10 进阶特性


难度 中等

目标:把前面 9 章没覆盖的访问方法与执行层高级特性收口:其他 access method(hash/gist/gin/spgist/brin)、并行执行、分区、FDW、JIT、logical replication。这一章不要求每项精通,但需要知道“这些都怎么入手”。

10.1 五大 AM 对照

AM 适用场景 数据结构 关键文件
hash 等值查询(=) linear hash access/hash/
gist 范围/几何/全文 平衡树(R-tree 变种) access/gist/
gin 倒排(全文/数组/JSONB) posting list access/gin/
spgist 空间/前缀树 树 access/spgist/
brin 大表范围(自然顺序) block range summary access/brin/

10.1.1 hash

PG 10+ 是 linear hash(按 bucket 顺序扩展):

src/backend/access/hash/hash.c
src/backend/access/hash/hashinsert.c
src/backend/access/hash/hashsearch.c
src/backend/access/hash/hashutil.c
src/backend/access/hash/hash_xlog.c

hash_xlog.c 负责 redo。要点:

  • split 是顺序的,不是随机的(这是 linear hash 的特性)
  • 不必重启即可 split(SGI 时代要 restart,PG 10 改为 inline split)

10.1.2 gist

R-tree 变种,每个 internal node 用 predicate 描述子空间:

src/backend/access/gist/gist.c
src/backend/access/gist/gistbuild.c
src/backend/access/gist/gistscan.c
src/backend/access/gist/gistxlog.c

代码风格:每个 opclass 提供 7 个支持函数(consistent、union、compress、decompress、penalty、same、fetch)。

10.1.3 gin

倒排索引:term → posting list:

src/backend/access/gin/gininsert.c
src/backend/access/gin/ginbtree.c
src/backend/access/gin/ginscan.c
src/backend/access/gin/ginvacuum.c
src/backend/access/gin/ginxlog.c

特点:

  • fastupdate(GUC)把新 term 缓存在 ginPendingList,合并周期刷新
  • posting tree 是 B-Tree(嵌套)

10.1.4 spgist

基于 trie 的非平衡树:

src/backend/access/spgist/spginsert.c
src/backend/access/spgist/spgscan.c
src/backend/access/spgist/spgutils.c
src/backend/access/spgist/spgvacuum.c
src/backend/access/spgist/spgxlog.c

适合:IP 前缀、电话号码前缀、点(KD-tree 风格)。

10.1.5 brin(块范围摘要)

只存每 block range 的 min/max/sum/avg 等摘要:

src/backend/access/brin/brin.c
src/backend/access/brin/brin_pageops.c
src/backend/access/brin/brin_xlog.c

特点:

  • 索引小(几 KB 到几 MB)
  • 范围查询快;等值查询慢(要在 heap 验)
  • pages_per_range 控制粒度

10.2 并行执行

src/backend/executor/execParallel.c 是入口。

10.2.1 触发条件

SET max_parallel_workers_per_gather = 4;
SET parallel_tuple_cost = 0;

优化器发现 plan 代价高于阈值时插入 Gather 节点。

10.2.2 流程

master backend (Gather)
   ├── 启动 N 个 worker (动态共享内存 dsm + TupleQueue)
   └── Worker 跑 plan 子树
       └── 发出 tuple 到 queue
           └── master 从 queue 收集 → 给上层

TupleQueue 是 src/backend/executor/tqueue.c。

10.2.3 哪些节点可以并行

  • 扫描:SeqScan / IndexScan / IndexOnlyScan / CustomScan(FDW)
  • 聚合:HashAgg(PG 16+ 部分场景)
  • Hash join 的 build side(部分)
  • Append(PG 16+)

10.2.4 关键 GUC

  • max_parallel_workers (default 8)
  • max_parallel_workers_per_gather (default 2)
  • parallel_leader_participation
  • parallel_tuple_cost
  • parallel_setup_cost

10.2.5 观察并行

EXPLAIN (ANALYZE, VERBOSE) SELECT count(*) FROM big;
-- Gather 节点
--   Workers Planned/Launched
--   Workers Actual

pg_stat_activity 里也能看到并行 worker 的 PID。

10.3 分区

PG 10+ 内置三种:

