MK
摩柯社区 - 一个极简的技术知识社区
AI 面试

PostgreSQL检查点创建流程与注意事项

2022-09-163.4k 阅读

一、PostgreSQL 检查点概述

在 PostgreSQL 数据库中，检查点（Checkpoint）是一项关键机制，它对于确保数据的一致性、崩溃恢复能力以及高效的事务处理起着至关重要的作用。

检查点的核心功能是将内存中已修改的数据页（称为脏页）强制刷新到磁盘上的物理存储中。当系统崩溃或意外断电后，PostgreSQL 可以利用检查点信息，快速确定需要从哪里开始进行恢复操作，从而减少恢复所需的时间。

1.1 检查点与事务日志

PostgreSQL 使用预写式日志（Write - Ahead Log，WAL）来记录数据库的所有修改操作。每个事务在执行过程中，其产生的修改首先会记录到 WAL 日志中，然后才会对实际的数据页面进行修改。

检查点操作会在 WAL 日志中标记一个位置，这个位置之前的 WAL 日志记录所对应的所有数据修改都已经被安全地刷新到了磁盘。在崩溃恢复时，PostgreSQL 会从最近的检查点开始，重放检查点之后的 WAL 日志记录，将数据库恢复到崩溃前的状态。

例如，假设有一系列事务 T1、T2、T3 依次执行，在执行 T3 的过程中系统崩溃。如果在 T1 执行完后创建了一个检查点，那么在恢复时，PostgreSQL 只需重放 T2 和 T3 产生的 WAL 日志记录，而无需重放 T1 的日志，因为 T1 的修改已经在检查点时刷新到了磁盘。

1.2 检查点的类型

PostgreSQL 中有两种主要类型的检查点：

  1. 定期检查点：根据配置的时间间隔或 WAL 日志文件大小阈值，系统会自动触发定期检查点。这种检查点确保了即使在没有大量事务活动的情况下，数据也能定期持久化到磁盘，以保证崩溃恢复的效率。
  2. 强制检查点：通过特定的 SQL 命令或系统调用，管理员可以手动触发强制检查点。例如，在进行数据库备份、执行一些可能影响数据一致性的操作（如切换 WAL 日志文件）时，可能需要手动触发强制检查点，以确保备份的数据是一致的，或者确保 WAL 日志切换时所有修改都已持久化。

二、PostgreSQL 检查点创建流程

2.1 定期检查点的触发机制

PostgreSQL 的定期检查点是由后台进程 checkpointer 负责管理的。checkpointer 进程会定期醒来，检查是否满足触发检查点的条件。

触发定期检查点的条件主要基于两个参数：

  1. checkpoint_timeout：这个参数定义了两次检查点之间的最大时间间隔，默认值是 5 分钟（300 秒）。当自上次检查点以来的时间超过这个值时，checkpointer 进程会触发一个检查点。
  2. checkpoint_segments：此参数指定了在触发检查点之前，允许积累的 WAL 日志段文件数量。每个 WAL 日志段文件大小固定（默认 16MB）。当 WAL 日志文件数量达到 checkpoint_segments 的值时，也会触发检查点。

例如，假设 checkpoint_timeout 设置为 10 分钟（600 秒），checkpoint_segments 设置为 10。如果自上次检查点以来已经过去了 10 分钟，或者 WAL 日志文件数量达到了 10 个，checkpointer 进程就会开始创建检查点。

2.2 强制检查点的触发方式

要手动触发强制检查点，可以使用以下 SQL 命令：

CHECKPOINT;

执行这个命令后，PostgreSQL 会立即开始创建一个检查点。在一些特定场景下，比如在进行数据库冷备份之前，使用 CHECKPOINT 命令可以确保所有脏数据页都被刷新到磁盘，从而保证备份的数据一致性。

