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标题: PostgreSQL物理存储结构之表的Page内容分析 [打印本页]
作者: 郑全 时间: 2024-10-27 18:11
标题: PostgreSQL物理存储结构之表的Page内容分析
本帖最后由 郑全 于 2024-10-27 18:19 编辑
在PG数据库中，数据被存储在数据文件里，数据文件内部被划分为固定长度的页（也叫做块）。可在编译数据库时通过–with-blocksize参数指定页的大小，页的默认大小为8K。每个表和索引都以固定尺寸的页数组存储。 在表中，所有页在逻辑上都相同，所以一个特定的行可以被存储在任何页里。 在索引里，第一个页通常保留为元页来保存控制信息， 并且依索引访问方法的不同，在索引里可能有不同类型的页。
本文主要介绍如何查看普通表的页内容。
表页的结构表页的结构图
表页内容可以分为5个区域：
PageHeaderData：pgae头信息；占用空间大小为24bytes,用于记录page页的相关信息。后面会详细介绍Page头相关信息。
ItemIdData:行指针；每个指针占用空间大小为4bytes,用于指向一行数据的存放位置。它由三部分组成：
- lp_off:行数据相对于 Page 开始位置的偏移量；它只有15位，这就决定了PG数据库的块大小最大只能设置为32K。
- lp_flags:行指针的状态标志；共有4种状态：
- 0——LP_UNUSED：未使用状态，对应的 lp_len 总是为 0
- 1——NORMAL：已使用状态，指向正常状态的行，对应的 lp_len 总是大于 0
- 2——LP_REDIRECT：被HOT特性使用的重定向指针，对应的 lp_len 总是为 0
- 3——LP_DEAD：死亡状态,一般指指针指向的行已被更新或删除，等待vacuum清理
Free Space：空闲空间；page中的可用空间。新行的指针从这个区域的开头开始分配，新行的数据从这个区域的结尾开始分配。
Items:行数据；后面会介绍Items中记录的详细信息。
Special space：索引访问模式相关的数据。不同的索引访问方式存放不同的数据。在普通表中为空。
PageHeaderDataPageHeaderData中共包含8个标识:
pd_lsn:记录了最后更改Page内容的WAL 日志的 LSN号。xlogid：LSN的高32bit，xrecoff：LSN的低32bit。
pd_checksum:页面校验和，为0表示数据库未开启数据页校验和。
pd_flags:标志位,标识当前页面的存储情况。共32个标志位，目前只使用了3个：
- 0x0001——PD_HAS_FREE_LINES：存在未使用的行指针。
- 0x0002——PD_PAGE_FULL：页已写满。
- 0x0004——PD_ALL_VISIBLE：页内所有行数据是够对所有事务可见。
- 这三个标志位可叠加记录：比如pd_flags值为0x0005,表示页内存在未使用的行指针，并且页内所有行数据也是够对所有事务可见。
pd_lower：空闲空间开头位置在页中的偏移量，向页中插入行数据时，会从此位置开始向后分配新的行指针占用的空间
pd_upper：空闲空间结尾位置在页中的偏移量，向页中插入行数据时，会从此位置开始向前分配新的行数据占用的空间
pd_special：特殊空间开头位置在页中的偏移量.索引相关数据的开始位置，在数据文件中为空（即 pd_special = ）。主要针对不同索引。例如对于 B-TREE 索引，这个部分存放着索引的左右兄弟节点。
pd_pagesize_version：标识前8位记录页大小，后八8记录布局版本号信息。版本号信息解释如下：- 0:PostgreSQL 7.3 之前的版本号是 0
- 1:代表PostgreSQL 7.3 ~ 7.4
- 2:代表PostgreSQL 8.0
- 3:代表PostgreSQL 8.1 ~ 8.2
- 4:代表PostgreSQL 8.3 及以后版本
pd_prune_xid：页面上最旧的XMAX值，如果没有则为0。如果该位置有值，说明当前Page中存在部分记录可以被vacuum回收。
Items由一个定长的头部（23 个字节）、一个可选的空值位图加填充位、一个可选的对象 ID 域以及用户数据组成。
t_xmin：插入或者更新该行的事务ID标志
t_xmax：删除或者锁定该行的事务ID标志
t_field3：记录t_cid或t_xvac；
t_cid：如果这行在一个事务中被插入并删除，我们会存储一个复合的命令ID，可以映射到真实的CMIN, CMAX，但只能在原始后端中使用本地状态。
t_xvac：XVAC 只在老式的VACUUM FULL中设置，它没有任何的命令子结构，所以不需要CMIN,CMAX (这要求老式VACUUM FULL从不尝试移动CMIN,CMAX 依然有效的行，例如，正在插入或正在删除的行)
t_ctid：当前行的CTID或者指向更新后的行的CTID
t_infomask2：低11位用户标识列的数量，高5位用于HOT技术及元组可见性的标志位；
目前使用的标志位共3个：
- 0x2000——HEAP_KEYS_UPDATED：行数据被更新且列被修改了，或者行被删除了
- 0x4000——HEAP_HOT_UPDATED：行被以HOT方式更新了；
- 0x8000——HEAP_ONLY_TUPLE/HEAP_TUPLE_HAS_MATCH：HEAP_ONLY_TUPLE代表这是HOT行，HEAP_TUPLE_HAS_MATCH 是在 Hash Join 中临时使用的标志，只用于 Hash 表中的 tuple，且不需要可见性信息，所以我们可以用一个可见性标志覆盖他。
t_infomask：用于标识元组当前的状态。
目前使用的标志如下：
- 0x0001——HEAP_HASNULL：有包含null值的列
- 0x0002——HEAP_HASVARWIDTH：有变宽属性的列（varchar）
- 0x0004——HEAP_HASEXTERNAL：有存储在外部的列 (TOAST)
- 0x0008——HEAP_HASOID_OLD：有 OID 字段
- 0x0010——HEAP_XMAX_KEYSHR_LOCK： XMAX 具有 key-shared 锁
- 0x0020——HEAP_COMBOCID：t_field3的值是t_cid
- 0x0040——HEAP_XMAX_EXCL_LOCK：XMAX 具有 exclusive 锁
- 0x0080——HEAP_XMAX_LOCK_ONLY：如果 XMAX 域有效，那么仅仅是锁的拥有者
- 0x0100——HEAP_XMIN_COMMITTED：XMIN 对应的事务已经提交
- 0x0200——HEAP_XMIN_INVALID：XMIN 对应的事务无效或者已经被终止
- 0x0400——HEAP_XMAX_COMMITTED：XMAX 对应的事务已经提交
- 0x0800——HEAP_XMAX_INVALID：XMAX 对应的事务无效或者已经被终止了
- 0x1000——HEAP_XMAX_IS_MULTI：XMAX 对应的事务是一个多段事务 ID
- 0x2000——HEAP_UPDATED： 这是数据行被更新后的版本
- 0x4000——HEAP_MOVED_OFF：被 9.0 之前的 VACUUM FULL 命令移动到另外的地方了，为了兼容二进制程序升级而保留
- 0x8000——HEAP_MOVED_IN：被 9.0 之前的 VACUUM FULL 命令从别处移动过来的，也是为了兼容性而保留
还有4个复合状态：
- HEAP_XMAX_SHR_LOCK=HEAP_XMAX_EXCL_LOCK | HEAP_XMAX_KEYSHR_LOCK
- HEAP_LOCK_MASK=HEAP_XMAX_SHR_LOCK|HEAP_XMAX_EXCL_LOCK|HEAP_XMAX_KEYSHR_LOCK
- HEAP_XMIN_FROZEN=HEAP_XMIN_COMMITTED|HEAP_XMIN_INVALID
- HEAP_MOVED=HEAP_MOVED_OFF| HEAP_MOVED_IN
t_hoff：指从items项的起始位置到用户数据实际所在位置的长度
null bitmap:当元组中存在空值时，会出现空值位图，每个字段占一位。
Padding space:填充位，将null bitmap补充到MAXALIGN的倍数，MAXALIGN的值一般为8。
oid:如果表启用了WITH OIDS选项，items中还会有一个4字节的OID记录。
Tuple data:行数据
查看页内容的工具pageinspect扩展安装pageinspect扩展使用pageinspect扩展之前，需要在数据库中加载扩展
create extension pageinspect;
pageinspect扩展提供了很多查看页内容的相关函数，具体可参考文档：
https://www.postgresql.org/docs/13/pageinspect.html
使用举例查看表t的第0号页的页头信息：
postgres=# select * from page_header(get_raw_page('t','main',0)); lsn | checksum | flags | lower | upper | special | pagesize | version | prune_xid
------------+----------+-------+-------+-------+---------+----------+---------+-----------
1/51015D20 | 29528 | 1 | 776 | 792 | 8192 | 8192 | 4 | 1689(1 row)
查看表t的第0号页中行数据相关信息：
postgres=# SELECT * FROM heap_page_items(get_raw_page('t',0));
lp | lp_off | lp_flags | lp_len | t_xmin | t_xmax | t_field3 | t_ctid | t_infomask2 | t_infomask | t_hoff | t_bits | t_oid | t_data
-----+--------+----------+--------+--------+--------+----------+---------+-------------+------------+--------+--------+-------+----------------------------
1 | 16 | 2 | 0 | | | | | | | | | |
2 | 832 | 1 | 36 | 1685 | 0 | 0 | (0,2) | 2 | 2050 | 24 | | | \x0f7570646174650030010000
3 | 2032 | 1 | 36 | 1665 | 0 | 0 | (0,3) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465002d010000
