数组元素是 VFD 结构体，数组大小会根据需要增长（最大1024）。

static Vfd *VfdCache;
static Size SizeVfdCache = 0;

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当 LRU 池未满时，进程可以申请一个 VFD 用来打开物理文件；而当 LRU 池已满时，进程需要首先关闭一个 VFD。在 LRU 中，使用替换最长时间未使用 VFD 策略。

进程在 VfdCache 上保持了两个链表，一个是 LRU 池（双向链表），另一个是 FreeList （空闲链表，记录了所有可被分配的 VFD）。前者通过 lruMoreRecently 属性和 lruLessRecently 属性来链接，后者则通过 nextFree 属性来链接。

VfdCache [0] 不是可用的 VFD，它仅用来标识 FreeList 和 LRU 池的链表头部。对 LRU 池里的 VFD 的操作主要包括以下三种：

(1) 将 VFD 插入 LRU 池

打开一个新的 VFD 时，会将该 VFD 对应的物理文件打开，并将该 VFD 插入到 VfdCache[O] 之后的位置。例如，我们要插入的 VFD 为 a，首先要根据 a 中的 fd 字段判断对应的物理文件是否已经打开。如果没有打开则根据 a 中的 fileName 打开此文件，并插入到 LRU 池中。

插入时要将 a 的 lruMoreRecently 指向 VfdCache[0]，VfdCache[0] 的 lruLessRecently 指向 a，然后 a 的 lruLessRecently 指向 V1，V1 的 lruMoreRecently 指向 a。

(2) 从 LRU 池删除 VFD

进程使用完一个文件并关闭它时，将该文件的 VFD 从 LRU 池中删除，并将该 VFD 对应的文件关闭掉。例如，我们要对 V2 操作，则首先将 V1 的 lrulessRecently 指向 V3，将 V3 的 lruMoreRecently 指向 V1。 

这样就将 V2 从 LRU 池中删除了，如果V2 的fdstate 被置为 FD_DELETE_AT_CLOSE，则要先将V2对应的文件删除，再清掉FD_DELETE_AT_CLOSE 位，接着将 fileSize 置为 0，将 fd 置为 VFD_CLOSED。这样 V2 就变为空闲，最后将其加入到空闲链表中。

(3) 删除 LRU 池尾 VFD

当 LRU 池已满，而此时又要打开新的文件时，就需将池尾的 VFD 删掉，这样新打开的 VFD 就可以插入到 LRU 中。注意，这里被删除的 VFD 仅仅只是从 LRU 池中脱链并关闭其对应的物理文件，VFD 本身并不做其他修改和删除。