2.3 检查点创建的具体步骤

  1. 停止新事务写入 WAL 日志：在开始创建检查点时，PostgreSQL 会暂时停止新事务对 WAL 日志的写入。这一步是为了确保在检查点过程中，不会有新的未完成事务干扰检查点的创建。
  2. 刷脏页到磁盘：PostgreSQL 会遍历共享缓冲区（shared buffer），将所有已修改的（脏）数据页刷新到磁盘上的数据文件中。这个过程可能会涉及大量的 I/O 操作，因为需要将内存中的修改实际写入到物理存储设备。
  3. 记录检查点信息到 WAL 日志：一旦所有脏页都被刷新到磁盘，PostgreSQL 会在 WAL 日志中记录一个检查点记录。这个记录包含了检查点的时间戳、所有数据文件的当前状态等信息。这些信息在崩溃恢复时用于确定恢复的起始位置。
  4. 更新控制文件：PostgreSQL 还会更新控制文件（如 pg_control），将检查点的相关信息写入其中。控制文件记录了数据库的整体状态，包括最近的检查点信息。这样，在数据库启动时，可以快速获取到最近的检查点位置，以便进行崩溃恢复。
  5. 恢复 WAL 日志写入：最后，检查点创建完成后，PostgreSQL 会恢复新事务对 WAL 日志的写入，数据库继续正常运行。

例如，以下是一个简化的伪代码来描述检查点创建过程：

# 停止新事务写入 WAL 日志
lock_wal_write()

# 刷脏页到磁盘
for dirty_page in shared_buffer.get_dirty_pages():
    write_page_to_disk(dirty_page)

# 记录检查点信息到 WAL 日志
write_checkpoint_record_to_wal()

# 更新控制文件
update_control_file_with_checkpoint_info()

# 恢复 WAL 日志写入
unlock_wal_write()

三、检查点相关配置参数

3.1 影响检查点触发的参数

  1. checkpoint_timeout：如前文所述，它控制两次检查点之间的最大时间间隔。增大这个值可以减少检查点的频率，从而降低 I/O 开销，但同时也会增加崩溃恢复所需的时间，因为需要重放更多的 WAL 日志记录。减小这个值则会增加检查点频率，提高崩溃恢复效率，但可能会增加 I/O 负载。
  2. checkpoint_segments：决定了在触发检查点之前允许积累的 WAL 日志段文件数量。调整这个参数同样会影响检查点频率和崩溃恢复时间。如果设置得过大，可能会在崩溃时需要重放大量 WAL 日志；设置得过小，则会频繁触发检查点，增加 I/O 负担。

3.2 影响检查点性能的参数

  1. checkpoint_warning：这个参数用于设置当距离上次检查点的时间接近 checkpoint_timeout 时，是否发出警告日志。默认值是 30 秒。例如，如果 checkpoint_timeout 是 300 秒，当距离上次检查点已经过去了 270 秒时，PostgreSQL 会在日志中记录一条警告信息，提醒管理员检查点即将触发。
  2. checkpoint_flush_after：该参数指定了在检查点过程中，每次从共享缓冲区刷脏页到磁盘时，最多刷新的字节数。默认值是 2097152 字节（2MB）。通过调整这个值，可以控制检查点过程中的 I/O 节奏，避免一次性大量刷盘导致 I/O 性能问题。

3.3 示例配置

以下是一个简单的 postgresql.conf 文件片段，展示了如何配置一些检查点相关参数：

# 设置检查点时间间隔为 10 分钟
checkpoint_timeout = 600

# 设置检查点 WAL 日志段文件数量为 8
checkpoint_segments = 8

# 设置检查点警告时间为 60 秒
checkpoint_warning = 60

# 设置每次刷盘字节数为 4MB
checkpoint_flush_after = 4194304

四、检查点创建过程中的注意事项

4.1 I/O 性能影响

检查点过程中大量的脏页刷盘操作会对系统 I/O 性能产生显著影响。尤其是在高并发事务环境下，可能会导致短暂的 I/O 瓶颈。

为了减轻这种影响，可以考虑以下几点：

  1. 优化存储设备：使用高速存储设备，如 SSD 硬盘，来减少 I/O 延迟。相比传统的机械硬盘，SSD 具有更快的读写速度，可以显著提高检查点过程中的刷盘效率。
  2. 调整刷盘节奏：通过合理设置 checkpoint_flush_after 参数，控制每次刷盘的字节数，避免一次性大量刷盘导致 I/O 拥塞。例如，在 I/O 负载较低的时间段，可以适当增大这个值，加快检查点过程；在高负载时段，则减小该值，使刷盘操作更均匀地分布。

