PostgreSQL Zheap引擎中元组变化的管理

PostgreSQL Zheap 引擎基础

Zheap 简介

PostgreSQL 作为一款强大的开源关系型数据库管理系统，其存储引擎对于数据的高效管理至关重要。Zheap 是 PostgreSQL 引入的一种新型存储引擎，旨在提供更高效的存储和查询性能，特别是在处理频繁更新和删除操作时表现出色。Zheap 通过对元组（tuple，数据库中一行数据的表示）的特殊管理方式，优化了存储结构，减少了空间浪费，并提高了并发控制能力。

元组在 Zheap 中的基本结构

在 Zheap 中，元组具有特定的结构。每个元组包含了数据部分以及一些元数据信息。数据部分存储了实际的列值，而元数据则用于管理元组的状态、版本等重要信息。例如，元组头部可能包含一个标识元组是否被删除的标志位，以及版本号字段用于支持并发控制和 MVCC（多版本并发控制）机制。以下是一个简化的元组结构示意代码：

// 简化的元组结构
typedef struct {
    uint16 t_infomask2;
    uint16 t_infomask;
    uint32 t_hoff;
    // 其他元数据字段
    // 数据部分开始
    // 具体列值存储
} HeapTupleData;

其中，t_infomask2 和 t_infomask 用于存储各种标志位信息，t_hoff 表示数据部分相对于元组起始位置的偏移量。这种结构设计使得 Zheap 能够灵活地管理元组的各种状态变化。

元组变化类型及管理方式

元组插入

当新的元组插入到 Zheap 存储中时，系统会为其分配空间，并初始化元组的各种字段。首先，确定合适的页面（page）来放置该元组。Zheap 使用一种称为页面映射的机制来快速定位可用空间。如果当前页面没有足够空间，会选择新的页面或者对现有页面进行适当的扩展。

插入元组时，会初始化元数据字段。例如，将删除标志位设为未删除状态，版本号设置为当前系统的版本值。以下是简化的插入代码示例：

// 简化的元组插入函数
HeapTuple insertTuple(HeapRelation rel, Datum *values, bool *isnull, int natts) {
    HeapTuple tuple = heap_form_tuple(rel->rd_att, values, isnull);
    // 初始化元数据
    HeapTupleSetInserted(tuple);
    // 寻找合适页面插入
    Page page = findPageForInsert(rel);
    if (PageAddItem(page, &tuple->t_data, tuple->t_len,
                    InvalidOffsetNumber, true, true) != 0) {
        elog(ERROR, "Failed to insert tuple");
    }
    return tuple;
}

在上述代码中，heap_form_tuple 用于根据给定的值和空值标志构建元组，HeapTupleSetInserted 初始化元组为插入状态，findPageForInsert 负责寻找合适的页面进行插入，PageAddItem 实际将元组添加到页面中。

元组更新

元组更新在 Zheap 中是一个较为复杂的操作。由于 Zheap 支持 MVCC，更新操作不会直接修改原有的元组，而是创建一个新的版本。当收到更新请求时，首先定位到需要更新的元组。系统会检查该元组的状态，确保它没有被删除或者处于不适合更新的状态。

然后，根据更新的内容创建一个新的元组，新元组会继承原元组的一些元数据信息，如事务 ID 等，但版本号会递增。同时，原元组会被标记为旧版本，并记录新元组的位置信息。以下是简化的更新代码示例：

// 简化的元组更新函数
HeapTuple updateTuple(HeapRelation rel, HeapTuple oldTuple, Datum *newValues, bool *isnull, int natts) {
    // 检查旧元组状态
    if (HeapTupleIsDeleted(oldTuple)) {
        elog(ERROR, "Can't update deleted tuple");
    }
    HeapTuple newTuple = heap_form_tuple(rel->rd_att, newValues, isnull);
    // 继承旧元组部分元数据
    newTuple->t_infomask2 = oldTuple->t_infomask2;
    newTuple->t_infomask = oldTuple->t_infomask;
    // 递增版本号
    incrementVersion(newTuple);
    // 标记旧元组为旧版本并记录新元组位置
    markOldTuple(oldTuple, newTuple);
    // 寻找合适页面插入新元组
    Page page = findPageForInsert(rel);
    if (PageAddItem(page, &newTuple->t_data, newTuple->t_len,
                    InvalidOffsetNumber, true, true) != 0) {
        elog(ERROR, "Failed to insert updated tuple");
    }
    return newTuple;
}

