PostgreSQL体系结构小结

参考：http://book.51cto.com/art/201201/313175.htm

      http://blog.csdn.net/ggxxkkll/article/details/18569647

体系架构

  PostgreSQL数据库由连接管理系统（系统控制器）、编译执行系统、存储管理系统、事务系统、系统表五大部分组成，其组成结构和关系如图2-1所示。

  连接管理系统接受外部操作对系统的请求，对操作请求进行预处理和分发，起系统逻辑控制作用；

  编译执行系统由查询编译器、查询执行器组成，完成操作请求在数据库中的分析处理和转化工作，最终实现物理存储介质中数据的操作；

  存储管理系统由索引管理器、内存管理器、外存管理器组成，负责存储和管理物理数据，提供对编译查询系统的支持；

  事务系统由事务管理器、日志管理器、并发控制、锁管理器组成，日志管理器和事务管理器完成对操作请求处理的事务一致性支持，锁管理器和并发控制提供对并发访问数据的一致性支持；

  系统表是PostgreSQL数据库的元信息管理中心，包括数据库对象信息和数据库管理控制信息。系统表管理元数据信息，将PostgreSQL数据库的各个模块有机地连接在一起，形成一个高效的数据管理系统。

数据库初始化（initdb）过程

    执行initdb程序时，将从initdb.c文件中的main函数开始执行，main函数的执行流程如图2-3所示。initdb执行时将按照顺序执行下列工作：

    1）根据用户输入的命令行参数获取输入的命令名。

    2）设置系统编码为LC_ALL，查找执行命令的绝对路径并设置该路径。

    3）设置环境变量（pg_data等），获取系统配置文件的源文件路径（postgres.bki、postgresql.conf.sample等文件），并检查该路径下各文件的可用性。

    4）设置中断信号处理函数，对终端命令行SIGHUP、程序中断SIGINT、程序退出SIGQUIT、软件中断SIGTERM和管道中断SIGPIPE等信号进行屏蔽，保证初始化工作顺利进行。

    5）创建数据目录，以及该目录下一些必要的子目录，如base、global、base/1等。

    6）测试当前服务器系统性能，由测试结果创建配置文件postgresql.conf、pg_hba.conf、pg_ident.conf，并对其中定义的参数做一些设置。

    7）在bootstrap模式下创建数据库template1，存储在数据目录的子目录base/1/中。

    8）创建系统视图、系统表TOAST表等，复制template1来创建template0和postgres，这些操作都用普通的SQL命令来完成。

    9）打印操作成功等相关信息，退出。

  initdb是PostgreSQL中一个独立的程序，它的主要工作就是对数据集簇进行初始化，创建模板数据库和系统表，并向系统表中插入初始元组。在这以后，用户创建各种数据库、表、视图、索引等数据库对象和进行其他操作时，都是在模板数据库和系统表的基础上进行的。

数据库集簇

  PostgreSQL安装完成后，在做任何其他事情之前，必须先使用initdb程序初始化磁盘上的数据存储区，即数据集簇，由PostgreSQL管理的用户数据库以及系统数据库总称为数据集簇。在PostgreSQL的实现中，数据库就是磁盘上一些文件的集合，只不过这些文件有特定的文件名、存储位置等，并且有些文件之间会相互关联。默认情况下，PostgreSQL的所有数据都存储在其数据目录里，这个数据目录通常会用环境变量PGDATA来引用，后文中将会用PGDATA来指代数据目录。

  在PostgreSQL中，对象标识符（OID）用来在整个数据集簇中唯一地标识一个数据库对象，这个对象可以是数据库、表、索引、视图、元组、类型等。PostgreSQL提供了Oid数据类型来表示OID，它实际上是一个无符号整数。

  OID——对象标识符

  OID通常是从1开始分配，但在初始化数据集簇时，会先将一部分OID分配给系统表、系统表元组、系统表上的索引等数据库对象，这一部分OID可以在系统表所对应的头文件中找到。同时，为了给后续版本留下扩展的余地，初始化数据集簇时还会预留一部分OID资源。这样，在系统运行时可分配的OID资源实际是从16384开始的。在PostgreSQL源代码src/include/catalog子目录下有一个shell脚本unused_oids用来输出当前版本中预分配和预留的OID的使用情况。

系统数据库

    在创建数据集簇之后，该集簇中默认包含三个系统数据库template1、template0和postgres。其中template0和postgres都是在初始化过程中从template1拷贝而来的。

  template1和template0数据库用于创建数据库。PostgreSQL中采用从模板数据库复制的方式来创建新的数据库，在创建数据库的命令中可以用“-T”选项来指定以哪个数据库为模板来创建新数据库。

  template1数据库是创建数据库命令默认的模板，也就是说通过不带“-T”选项的命令创建的用户数据库是和template1一模一样的。template1是可以修改的，如果对template1进行了修改，那么在修改之后创建的用户数据库中也能体现出这些修改的结果。template1的存在允许用户可以制作一个自定义的模板数据库，在其中用户可以创建一些应用需要的表、数据、索引等，在日后需要多次创建相同内容的数据库时，都可以用template1作为模板生成。