  • RANGE:CREATE TABLE t PARTITION BY RANGE (id)
  • LIST:PARTITION BY LIST (region)
  • HASH:PARTITION BY HASH (id)(PG 11+)

10.3.1 分区剪枝

优化器生成 plan 时会跳过不相关的 partition:

  • 静态剪枝:WHERE id BETWEEN 100 AND 200 时
  • 动态剪枝:PREPARE + EXECUTE 时按参数剪

src/backend/partitioning/partprune.c。

10.3.2 Append 节点

多个 partition 在 plan 层合并为 Append 节点。

10.3.3 分区 + 并行

PG 14+ 支持并行 Append(每个 partition 一个 worker)。

10.3.4 分区表 + 索引

  • CREATE INDEX ON parent:PG 11+ 自动为每个 partition 创建
  • 分区表与 unique constraint 关系复杂:unique 必须包含分区键

10.4 FDW(Foreign Data Wrapper)

src/backend/foreign/ + src/include/foreign/:

src/backend/foreign/foreign.c
src/backend/foreign/fdwapi.c

FDW 是 PG 的“连接外部数据源”机制。

10.4.1 自定义 FDW

必须实现 9 个 handler 函数(FdwRoutine):

typedef struct FdwRoutine {
    PlanForeignModify_function      PlanForeignModify;
    BeginForeignModify_function      BeginForeignModify;
    ExecForeignInsert_function       ExecForeignInsert;
    ...
    GetForeignRelSize_function       GetForeignRelSize;
    GetForeignPaths_function         GetForeignPaths;
    GetForeignPlan_function          GetForeignPlan;
    BeginForeignScan_function        BeginForeignScan;
    IterateForeignScan_function      IterateForeignScan;
    ReScanForeignScan_function       ReScanForeignScan;
    EndForeignScan_function          EndForeignScan;
    AnalyzeForeignTable_function     AnalyzeForeignTable;
} FdwRoutine;

10.4.2 常用 FDW

  • postgres_fdw:跨 PG 节点
  • file_fdw:读 CSV / 二进制文件
  • mysql_fdw / oracle_fdw:第三方

10.5 JIT

PG 11+ 引入 LLVM-based JIT 编译:

SET jit = on;
SET jit_above_cost = 100000;
SET jit_inline_above_cost = 500000;
SET jit_optimize_above_cost = 500000;

源码:

  • src/backend/jit/llvm/(用 LLVM 库)
  • src/backend/jit/jit.c

可加速:

  • 表达式求值(WHERE a + b > c)
  • tuple deforming

不可加速:

  • 谓词下推(要看 FDW)

10.6 逻辑复制

PG 10+ 原生 logical replication:

  • CREATE PUBLICATION 定义要发布的表
  • CREATE SUBSCRIPTION ... CONNECTION '...' 在另一节点订阅
  • pgoutput 是默认的 output plugin

源码:

  • src/backend/replication/logic/:复制协议
  • src/backend/replication/pgoutput/:pgoutput
  • src/backend/replication/walsummarizer.c:PG 16+ 的 WAL 摘要

要点:

  • logical decoding 从 WAL 提取 tuple changes(用 ReorderBuffer)
  • wal_level = logical
  • 支持 ROW 与 STATEMENT(推荐 ROW)

10.7 进程内并行:扩展

PG 的扩展系统允许:

  • 自定义数据类型
  • 自定义函数(C / PL/pgSQL / Python 等)
  • 自定义 access method(注册到 rmgr 或 indextuple)
  • 自定义 background worker
  • 自定义 fdw

GUC 控制 shared_preload_libraries 决定哪些扩展预加载。

10.8 pg_stat 体系

PG 16+ 引入统一的 pg_stat_*:

  • pg_stat_statements:所有 SQL 的统计
  • pg_stat_io:IO 统计(新增)
  • pg_stat_progress_vacuum / _cluster / _create_index / _analyze / _basebackup / _copy

源码在 src/backend/utils/activity/pgstat_*.c。

10.9 测试与工具

工具 路径 用途
pg_regress src/test/regress/ SQL 回归
isolationtester src/test/isolation/ 并发测试
pg_isolation_regress 同时跑上述两类
pg_upgrade src/bin/pg_upgrade/ 主版本升级
pg_basebackup src/bin/pg_basebackup/ 基础备份
pg_dump / pg_restore src/bin/pg_dump/ 逻辑导出
pg_waldump / pg_xlogdump src/bin/pg_waldump/ WAL 解析