4.2 对事务处理的影响

在检查点创建过程中，新事务对 WAL 日志的写入会被暂停。虽然这个暂停时间通常较短，但在高并发事务环境下，可能会对事务处理的性能产生一定影响。

为了减少这种影响：

  1. 避免在业务高峰期触发强制检查点：尽量在系统负载较低的时间段手动触发强制检查点，如夜间或周末。这样可以减少对正常业务事务处理的干扰。
  2. 优化事务设计：确保事务尽量短小，减少长事务的存在。长事务可能会在检查点创建时被阻塞较长时间，影响系统整体性能。

4.3 崩溃恢复相关注意事项

  1. 检查点位置准确性：检查点记录的位置必须准确无误，否则在崩溃恢复时可能会导致数据丢失或不一致。PostgreSQL 通过严格的机制来确保检查点信息的准确性，但在某些极端情况下（如硬件故障导致 WAL 日志或控制文件损坏），可能会出现问题。因此，定期进行数据库备份和完整性检查是非常重要的。
  2. WAL 日志保留策略：在崩溃恢复时，需要依赖检查点之后的 WAL 日志记录来恢复数据库状态。因此，合理的 WAL 日志保留策略至关重要。不能过早删除 WAL 日志文件，否则在需要恢复时可能无法获取完整的事务记录。通常，备份系统会负责管理 WAL 日志的保留和归档，以确保在需要时可以进行基于时间点的恢复（Point - In - Time Recovery，PITR）。

4.4 示例代码展示检查点对事务的影响

-- 创建一个测试表
CREATE TABLE test_table (
    id SERIAL PRIMARY KEY,
    data TEXT
);

-- 开启一个事务
BEGIN;
INSERT INTO test_table (data) VALUES ('Transaction 1 data');
-- 此时假设手动触发检查点
CHECKPOINT;
-- 继续事务操作
INSERT INTO test_table (data) VALUES ('Transaction 1 more data');
COMMIT;

-- 开启另一个事务
BEGIN;
UPDATE test_table SET data = 'Updated data' WHERE id = 1;
-- 模拟高并发下的情况，在检查点期间该事务会被暂停
-- 直到检查点完成
COMMIT;

在上述代码中，当执行 CHECKPOINT 命令时，第二个事务的 UPDATE 操作会被暂停，直到检查点完成。这展示了检查点对事务处理的影响，同时也强调了避免在业务高峰期触发强制检查点的重要性。

五、监控与调优检查点

5.1 监控检查点状态

  1. 日志分析：PostgreSQL 的日志文件（如 postgresql.log）会记录检查点相关的信息，包括检查点的触发时间、持续时间等。通过分析这些日志，可以了解检查点的频率、是否出现异常情况（如检查点时间过长）。例如，日志中可能会有如下记录：
2024 - 01 - 01 12:00:00.000 UTC [1234] LOG:  checkpoint starting: time
2024 - 01 - 01 12:05:00.000 UTC [1234] LOG:  checkpoint complete: wrote 100 buffers (0.1%); 0 WAL file(s) added, 0 removed, 0 recycled; write=5.000 s, sync=0.100 s, total=5.100 s; sync files=10, longest=0.050 s, average=0.010 s; distance=1000 kB, estimate=1000 kB

从这条记录中，可以获取到检查点的开始时间、完成时间、刷盘的缓冲区数量、WAL 文件的变化情况以及 I/O 操作的时间等信息。 2. 系统视图查询：PostgreSQL 提供了一些系统视图来查询检查点相关的信息。例如，pg_stat_activity 视图可以查看当前正在运行的检查点操作（如果有）。以下是一个查询示例：

SELECT * FROM pg_stat_activity WHERE query ILIKE '%checkpoint%';