  由于template1的内容有可能被用户修改，因此为了满足用户创建一个“干净”数据库的需求，PostgreSQL提供了template0数据库作为最初始的备份数据，当需要时可以用template0作为模板生成“干净”的数据库。

  而第三个初始数据库postgres用于给初始用户提供一个可连接的数据库，就像Linux系统中一个用户的主目录一样。

  上述系统数据库都是可以删除的，但是两个模板数据库在删除之前必须将其在pg_database中元组的datistemplate属性改为FALSE，否则删除时会提示“不能删除一个模板数据库”。

系统表、视图

  在关系数据库中，为了实现数据库系统的控制，必须提供数据字典的功能。数据字典不仅存储各种对象的描述信息，而且存储系统管理所需的各种对象的细节信息。从内容来看，数据字典包含数据库系统中所有对象及其属性的描述信息、对象之间关系的描述信息、对象属性的自然语言含义以及数据字典变化的历史（即数据库的状态信息）。数据字典是关系数据库系统管理控制信息的核心，在PostgreSQL数据库系统中，系统表扮演着数据字典的角色。

  系统表是PostgreSQL数据库存放结构元数据的地方，它在PostgreSQL中表现为存放有系统信息的普通表或者视图。用户可以删除然后重建这些表、增加列、插入和更新数值，然而由用户去修改系统会导致系统信息的不一致性，进而导致系统控制紊乱。正常情况下不应该由用户手工修改系统表，而是由SQL命令关联的系统表操作自动维护系统表信息。比如，创建数据库语句（CREATE DATABASE）会向pg_database系统表插入一行，并且在磁盘上创建该数据库。

 PostgreSQL的每一个数据库中都有自己的一套系统表，其中大多数系统表都是在数据库创建时从模板数据库中拷贝过来的，因此这些系统表里的数据都是与所属数据库相关的。只有少数系统表是所有数据库共享的（比如pg_database），这些系统表里的数据是关于所有数据库的。

  由于系统表保存了数据库的所有元数据，所以系统运行时对系统表的访问是非常频繁的。为了提高系统性能，在内存中建立了共享的系统表CACHE，使用Hash函数和Hash表提高查询效率，这些内容将在第3章详细介绍。

进程结构

  PostgreSQL系统的主要功能都集中于Postgres程序,其中的各个进程都是通过载入Postgres程序而形成的进程，只是在运行时所处的分支不同而已。PostgreSQL使用一种专用服务器进程体系结构，主要进程有： 

   Postgres程序的入口就是main模块的main函数。

守护进程postmaster(单用户模式下的Postgres进程）：

 完成数据集簇初始化后，用户可以启动一个数据库实例来运行数据库管理系统，多用户模式下一个数据库实例由数据库服务器守护进程Postmaster来管理。主要功能：

 1.它是一个运行在服务器上的总控进程，负责整个系统的启动和关闭，并且在服务进程出现错误时完成系统的恢复。

 2.它管理数据库文件、监听并接受来自客户端（psql，jdbc等）的连接请求，并且为客户端连接请求fork一个Postgres服务进程，来代表客户端在数据库上执行各种命令。

 3.同时Postmaster还管理与数据库运行相关的辅助进程。用户可以使用postmaster、postgres或者pg_ctl命令启动Postmaster。

  PostgreSQL采用C/S模式，系统为每个客户端分配一个服务进程。Postmaster就像一个处理客户端请求的调度中心。前端应用欲访问某一数据库时，就调用接口库（比如ODBC、libpq）把用户的请求通过网络发给守护进程Postmaster。Postmaster将启动一个新的服务进程Postgres为用户服务，此后前端进程和服务进程不再通过Postmaster而是直接进行通信。

服务进程Postgres：

 服务进程Postgres接受并执行客户端（比如psql，或用户应用程序通过JDBC等接口）发送的命令（交互式SQL查询）。它在底层模块（如存储、事务管理、索引等）之上调用各个主要的功能模块（如编译器、优化器、执行器等），完成客户端的各种数据库操作，并返回执行结果。

    客户端每创建一个数据库连接，postmaster生成一个postgres服务器进程，直接接受用户的命令进行编译执行，并将结果返回给用户。如此循环，直到用户断开连接。 服务器进程通过信号量和共享内存来相互通信。  

辅助进程（分别为实现不同功能）：

    系统日志进程SysLogger ：

    后台写进程bgWriter：

    预写式日志写进程WalWriter：

    预写式日志归档进程pg_archive：

    系统自动清理进程AutoVacuum：将自动定时整理（清理）外存中的数据空间。

    统计数据收集进程pg_state：将自动统计系统运行中的一些动态信息。