PostgreSQL物理存储结构之表的Page内容分析

郑全

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

                               
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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
  

• ​ lp_len:Items部分的实际长度
  

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。

PageHeaderData

PageHeaderData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  
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49 |   6352 |        1 |     36 |   1655 |      0 |        0 | (0,49)  |           2 |       2306 |     24 |        |       | \x0f7570646174650084010000  
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105 |   4192 |        1 |     36 |   1655 |      0 |        0 | (0,105) |           2 |       2306 |     24 |        |       | \x0f75706461746500ba010000
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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。