PostgreSQL 的 Replication Slot分析研究

PostgreSQL 9.4 开始支持Replication Slot新功能。对于Replication Slot，文档上介绍的不多，乍一看让人比较难理解是做什么的。其实，Replication Slot的出现，主要是为最终在PG内核实现逻辑复制和双向复制铺路的（目前，逻辑和双向复制在内核中还缺少很多核心功能点，需要借助BDR插件，见PG官方wiki ，引入Replication Slot的背后原因见这里）。不过，作为9.4版本的一个主要功能，它不但可以用于逻辑复制，还可用于物理复制（或者叫Streaming Replication）。针对物理复制的Replication Slot称为Physical Replication Slot。

由于大家目前主要用的还只是PG自带的物理复制方式，我们就重点分析一下Physical Replication Slot。

使用Physical Replication Slot，可以达到两个效果：

A）可以确保从库（standby）需要的日志不被过早备份出去而导致从库失败，出现下面的error：

ERROR:  requested WAL segment 00000001000000010000002D has already been removed

通过Replication Slot记录的从库状态，PG会保证从库还没有apply的日志，不会从主库的日志目录里面清除或archive掉。而且，replication slot的状态信息是持久化保存的，即便从库断掉或主库重启，这些信息仍然不会丢掉或失效。

B）当允许应用连接从库做只读查询时，Replication Slot可以与运行时参数hot_standby_feedback配合使用，使主库的vacuum操作不会过早的清掉从库查询需要的记录，而出现如下错误（错误的原因下面会详细解释）：

ERROR:  canceling statement due to conflict with recovery

下面看看Physical Replication Slot的用法和内核实现。

用法

下面是启用Replication Slot的步骤，很简单：

1）首先需要配置好Steaming Replication的主库从库。涉及的参数有，listen_addresses（='*'），hot_standby（=on）， wal_level（=hot_standby），max_wal_senders（=1），尤其注意配置max_replication_slots大于等于1。这些参数主从库应一致。

2）在主库创建replication slot：

postgres=# SELECT * FROM pg_create_physical_replication_slot('my_rep_slot_1');
slot_name   | xlog_position
---------------+---------------
my_rep_slot_1 |

此时replication slot还不处于active状态。

3) 在从库配置recovery.conf如下，然后重启从库：

standby_mode = 'on'
primary_slot_name = 'my_rep_slot_1'
primary_conninfo = 'user=pg001 host=10.x.x.x port=5432 sslmode=prefer sslcompression=1 krbsrvname=postgres'

4）观察主库replication slot的状态变化：

postgres=# SELECT * FROM pg_replication_slots ;
slot_name   | plugin | slot_type | datoid | database | active | xmin | catalog_xmin | restart_lsn
---------------+--------+-----------+--------+----------+--------+------+--------------+-------------
my_rep_slot_1 |        | physical  |        |          | t      | 1812 |              | 0/3011A70

5）与hot_standby_feedback配合使用。在将从库的postgresql.conf文件中的hot_standby_feedback选项设为on，重启从库即可。

内核实现

replication slot是由下面的patch加入内核中的：

author    Robert Haas <[email protected]>  
Sat, 1 Feb 2014 03:45:17 +0000 (22:45 -0500)
committer    Robert Haas <[email protected]>  
Sat, 1 Feb 2014 03:45:36 +0000 (22:45 -0500)
Replication slots are a crash-safe data structure which can be created
on either a master or a standby to prevent premature removal of
write-ahead log segments needed by a standby, as well as (with
hot_standby_feedback=on) pruning of tuples whose removal would cause
replication conflicts.  Slots have some advantages over existing
techniques, as explained in the documentation.