4 | 8112 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,4) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650058010000
5 | 8072 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,5) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650059010000
6 | 8032 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,6) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465005a010000
7 | 7992 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,7) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465005b010000
8 | 7952 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,8) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465005c010000
9 | 7912 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,9) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465005d010000
10 | 7872 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,10) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465005e010000
11 | 7832 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,11) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465005f010000
12 | 7792 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,12) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650060010000
13 | 7752 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,13) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650061010000
14 | 7712 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,14) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650062010000
15 | 7672 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,15) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650063010000
16 | 872 | 1 | 36 | 1669 | 0 | 0 | (0,16) | 32770 | 10498 | 24 | | | \x0f696e7365727400f78a0100
17 | 7632 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,17) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650064010000
18 | 7592 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,18) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650065010000
19 | 7552 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,19) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650066010000
20 | 7512 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,20) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650067010000
21 | 7472 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,21) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650068010000
22 | 7432 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,22) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650069010000
23 | 7392 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,23) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465006a010000
24 | 7352 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,24) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465006b010000
25 | 7312 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,25) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465006c010000
26 | 7272 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,26) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465006d010000
27 | 7232 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,27) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465006e010000
28 | 7192 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,28) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465006f010000
29 | 7152 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,29) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650070010000
30 | 7112 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,30) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650071010000
31 | 7072 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,31) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650072010000
32 | 7032 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,32) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650073010000
33 | 6992 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,33) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650074010000
34 | 6952 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,34) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650075010000
35 | 6912 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,35) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650076010000
36 | 6872 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,36) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650077010000
37 | 6832 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,37) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650078010000
38 | 6792 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,38) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650079010000
39 | 6752 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,39) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465007a010000
40 | 6712 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,40) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465007b010000
41 | 6672 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,41) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465007c010000