在这段代码中，HeapTupleIsDeleted 检查元组是否已删除，heap_form_tuple 创建新元组，incrementVersion 递增版本号，markOldTuple 标记旧元组并记录新元组位置，最后同样通过 findPageForInsert 和 PageAddItem 将新元组插入到合适页面。

元组删除

元组删除操作在 Zheap 中同样遵循 MVCC 原则。当请求删除一个元组时，并不会立即从存储中移除该元组。而是将元组的删除标志位设置为已删除状态，并更新相关的元数据，如版本号等。这样，已删除的元组仍然存在于存储中，但在查询时会被过滤掉，因为查询会根据删除标志位和版本号来判断元组是否有效。

以下是简化的删除代码示例：

// 简化的元组删除函数
void deleteTuple(HeapRelation rel, HeapTuple tuple) {
    // 检查元组状态
    if (HeapTupleIsDeleted(tuple)) {
        elog(WARNING, "Tuple is already deleted");
        return;
    }
    // 设置删除标志位
    HeapTupleSetDeleted(tuple);
    // 递增版本号
    incrementVersion(tuple);
    // 可能的清理操作（如标记空间可回收）
    markSpaceForReclaim(rel, tuple);
}

这里，HeapTupleSetDeleted 设置元组为已删除状态，incrementVersion 递增版本号，markSpaceForReclaim 标记该元组占用的空间可回收，为后续的空间清理做准备。

元组变化与并发控制

MVCC 机制在元组变化中的应用

Zheap 借助 MVCC 机制来实现高效的并发控制。在元组发生插入、更新和删除操作时，MVCC 机制确保不同事务之间的操作不会相互干扰。每个事务在启动时会获取一个事务 ID（XID），元组的版本号与事务 ID 紧密相关。

例如，当一个事务更新元组时，新创建的元组版本会记录更新事务的 XID。在查询时，系统会根据当前事务的 XID 和元组的版本信息来判断是否可以看到该元组。如果元组的创建事务 ID 早于当前事务的启动 XID，且元组未被删除（删除操作的事务 ID 晚于当前事务启动 XID），则该元组对当前事务可见。这种机制允许并发事务同时进行读操作，而写操作不会阻塞读操作，大大提高了系统的并发性能。

锁机制辅助元组变化管理

除了 MVCC，Zheap 还使用锁机制来进一步保障元组变化的一致性。在对元组进行更新或删除操作时，需要获取相应的锁。例如，行级排他锁（Row Exclusive Lock）会在更新或删除元组时被获取，以防止其他事务同时对该元组进行修改。

当一个事务请求获取锁时，锁管理器会检查锁的状态和等待队列。如果锁可用，事务会获取锁并进行操作；如果锁已被其他事务持有，该事务会被放入等待队列，直到锁被释放。以下是一个简单的锁获取和释放的示意代码：

// 简化的锁获取函数
void acquireRowExclusiveLock(HeapTuple tuple) {
    // 检查锁状态
    if (isRowExclusiveLockHeld(tuple)) {
        // 放入等待队列
        addToWaitQueue(tuple, currentTransactionId);
        waitForLock(tuple);
    } else {
        // 获取锁
        setRowExclusiveLock(tuple, currentTransactionId);
    }
}

// 简化的锁释放函数
void releaseRowExclusiveLock(HeapTuple tuple) {
    if (isRowExclusiveLockHeldByCurrentTransaction(tuple)) {
        clearRowExclusiveLock(tuple);
        // 唤醒等待队列中的事务
        wakeUpWaitingTransactions(tuple);
    }
}