这个patch改的文件不少，分析这些代码，我们重点关注下面的问题：

A）Replication Slot是如何在内核中创建的？

通过分析创建Replication Slot时调用的函数ReplicationSlotCreate，可以看出，Replication Slot实质上是内存中的一些数据结构，加上持久化保存到pg_replslot/目录中的二进制状态文件。在PG启动的时候，预先在共享内存中分配好这些数据结构所用内存（即一个大小为max_replication_slots的数组）。这些数据结构在用户创建Replication Slot时开始被使用。一个Replication Slot被创建并使用后，其数据结构和状态文件会被WAL（Write-Ahead-Log）的发送者（wal_sender)进程更新。

另外，如果单纯从Replication Slot的名字，我们很容易觉得Replication Slot会创建新的与从库的连接，进行日志发送。实际上，创建过程中并没有创建新的与从库的连接，Replication Slot还是使用了wal_sender原有连接（由于一个从库一个wal_sender连接，所以一个从库和主库之间也只有一个active的Replication Slot）。

B) Replication Slot的状态是如何被更新的？

很容易发现，Replication Slot的状态的更新有两种情况。

第一种是在ProcessStandbyHSFeedbackMessage这个函数被更新。这个函数是在处理wal_sender所收到的从库发回的feedback reply message时调用的。通过这个函数，我们可以看出，每个wal_sender进程的Replication Slot（就是用户创建的Replication Slot）保存在MyReplicationSlot这个全局变量中。在处理从库发回的reply时，reply中的xmin信息会被提取出来，存入slot的data.xmin和effective_xmin域中，并通过函数ProcArraySetReplicationSlotXmin，最终更新到系统全局的procArray->replication_slot_xmin结构中（以使其对所有进程可见），完成slot的更新。

这里要注意，如果我们有多个Replication Slot（分别对应各自从库），则在更新全局结构procArray->replication_slot_xmin时，会选取所有slot中最小的xmin值。

第二种是在ProcessStandbyReplyMessage中。这个函数处理从库发送的restart lsn信息（即从库apply的日志的编号），会直接将其更新到replication slot的restart lsn域中，并保存到磁盘，用于主库判断是否要保留日志不被archive。

C) Replication Slot如何和hot_standby_feedback配合，来避免从库的查询冲突的？

这里，从库的查询冲突指的是下面的情况：从库上有正在运行的查询，而且运行时间很长；这时主库上在做正常的vaccum，清除掉无用的记录版本。但主库的vaccum是不知道从库的查询存在的，所以在清除时，不考虑从库的正在运行的查询，只考虑主库里面的事务状态。其结果，vacuum可能会清除掉从库查询中涉及的，仍然在使用的记录版本。当这些vaccum操作，通过日志同步到从库，而恰好从库的查询仍然没有运行完，vaccum就要等待或cancel这个查询，以保证同步正常继续和查询不出现错误的结果。这样，每当用户在从库运行长查询，就容易出现我们上面提到到query conflict error。

如何避免这种冲突呢？目前最好的解决方案是使用hot_standby_feedback + Replication Slot。其原理简单说就是，从库将它的查询所依赖的记录版本的信息，以一个事务id来表示，并放在从库发回给主库wal_sender的reply中发给主库（见函数XLogWalRcvSendHSFeedback），并最终传导给主库vaccum，让其刀下留人，暂时不清除相关记录。

具体过程是，在从库，函数XLogWalRcvSendHSFeedback调用GetOldestXmin获得xmin，放入给主库的reply中。主库的wal_sender收到后，如果使用了Replication Slot，就把这个xmin放入slot的状态信息中，并更新此时系统所有slot的最小xmin。这个系统所有slot的最小xmin怎么在主库传导给vacuum的呢？以自动触发的vacuum操作为例，其中的逻辑的顺序如下：

GetSnapshotData（vacuum事务开始时，获取slot xmin，存入全局变量） ->vacuum_set_xid_limits（调用 GetOldestXmin，通过全局变量，获取系统xmin和slot xmin，取较小值）-> vacuum_lazy （使用xmin，判断哪些记录版本可以清除）

这样，利用Replication Slot这个渠道，就解决了从库查询冲突。

注意事项

最后，介绍一下使用Replication Slot的注意事项：

1）如果收不到从库的reply，Replication Slot的状态restart lsn会保持不变，造成主库会一直保留本地日志，可能导致日志磁盘满。所以应该实时监控日志磁盘使用情况，并设置较小的wal_sender_timeout，及早发现从库断掉的情况。

2）将hot_standby_feedback设为on时，注意如果从库长时间有慢查询发生，可能导致发回到主库的xmin变化较慢，主库的vaccum操作停滞，造成主库被频繁更新的表大小暴增。

除了物理复制，Replication Slot对逻辑复制的意义更大，我们期待在可能出现逻辑复制功能的9.5版本中看到它大显身手。