42 | 6632 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,42) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465007d010000
43 | 6592 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,43) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465007e010000
44 | 6552 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,44) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465007f010000
45 | 6512 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,45) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650080010000
46 | 6472 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,46) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650081010000
47 | 6432 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,47) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650082010000
48 | 6392 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,48) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650083010000
49 | 6352 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,49) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650084010000
50 | 6312 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,50) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650085010000
51 | 6272 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,51) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650086010000
52 | 6232 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,52) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650087010000
53 | 6192 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,53) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650088010000
54 | 6152 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,54) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650089010000
55 | 6112 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,55) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465008a010000
56 | 6072 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,56) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465008b010000
57 | 6032 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,57) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465008c010000
58 | 5992 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,58) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465008d010000
59 | 5952 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,59) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465008e010000
60 | 5912 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,60) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465008f010000
61 | 5872 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,61) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650090010000
62 | 5832 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,62) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650091010000
63 | 5792 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,63) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650092010000
64 | 5752 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,64) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650093010000
65 | 5712 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,65) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650094010000
66 | 5672 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,66) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650095010000
67 | 5632 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,67) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650096010000
68 | 5592 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,68) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650097010000
69 | 5552 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,69) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650098010000
70 | 5512 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,70) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f7570646174650099010000
71 | 5472 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,71) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465009a010000
72 | 5432 | 1 | 36 | 1655 | 0 | 0 | (0,72) | 2 | 2306 | 24 | | | \x0f757064617465009b010000
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pg_filedump工具
安装pg_filedump工具
su - postgres
git clone git://git.postgresql.org/git/pg_filedump.git
cd pg_filedump
make && make install
使用pg_filedump工具
[postgres@mogdb1 13580]$ pg_filedump -D varchar,int -i 16977|more
********************************************************************
PostgreSQL File/Block Formatted Dump Utility
** File: 16977* Options used: -D varchar,int -i
*******************************************************************
Block 0
********************************************************
<Header>
-----
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通过观察页内数据的变化，有助于我们理解PG数据库中MVCC，VACUUM以及HOT特性的原理。
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