02 进程架构与生命周期

目标：理解“一个客户端连接 = 一个 backend 进程”的进程模型，掌握 postmaster 如何 fork / signal 整个家族，以及每个子进程的工作。

2.1 进程家族一览

           +-----------------+
           |   postmaster    |  <- 唯一常驻监听进程
           +--------+--------+
                    |
  +------+----------+-----+----+----+----+----+----+----+----+
  |      |          |     |    |    |    |    |    |    |    |
bgwriter checkpointer walwriter startup autovacuum launcher walsummarizer
                                                                 (PG16+)
                                                                 ... 以及
               按需 fork 的 backend (每个客户端连接一个)

2.2 启动序列

入口：src/backend/main/main.c:main()。

progname = get_progname(argv[0]);
startup_hacks(progname);                 // 平台相关
argv = save_ps_display_args(argc, argv);  // 给 ps 显示用
if (argc > 1) {
    if (strcmp(argv[1], "--boot") == 0)        // 单用户/boot 模式
        AuxiliaryProcessMain(argc, argv);
    else if (strcmp(argv[1], "--describe-config") == 0)
        ...
    else
        PostmasterMain(argc, argv);           // 正常路径
}

PostmasterMain 流程（postmaster.c）：

1. 解析命令行选项（端口、数据目录、-h、-i 等）
2. pq_init() 初始化 libpq 内存
3. 读取 postgresql.conf（guc_file.l）
4. 校验配置（shared_buffers、max_connections 等）
5. create_data_dir_paths() 确认 PGDATA 合法
6. 早期启动：fork 一个子进程跑 StartupProcessMain 做 crash recovery（如果有）
7. fork 各种辅助进程：bgwriter / checkpointer / walwriter / walsummarizer / autovacuum launcher
8. 进入主循环：监听 socket、accept 新连接、fork backend

2.3 接受新连接

主循环的关键调用（伪代码）：

for (;;) {
    SELinuxReloadConfig();                 // 周期性 reload
    TouchSocketFiles();
    FarKeeperMainLoop();                   // 处理一些 background 任务
    HandleMainLoop();                      // 核心：accept + fork
}

HandleMainLoop() 里：

for (;;) {
    selret = WaitEventSetWait(...);        // poll/select/epoll 包装
    for (i = 0; i < selret.num_events; i++) {
        if (event is listen socket)
            conn = ConnCreate(listen_sock);
            BackendStartup(conn);          // fork backend
        else if (event is a backend's socket)
            SignalBackend(...);
        ...
    }
}

BackendStartup 干两件事：

1. fork_process() 创建一个子进程，子进程跑 BackendRun → PostgresMain
2. 父进程继续监听

子进程里：

// postgres.c
PostgresMain(int argc, char *argv[])
{
    BaseInit();                            // 初始化内存上下文、portable signal
    InitMyProcInfo();                      // 在 shared memory 里登记
    InitProcessPhase2();                   // latch、signal handler
    InitPostgres(...);                     // 跑 initdb 的 bootstrap、连接数据库
    for (;;) {
        // 读一条 query（PostgresMain 的 inner loop）
        // → exec_simple_query 或 exec_execute_message
    }
}

2.4 信号机制

PG 用自实现的 pqsignal() 取代 sigaction()，原因是同一信号在不同平台上行为不同，需要可移植封装。

ProcessInterrupts 是 backend 里“信号-逻辑”的核心桥（src/backend/storage/ipc/procsignal.c / src/backend/utils/init/interrupt.c）：

• SIGQUIT → 立即 abort，core dump，不跑 shutdown
• SIGTERM → smart shutdown：拒绝新连接、跑完现有事务再退
• SIGINT → fast shutdown：拒绝新连接、cancel running query、退出
• SIGUSR1 → 触发 log rotation
• SIGUSR2 → 通常没动作，给某些 extension 用

关键函数：

• pqsignal(SIGTERM, die) —— die 是 postmaster.c 的信号处理函数
• die(SIGTERM) 触发 SetQuitSignalReason()，让 backend 在合适时机检查 ProcDiePending
• ProcessInterrupts() 在 tcop/postgres.c:PostgresMain 的 inner loop 里被调用

记住：信号处理函数里 几乎什么都不能做，只能设标志位。所有清理工作都在主循环的“安全点”做。这点跟 Linux 内核的 TASK_INTERRUPTIBLE 思路一致。

2.5 共享内存布局

每个进程（postmaster 启动后所有子进程）通过 shmem 映射同一片内存：

shmem 起始
+----------------------------------+
| PGShmemHeader                     |  <- magic + size
+----------------------------------+
| LWLocks array                     |
+----------------------------------+
| Buffer Blocks (NBuffers * 8KB)    |
+----------------------------------+
| Buffer Descriptors                |  BufferDesc[NBuffers]
+----------------------------------+
| Lock hash table                   |
| Proc header + Proc array          |
+----------------------------------+
| ... 其他共享结构 (clog, multixact, ...) ...
+----------------------------------+

