postgresql体系结构是怎样构成的_postgresql整体架构全面说明

PostgreSQL采用客户端/服务器架构，由数据库实例、进程、内存和存储四部分构成；主进程postmaster管理连接并派生后端进程处理查询，后台进程负责写脏页、检查点、WAL写入、自动清理、归档和统计；共享缓冲区缓存数据页，WAL缓冲区暂存日志，work_mem用于排序哈希等操作，maintenance_work_mem用于维护任务，临时缓冲区服务会话级临时表，后端私有内存存储执行计划；数据存储于$PGDATA目录，base下按OID存放数据库文件，表索引以relfilenode命名并分段，WAL日志在pg_wal中保障持久性与复制，pg_xact记录事务状态，pg_tblspc链接自定义表空间；通过MVCC实现并发控制，基于xmin/xmax和事务快照判断可见性，VACUUM回收死亡元组，支持可重复读和串行化隔离级别，结合表锁、行锁与咨询锁保证一致性；整体设计模块化，兼顾性能与扩展性，适用于多类应用场景。

PostgreSQL 采用的是经典的客户端/服务器架构，整体设计清晰、模块化程度高，具备良好的可扩展性和稳定性。其体系结构主要由数据库实例、进程结构、内存结构和存储结构四大部分构成，下面逐一说明。

1. 进程结构

PostgreSQL 的运行依赖多个关键进程协同工作：

• 主进程（postmaster）：是 PostgreSQL 的核心守护进程，负责启动和管理整个数据库实例。它监听客户端连接请求，并为每个新连接派生一个独立的后端服务进程。
• 后端服务进程（backend process）：每个客户端连接都会触发 postmaster 创建一个专属的后端进程。该进程负责解析 SQL、执行查询、访问数据并返回结果。进程间彼此隔离，保障了并发安全。
• 后台辅助进程：
  • writer process：将共享缓冲区中“脏页”写入磁盘，减少 Checkpoint 时的负载。
  • checkpoint process：定期执行检查点操作，确保 WAL 日志与数据文件同步，提升崩溃恢复效率。
  • wal writer process：将 WAL（Write-Ahead Logging）缓存写入磁盘，保障事务持久性。
  • autovacuum launcher/process：自动清理死亡元组，回收空间并更新统计信息，避免表膨胀。
  • archiver process：在归档模式下，将 WAL 文件复制到归档目录。
  • stats collector：收集数据库运行状态信息，供监控和优化使用。

2. 内存结构

PostgreSQL 使用多种内存区域来提升性能和管理数据：

• Shared Buffers：共享内存区域，用于缓存数据页。所有后端进程共享此区域，是数据库性能的关键所在。大小通过 shared_buffers 参数配置。
• WAL Buffers：用于暂存 WAL 记录，在写入磁盘前保留在内存中。大小由 wal_buffers 控制。
• Work Mem：每个查询操作（如排序、哈希连接）可使用的内存量。复杂查询可能使用多个 work_mem 区域，需合理设置避免内存溢出。
• Maintenance Work Mem：用于 VACUUM、CREATE INDEX 等维护操作的内存上限。
• Temporary Buffers：为每个会话分配的临时表缓存，仅在会话生命周期内有效。
• Backend Private Memory：每个后端进程私有的内存空间，用于存放执行计划、函数调用栈等。

3. 存储结构

PostgreSQL 将数据以文件形式存储在磁盘上，目录结构清晰：

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• Data Directory（$PGDATA）：数据库集群的根目录，包含配置文件、子目录和全局对象。
• Global 目录：存放集群级系统表，如 pg_database、pg_authid 等。
• Base 目录：每个数据库对应一个子目录（以 OID 命名），内部包含该数据库的所有表和索引的数据文件。
• 表和索引文件：每个表或索引对应一个或多个磁盘文件，命名以其 relfilenode 为基础。大表会分段（segment），每段 1GB。
• WAL 日志（Write-Ahead Log）：位于 pg_wal 目录，记录所有事务修改，用于崩溃恢复和流复制。
• pg_clog / pg_xact：存储事务提交状态（在较新版本中为 pg_xact），用于判断行版本可见性。
• pg_tblspc：存放指向用户定义表空间的符号链接。
• pg_stat_tmp：临时统计信息文件目录。

4. 逻辑与并发控制机制

PostgreSQL 使用多版本并发控制（MVCC）实现高并发下的数据一致性：

• 每一行数据带有事务版本信息（xmin/xmax），通过事务快照判断可见性。
• 事务不直接删除旧版本，而是标记为“死亡”，由 VACUUM 回收。
• 支持可重复读和串行化隔离级别，串行化使用 SSI（Serializable Snapshot Isolation）算法避免幻读。
• 锁机制包括表级锁、行级锁以及咨询锁，灵活应对不同场景。

基本上就这些。PostgreSQL 的架构设计兼顾性能、可靠与扩展，各组件职责明确，适合从中小型应用到大型企业系统的广泛场景。理解其结构有助于优化配置、排查问题和设计高可用方案。

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