这个查询可以帮助管理员了解当前是否有检查点正在执行，以及执行检查点的进程信息。

5.2 调优检查点性能

  1. 调整参数：根据系统的实际负载和性能需求，合理调整检查点相关的参数，如 checkpoint_timeout、checkpoint_segments、checkpoint_flush_after 等。例如，如果系统 I/O 性能较好，可以适当增大 checkpoint_timeout 和 checkpoint_segments，减少检查点频率，降低 I/O 开销；如果对崩溃恢复时间要求较高，则可以适当减小这些参数。
  2. 硬件优化：如前文所述，使用高速存储设备、优化磁盘 I/O 配置等硬件层面的优化措施，可以显著提高检查点过程中的刷盘效率，从而提升整体性能。

5.3 示例调优过程

假设一个 PostgreSQL 数据库在高并发事务环境下，I/O 性能出现瓶颈，检查点过程导致系统响应变慢。通过分析日志发现检查点频率过高，每次检查点刷盘操作导致大量 I/O 拥塞。

首先，可以尝试适当增大 checkpoint_timeout 和 checkpoint_segments 参数：

# 将检查点时间间隔增大到 15 分钟
checkpoint_timeout = 900

# 将 WAL 日志段文件数量增大到 12
checkpoint_segments = 12

然后，调整 checkpoint_flush_after 参数，使其更适应系统 I/O 能力：

# 将每次刷盘字节数调整为 8MB
checkpoint_flush_after = 8388608

在调整参数后，持续监控系统性能和检查点相关日志，观察系统响应时间和 I/O 负载是否得到改善。如果仍然存在问题，可以进一步调整参数或考虑硬件升级等措施。

六、与其他数据库功能的关联

6.1 与 WAL 归档的关系

WAL 归档是将 WAL 日志文件进行备份保存的过程，通常用于实现基于时间点的恢复（PITR）。检查点与 WAL 归档密切相关。

在检查点创建过程中，会确保所有已修改的数据页都被刷新到磁盘，同时也会更新 WAL 日志中的检查点记录。WAL 归档系统依赖这些检查点信息来确定哪些 WAL 日志文件需要归档保存。只有在检查点完成后，对应的 WAL 日志文件才可以被安全地归档。

例如，在进行 PITR 时，首先会从最近的检查点开始恢复数据库状态，然后重放检查点之后归档的 WAL 日志文件，将数据库恢复到指定的时间点。

6.2 与数据库备份的关系

数据库备份的一致性依赖于检查点机制。在进行冷备份（即数据库停止运行时进行备份）时，在备份前执行 CHECKPOINT 命令可以确保所有脏数据页都被刷新到磁盘，从而保证备份的数据是一致的。

对于热备份（即数据库在运行状态下进行备份），同样需要依赖检查点信息。备份工具会利用检查点记录来确定从哪里开始复制 WAL 日志，以保证在恢复备份时可以通过重放 WAL 日志将数据库恢复到备份结束时的状态。

6.3 示例展示关联

  1. WAL 归档示例 假设已经配置好了 WAL 归档，当检查点完成后，归档系统会根据检查点记录的位置，将相应的 WAL 日志文件移动到归档目录。例如，在 postgresql.conf 中配置了 WAL 归档：
wal_level = replica
archive_mode = on
archive_command = 'cp %p /path/to/archive/%f'

当检查点完成后，系统会将检查点之后的 WAL 日志文件按照 archive_command 配置的命令进行归档。 2. 数据库备份示例 对于冷备份，在备份脚本中可以先执行 CHECKPOINT 命令，然后进行数据文件的复制：

psql -c 'CHECKPOINT'
cp -r /var/lib/postgresql/data /backup/directory

对于热备份，备份工具（如 pg_basebackup）会利用检查点信息来确定复制 WAL 日志的起始位置，例如：

pg_basebackup -h localhost -U postgres -D /backup/directory -P -X stream

pg_basebackup 会根据检查点信息，从合适的位置开始复制 WAL 日志，以保证备份的一致性。

通过深入理解 PostgreSQL 检查点的创建流程、注意事项以及与其他数据库功能的关联，数据库管理员可以更好地管理和优化 PostgreSQL 数据库，确保其高效、稳定地运行。无论是在日常运维中合理配置检查点参数，还是在应对系统崩溃等异常情况时，对检查点机制的掌握都是至关重要的。