• Buffer Blocks：NBuffers 个 8KB 页面在 shmem 里（也可以 huge_pages=try 走大页）。
• Buffer Descriptors：BufferDesc 在 src/include/storage/buf_internals.h，每个 buffer 一份。包含：
  • tag：relfilenode + forkNum + blockNum
  • buf_id：在 buffer pool 里的索引
  • state：BM_LOCKED / BM_DIRTY / BM_JUST_DIRTIED / BM_IO_IN_PROGRESS / BM_PIN_COUNT_WAITER / BM_VALID
  • usage_count：clock-sweep 替换策略用的引用计数
  • wait_backend_pgprocno：等 pin 的等待者

每个 backend 还通过 dsm（dynamic shared memory）申请自己的私有段。GUC dynamic_shared_memory_type 控制实现（posix / sysv / mmap / windows）。

2.6 进程间通信

PG 用三套机制：

1. 共享内存 —— 大量无锁/lwlock 同步。Buffer pool、锁、Proc array、clog、subtrans、multixact 等。
2. 信号 —— postmaster → backend 的单向通知（cancel、die 等）。
3. latch —— 自实现的轻量唤醒（基于 eventfd / pipe）。src/backend/storage/ipc/latch.c。
   • WaitLatch(MyLatch, WL_LATCH_SET | WL_TIMEOUT | WL_POSTMASTER_DEATH, ...)
   • 线程/进程间极快的唤醒，比 signal 便宜。

MyLatch 是 pgproc.h 里 Proc 结构体中的一个字段，postmaster 与各 backend 都映射到同一片内存里。

2.7 一次 backend 的一生

fork (postmaster)
   │
   ├── 子进程执行 BackendRun
   ├── PostgresMain:
   │      BaseInit
   │      InitMyProcInfo      ← 把自己的 Proc 结构挂进 ProcArray
   │      InitPostgres        ← 解析 database/user, 跑 session 级别 init
   │      │
   │      for (;;) {
   │          read command from libpq
   │          switch (command) {
   │              case 'Q':  exec_simple_query     → PortalRun
   │              case 'P':  exec_parse_bind_execute → PortalRun
   │              ...
   │          }
   │          CHECK_FOR_INTERRUPTS();
   │      }
   │
   ├── 收到 SIGTERM:
   │      die(SIGTERM) → SetProcDieFlag
   │      PostgresMain 内循环检查到 → 关闭连接
   │
   ├── shutdown:
   │      ProcArrayRemoveMyProc
   │      CleanupProc
   │      _exit(0)
   │
   └── postmaster reaps

2.8 实战练习

2.8.1 数进程

postgres=# SELECT pid, application_name, backend_type, state, query
           FROM pg_stat_activity;

backend_type 会显示 client backend / autovacuum worker / checkpointer / walwriter / background worker / etc.。

2.8.2 给 backend 发信号

# 找到 backend 的 PID
psql -h /tmp -U postgres -c "SELECT pg_backend_pid()"
# 假设返回 12345
kill -INT 12345       # fast shutdown: 取消当前 query
kill -TERM 12345      # smart shutdown: 等当前 query 结束

2.8.3 GDB 跟踪 fork

gdb --args ./install/bin/postgres -D /tmp/pgdata
(gdb) set follow-fork-mode child       # 跟子进程
(gdb) set detach-on-fork off
(gdb) b PostmasterMain
(gdb) c

然后 psql 连一下，观察 GDB 切到 backend 子进程，断点在 PostgresMain。

2.8.4 看共享内存

# macOS
sudo ipcs -m
# Linux
ipcs -m

PG 启动时会创建一段以 GlobalPostgresSharedMemory 为 key 的 shmem。

2.9 小结

• 一个 client 连接 = 一个 backend 进程。没有连接池（除非用 PgBouncer）。
• postmaster 是唯一监听进程，所有连接都从它 fork。
• 进程间通信三件套：shmem / signal / latch。
• 后端进程的生命周期由信号驱动，但所有清理都在“安全点”做。
• PG 18 新增 walsummarizer 进程，逻辑复制和增量备份更便宜。

下一章（03）会从 backend 收到一条 SQL 那一刻开始，继续往里走。

2.10 图示

2.10.1 进程家族结构

2.10.2 backend 进程的生死时序

2.10.3 共享内存布局（横截面）

2.10.4 信号 vs latch vs shmem 对照

图示配套源码：src/backend/postmaster/{postmaster,bgwriter,checkpointer,walwriter,startup,autovacuum,walsummarizer}.c，src/backend/storage/ipc/{latch,procsignal}.c，src/backend/storage/lmgr/lwlock.c。