《PostgreSQL技术内幕——原理探索》第二章 进程和内存架构

本章总结了PostgreSQL中进程与内存的架构，有助于读者理解后续章节。 如果读者已经熟悉这些内容，可以直接跳过本章。

2.1 进程架构

PostgreSQL是一个客户端/服务器风格的关系型数据库管理系统，采用多进程架构，运行在单台主机上。

我们通常所谓的“PostgreSQL服务器（PostgreSQL Server）” 实际上是一系列协同工作的进程集合，包含着下列进程：

• postgres服务器进程（Postgres Server Process）是所有数据库集簇管理进程的父进程。
• 每个后端进程（Backend Process） 负责处理客户端发出的查询和语句。
• 各种后台进程（Background Process） 负责执行各种数据库管理任务（例如清理过程与检查点过程）。
• 各种复制相关（Replication Associated Process）的进程负责流复制，流复制的细节会在第11章中介绍。
• 后台工作进程（Background Worker Process） 在9.3版被引入，它能执行任意由用户实现的处理逻辑。这里不详述，请参阅官方文档。

以下几小节将详细描述前三种进程。

图2.1 PostgreSQL的进程架构示例

本图展示了PostgreSQL服务器包含的进程：postgres服务器进程，两个后端进程，七个后台进程，以及两个客户端进程。 也画出了数据库集簇，共享内存，以及两个客户端。

2.1.1 Postgres服务器进程

如上所述，postgres服务器进程（postgres server process）是PostgreSQL服务器中所有进程的父进程，在早期版本中它被称为“postmaster“。

带start参数执行pg_ctl实用程序会启动一个postgres服务器进程。它会在内存中分配共享内存区域，启动各种后台进程，如有必要还会启动复制相关进程与后台工作进程，并等待来自客户端的连接请求。 每当接收到来自客户端的连接请求时，它都会启动一个后端进程 （然后由启动的后端进程处理该客户端发出的所有查询）。

一个postgres服务器进程只会监听一个网络端口，默认端口为5432。如果要在同一台主机上运行多个PostgreSQL服务器，则应为每个服务器配置不同的监听端口，如5432，5433等。

2.1.2 后端进程

每个后端进程（也称为”postgres“）由postgres服务器进程启动，并处理连接另一侧的客户端发出的所有查询。它通过单条TCP连接与客户端通信，并在客户端断开连接时终止。

因为一条连接只允许操作一个数据库，因此必须在连接到PostgreSQL服务器时显式指定要连接的数据库。

PostgreSQL允许多个客户端同时连接；配置参数max_connections用于控制最大客户端连接数（默认为100）。

因为PostgreSQL没有原生的连接池功能，因此如果许多客户端频繁地重复与PostgreSQL服务器建立断开连接（譬如WEB应用），则会导致建立连接与创建后端进程的开销变大。这种情况对数据库服务器的性能有负面影响，通常可以使用池化中间件（pgbouncer或pgpool-II）来避免该问题。

2.1.3 后台进程

表2.1是后台进程的列表。比起postgres服务器和后端进程，后台进程的种类要多很多。想要简单地解释每种后台进程的具体功能是不现实的，因为这些功能有赖PostgreSQL的内部机制与特定的独立特性。依赖于各个特定的特性以及PostgreSQL的内部机制。 因此在本章中仅做简要介绍。 细节将在后续章节中描述。

表2.1 后台进程

这里展示了PostgreSQL服务器包含的实际进程。 在以下示例中有一个postgres服务器进程（pid为9687），两个后端进程（pid为9697和9717），以及表2.1中列出的几个后台进程正在运行，亦见图2.1。

postgres> pstree -p 9687 -+= 00001 root /sbin/launchd \-+- 09687 postgres /usr/local/pgsql/bin/postgres -D /usr/local/pgsql/data |--= 09688 postgres postgres: logger process |--= 09690 postgres postgres: checkpointer process |--= 09691 postgres postgres: writer process |--= 09692 postgres postgres: wal writer process |--= 09693 postgres postgres: autovacuum launcher process |--= 09694 postgres postgres: archiver process |--= 09695 postgres postgres: stats collector process |--= 09697 postgres postgres: postgres sampledb 192.168.1.100(54924) idle \--= 09717 postgres postgres: postgres sampledb 192.168.1.100(54964) idle in transaction

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

postgres> pstree -p 9687 -+= 00001 root /sbin/launchd \-+- 09687 postgres /usr/local/pgsql/bin/postgres -D /usr/local/pgsql/data    |--= 09688 postgres postgres: logger process        |--= 09690 postgres postgres: checkpointer process        |--= 09691 postgres postgres: writer process        |--= 09692 postgres postgres: wal writer process        |--= 09693 postgres postgres: autovacuum launcher process        |--= 09694 postgres postgres: archiver process        |--= 09695 postgres postgres: stats collector process        |--= 09697 postgres postgres: postgres sampledb 192.168.1.100(54924) idle      \--= 09717 postgres postgres: postgres sampledb 192.168.1.100(54964) idle in transaction

2.2 内存架构

PostgreSQL的内存架构可以分为两部分：

• 本地内存区域 —— 由每个后端进程分配，供自己使用。
• 共享内存区域 —— 供PostgreSQL服务器的所有进程使用。

下面一小节简要介绍了这两部分架构。

图2.2 PostgreSQL的内存架构

2.2.1 本地内存区域

每个后端进程都会分配一块本地内存区域用于查询处理。该区域会分为几个子区域 —— 子区域的大小有的固定，有的可变。 表2.2列出了主要的子区域。 详细信息将在后续章节中介绍。

表2.2 本地内存区域

2.2.2 共享内存区域

PostgreSQL服务器启动时会分配共享内存区域。该区域分为几个固定大小的子区域。 表2.3列出了主要的子区域。 详细信息将在后续章节中介绍。

表2.3 共享内存区域

除了上面这些，PostgreSQL还分配了这几个区域：

• 用于访问控制机制的子区域（例如信号量，轻量级锁，共享和排他锁等）。
• 各种后台进程使用的子区域，例如checkpointer和autovacuum。
• 用于事务处理的子区域，例如保存点（save-point） 与 两阶段提交（2PC）。

诸如此类。