10.9.1 跑回归测试

cd build
meson test -C build                              # 全部
meson test -C build -t 5                         # 慢测试
meson test -C build -R "btree"                   # 只跑 btree

10.9.2 TAP 测试

PG 11+ 用 TAP 框架:

make -C src/test/recovery/ check

10.10 实战

10.10.1 启用 hash 索引

-- 注意:PG 10 起 hash 索引写 WAL,不再 crash-unsafe
postgres=# CREATE INDEX t_hash ON t USING hash (id);

10.10.2 启用 BRIN

postgres=# CREATE INDEX t_brin ON t USING brin (id) WITH (pages_per_range=32);

10.10.3 看并行

postgres=# CREATE TABLE big AS SELECT g AS id FROM generate_series(1, 10000000) g;
postgres=# SELECT count(*) FROM big;
postgres=# SET max_parallel_workers_per_gather = 4;
postgres=# EXPLAIN (ANALYZE) SELECT count(*) FROM big;

10.10.4 看 JIT

postgres=# SET jit = on;
postgres=# SET jit_above_cost = 1;
postgres=# EXPLAIN (ANALYZE) SELECT sum(a*b) FROM big a JOIN big b USING (id);

10.10.5 看 logical replication

-- primary
CREATE PUBLICATION p FOR TABLE t;
-- another node
CREATE SUBSCRIPTION s CONNECTION 'host=localhost user=postgres dbname=postgres'
           PUBLICATION p;

10.11 进一步深入的方向

完成 L4 后,可以挑一个方向深挖:

方向 入门文件
优化器 src/backend/optimizer/README、pathnodes.h
执行器并行 execParallel.c、nodeGather.c
逻辑复制 / logical decoding reorderbuffer.c、pgoutput.c
贡献 PG src/backend/access/transam/README、CF bot、pgsql-hackers
FDW / 自定义 AM 文档:“Writing a Foreign Data Wrapper”、“Writing an access method”
新特性(async I/O / incremental sort / MERGE) commitfest.postgresql.org 跟踪

10.12 推荐的源码阅读顺序(最终版)

按本系列 10 章走完一遍后,再做一遍 倒序读——从 postgres.c:PostgresMain 出发,**只跟踪一条 SELECT * FROM t WHERE id = 1**:

  1. postgres.c:PostgresMain
  2. → pg_parse_query
  3. → pg_analyze(看一眼 rtable)
  4. → pg_rewrite(无 view,跳过)
  5. → pg_plan_queries(看一眼 plan 树)
  6. → ExecutorStart(InitPlan → ExecInitSeqScan → ExecInitResultRelation)
  7. → ExecProcNode 反复跑
  8. → heap_getnext → heapgetpage → ReadBuffer → smgrread → pwrite()
  9. → HeapTupleSatisfiesMVCC → 命中 → 序列化 → 客户端

手画一遍这条调用链,并在每跳加一句“这一步做了什么”。能 30 分钟内闭卷画出来,L1-L4 就过关了。

之后可以挑一个方向(推荐 优化器 或 B-Tree),从这条主干向深处挖。

10.13 推荐资源

  • 官方手册:https://www.postgresql.org/docs/18/
  • 源码:https://git.postgresql.org/gitweb/?p=postgresql.git
  • 邮件列表:pgsql-hackers@lists.postgresql.org
  • 论文:Michael Stonebraker “The Design of the Postgres Rules System” 等
  • 博客:
    • Hironobu SUZUKI(Pg internals)
    • Bruce Momjian 的 PPT
    • depesz(explain.depesz.com)
  • 工具:
    • explain.dalibo.com
    • pg_plan_guarantee extension
    • pgsentinel
    • pgspot

10.14 收尾

整个系列从 0 写到 10 章,把 PG 18 源码的存储引擎主线串了起来。

如果有一条最核心的心得,那就是:PG 没有 undo log。所有“历史版本”都在 heap 里;所有“恢复”都只 redo 不 undo;所有“清理”都靠 vacuum。

理解这一点,前面 9 章的很多“为什么”就都能串起来:

