PostgreSQL TOAST技术理解

作者介绍：胡彬 腾讯云高级工程师

TOAST是“The Oversized-Attribute Storage Technique”的缩写，主要用于存储一个大字段的值。要理解TOAST，我们要先理解页（BLOCK）的概念。在PG中，页是数据在文件存储中的基本单位，其大小是固定的且只能在编译期指定，之后无法修改，默认的大小为8KB。同时，PG不允许一行数据跨页存储，那么对于超长的行数据，PG就会启动TOAST，具体就是采用压缩和切片的方式。如果启用了切片，实际数据存储在另一张系统表的多个行中，这张表就叫TOAST表，这种存储方式叫行外存储。

在深入细节之前，我们要先了解，在PG中每个表字段有四种TOAST的策略：

• PLAIN：避免压缩和行外存储。只有那些不需要TOAST策略就能存放的数据类型允许选择（例如int类型），而对于text这类要求存储长度超过页大小的类型，是不允许采用此策略的

• EXTENDED：允许压缩和行外存储。一般会先压缩，如果还是太大，就会行外存储

• EXTERNA：允许行外存储，但不许压缩。类似字符串这种会对数据的一部分进行操作的字段，采用此策略可能获得更高的性能，因为不需要读取出整行数据再解压。

• MAIN：允许压缩，但不许行外存储。不过实际上，为了保证过大数据的存储，行外存储在其它方式（例如压缩）都无法满足需求的情况下，作为最后手段还是会被启动。因此理解为：尽量不使用行外存储更贴切。
  现在我们通过实际操作来研究TOAST的细节：

首先创建一张blog表：

postgres=# create table blog(id int, title text, content text);
CREATE TABLE
postgres=# \d+ blog;
                          Table "public.blog"
 Column  |  Type   | Modifiers | Storage  | Stats target | Description 
---------+---------+-----------+----------+--------------+-------------
 id      | integer |           | plain    |              | 
 title   | text    |           | extended |              | 
 content | text    |           | extended |              | 

可以看到，interger默认TOAST策略为plain，而text为extended。PG资料告诉我们，如果表中有字段需要TOAST，那么系统会自动创建一张TOAST表负责行外存储，那么这张表在哪里？

postgres=# select relname,relfilenode,reltoastrelid from pg_class where relname='blog';
 relname | relfilenode | reltoastrelid 
---------+-------------+---------------
 blog    |       16441 |         16444
(1 row)

通过上诉语句，我们查到blog表的oid为16441，其对应TOAST表的oid为16444（关于oid和pg_class的概念，请参考PG官方文档），那么其对应TOAST表名则为：pg_toast.pg_toast_16441（注意这里是blog表的oid），我们看下其定义：

postgres=# \d+ pg_toast.pg_toast_16441;
TOAST table "pg_toast.pg_toast_16441"
   Column   |  Type   | Storage 
------------+---------+---------
 chunk_id   | oid     | plain
 chunk_seq  | integer | plain
 chunk_data | bytea   | plain

TOAST表有3个字段：

• chunk_id：用来表示特定TOAST值的OID，可以理解为具有同样chunk_id值的所有行组成原表（这里的blog）的TOAST字段的一行数据

• chunk_seq：用来表示该行数据在整个数据中的位置

• chunk_data：实际存储的数据。
  现在我们来实际验证下:

postgres=# insert into blog values(1, 'title', '0123456789');
INSERT 0 1
postgres=# select * from blog;
 id | title |  content   
----+-------+------------
  1 | title | 0123456789
(1 row)

postgres=# select * from pg_toast.pg_toast_16441;
 chunk_id | chunk_seq | chunk_data 
----------+-----------+------------
(0 rows)

可以看到因为content只有10个字符，所以没有压缩，也没有行外存储。然后我们使用如下SQL语句增加content的长度，每次增长1倍，同时观察content的长度，看看会发生什么情况？

postgres=# update blog set content=content||content where id=1;
UPDATE 1
postgres=# select id,title,length(content) from blog;
 id | title | length 
----+-------+--------
  1 | title |     20
(1 row)
postgres=# select * from pg_toast.pg_toast_16441;
 chunk_id | chunk_seq | chunk_data 
----------+-----------+------------
(0 rows)

反复执行如上过程，直到pg_toast_16441表中有数据：

postgres=# select id,title,length(content) from blog;
 id | title | length 
----+-------+--------
  1 | title | 327680
(1 row)

postgres=# select chunk_id,chunk_seq,length(chunk_data) from pg_toast.pg_toast_16441;
 chunk_id | chunk_seq | length 
----------+-----------+--------
    16439 |         0 |   1996
    16439 |         1 |   1773
(2 rows)

可以看到，直到content的长度为327680时（已远远超过页大小8K），对应TOAST表中才有了2行数据，且长度都是略小于2K，这是因为extended策略下，先启用了压缩，然后才使用行外存储

下面我们将content的TOAST策略改为EXTERNA，以禁止压缩。

postgres=# alter table blog alter content set storage external;
ALTER TABLE
postgres=# \d+ blog;
                          Table "public.blog"
 Column  |  Type   | Modifiers | Storage  | Stats target | Description 
---------+---------+-----------+----------+--------------+-------------
 id      | integer |           | plain    |              | 
 title   | text    |           | extended |              | 
 content | text    |           | external |              | 

然后我们再插入一条数据：

postgres=# insert into blog values(2, 'title', '0123456789');
INSERT 0 1
postgres=# select id,title,length(content) from blog;
 id | title | length 
----+-------+--------
  1 | title | 327680
  2 | title |     10
(2 rows)

然后重复以上步骤，直到TOAST表中产生新的行：

postgres=# update blog set content=content||content where id=2;
UPDATE 1
postgres=# select id,title,length(content) from blog;
 id | title | length 
----+-------+--------
  2 | title |   2560
  1 | title | 327680
(2 rows)

postgres=# select chunk_id,chunk_seq,length(chunk_data) from pg_toast.pg_toast_16441;
 chunk_id | chunk_seq | length 
----------+-----------+--------
    16447 |         0 |   1996
    16447 |         1 |   1773
    16448 |         0 |   1996
    16448 |         1 |    564
(4 rows)

这次我们看到当content长度达到2560（按照官方文档，应该是超过2KB左右），TOAST表中产生了新的2条chunk_id为16448的行，且2行数据的chunk_data的长度之和正好等于2560。通过以上操作得出以下结论：

• 如果策略允许压缩，则TOAST优先选择压缩
• 不管是否压缩，一旦数据超过2KB左右，就会启用行外存储
• 修改TOAST策略，不会影响现有数据的存储方式

本文首发腾云阁 PostgreSQL TOAST技术理解