  • 为什么 heap 会有死 tuple → 因为没 undo
  • 为什么 MVCC 的可见性靠 t_xmin/t_xmax → 因为没有专门的事务回滚记录
  • 为什么 heap_insert 写 tuple 时就要写 WAL → 因为没有 in-place 撤回能力
  • 为什么 vacuum 比 InnoDB purge 更重要 → 因为 PG 没法从 undo 里直接扔掉

当你能把每条 SQL 行为 用这一条原则 解释清楚,就已经是 资深存储引擎内核开发人员 了。

10.19 图示

10.19.1 五种访问方法对比

graph TB SQL["CREATE INDEX t_idx ON t USING ?"] SQL -->|btree| BT["B-Tree<br/>(默认)<br/>通用场景"] SQL -->|hash| HS["Hash<br/>仅等值 (=)<br/>linear hash"] SQL -->|gist| GT["GiST<br/>范围/几何/全文<br/>predicate 树"] SQL -->|gin| GN["GIN<br/>倒排索引<br/>posting list"] SQL -->|spgist| SP["SP-GiST<br/>trie 风格<br/>IP前缀/KD"] SQL -->|brin| BR["BRIN<br/>块范围摘要<br/>min/max per range"] BT -.->|支持| B["=, <, ≤, BETWEEN, ORDER BY"] HS -.->|支持| H["="] GT -.->|支持| G["范围包含 / 相交 / 几何"] GN -.->|支持| N["@>, ? 数组 / JSONB / tsvector"] SP -.->|支持| S["前缀 / 范围 / 空间"] BR -.->|支持| R["<, BETWEEN,<br/>自然顺序表"] style BT fill:#c8e6c9 style GN fill:#fff9c4 style BR fill:#ffccbc

10.19.2 并行执行器拓扑

graph TB M["master backend<br/>(Gather)"] M -->|DSM TupleQueue| W1["worker 1<br/>(SeqScan / HashAgg / ...)"] M -->|DSM TupleQueue| W2["worker 2"] M -->|DSM TupleQueue| W3["worker 3"] M -->|DSM TupleQueue| W4["worker N"] subgraph DSM[Dynamic Shared Memory] TQ[1["TupleQueue<br/>(tqueue.c)"] end M -.-> TQ W1 -.-> TQ W2 -.-> TQ style M fill:#fff9c4 style DSM fill:#e3f2fd

10.19.3 分区剪枝流程

flowchart TD Q["SELECT * FROM t WHERE id > 100 AND id < 200"] Q --> P["planner 生成 plan"] P --> PP1{"静态条件?<br/>(编译期已知)"} PP1 -->|yes| SP["partprune 静态剪枝<br/>(生成 Append 节点时跳过 partition)"] PP1 -->|no| PP2{"EXECUTE 参数化?"} PP2 -->|yes| DP["动态剪枝<br/>(prepare + execute 时按参数)"] PP2 -->|no| ALL["Append 扫所有 partition"] SP --> RES["输出 3 个 partition<br/>(id 范围匹配)"] DP --> RES ALL --> OUT["输出 N 个 partition<br/>(可能全扫)"] style PP1 fill:#fff9c4 style PP2 fill:#fff9c4 style SP fill:#c8e6c9 style ALL fill:#ffccbc

10.19.4 Logical Decoding 数据管线

flowchart LR WAL["WAL<br/>(physical records)"] WAL --> RD["XLogReadRecord"] RD --> D["rm_decode<br/>(每个 rmgr 自带)"] D --> RB["ReorderBuffer<br/>(缓存 + 排序 by xid)"] RB -->|commit order| OP["output plugin<br/>(pgoutput / test_decoding)"] OP --> PROTO["logical proto<br/>(begin / change / commit)"] PROTO --> AP["apply worker<br/>(src/backend/worker/worker.c)"] AP --> SUBS["subscriber tables"] style WAL fill:#fff3e0 style RB fill:#fff9c4 style OP fill:#c8e6c9

图示配套源码:src/backend/access/{hash,gist,gin,spgist,brin}/、src/backend/executor/{execParallel.c,nodeGather.c,tqueue.c}、src/backend/partitioning/partprune.c、src/backend/replication/{logic/reorderbuffer.c,logic/decode.c,pgoutput/pgoutput.c,worker/worker.c}。


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