在上述代码中，acquireRowExclusiveLock 负责获取行级排他锁，releaseRowExclusiveLock 用于释放锁。isRowExclusiveLockHeld 检查锁是否已被持有，addToWaitQueue 将事务放入等待队列，waitForLock 使事务等待锁，setRowExclusiveLock 获取锁，isRowExclusiveLockHeldByCurrentTransaction 检查锁是否由当前事务持有，clearRowExclusiveLock 释放锁，wakeUpWaitingTransactions 唤醒等待队列中的事务。

元组变化后的空间管理

空间回收策略

在元组发生删除操作后，Zheap 并不会立即回收其所占用的空间。这是因为在 MVCC 环境下，其他事务可能仍然需要访问这些旧版本的元组。Zheap 采用一种延迟空间回收策略，当系统检测到不再有事务需要访问已删除元组时，会启动空间回收操作。

一种常见的检测方式是通过事务 ID 的推进。当系统中所有活跃事务的 XID 都大于已删除元组的删除事务 ID 时，说明这些已删除元组不再对任何活跃事务可见，可以进行空间回收。回收的空间会被标记为可用，供后续的元组插入操作使用。

页面合并与分裂

随着元组的不断插入、更新和删除，Zheap 中的页面可能会出现空间碎片化或利用率过低的情况。为了优化空间使用效率，Zheap 会进行页面合并和分裂操作。

当一个页面中的可用空间过多且相邻页面也有类似情况时，系统可能会将这些页面合并成一个页面，减少页面数量，提高空间利用率。相反，如果一个页面中的元组数量过多，导致插入新元组时空间不足，页面会被分裂成两个或多个页面，以容纳新的元组。

以下是一个简单的页面合并示意代码：

// 简化的页面合并函数
void mergePages(Page page1, Page page2) {
    // 检查页面是否可合并
    if (!arePagesMergeable(page1, page2)) {
        elog(ERROR, "Pages are not mergeable");
        return;
    }
    // 将 page2 中的元组移动到 page1
    OffsetNumber offset;
    for (offset = FirstOffsetNumber; offset <= PageGetMaxOffsetNumber(page2); offset++) {
        if (PageIsValidOffset(page2, offset)) {
            Item item = PageGetItem(page2, PageGetItemId(page2, offset));
            if (PageAddItem(page1, item, ItemGetLength(item),
                            InvalidOffsetNumber, true, true) != 0) {
                elog(ERROR, "Failed to move item during page merge");
            }
        }
    }
    // 释放 page2
    freePage(page2);
}

在上述代码中，arePagesMergeable 检查两个页面是否可合并，PageGetItem 获取页面中的元组，PageAddItem 将元组添加到目标页面，最后 freePage 释放不再使用的页面。

元组变化管理的性能优化

索引与元组变化的协同优化

索引在 Zheap 中对于元组变化的管理起着重要的优化作用。当元组发生插入、更新或删除操作时，相关的索引也需要进行相应的更新。为了提高性能，Zheap 采用了一些优化策略。

例如，在插入元组时，如果该表上有索引，会先将索引更新操作放入一个队列中，等到事务提交时再批量执行索引更新。这样可以减少索引更新的 I/O 次数，提高整体性能。对于更新操作，如果只涉及部分列的修改，且这些列不影响索引的关键值，可能不需要更新索引，从而避免不必要的索引维护开销。

预取与缓存机制

为了减少 I/O 开销，Zheap 采用了预取和缓存机制。在进行元组变化操作时，系统会预测可能需要访问的数据页面，并提前将这些页面从磁盘读取到内存缓存中。例如，当更新一个元组时，系统可能会预取该元组所在页面以及相邻页面，因为后续的操作可能会涉及到这些页面。

缓存机制则负责管理内存中的页面缓存。当一个页面被访问时，会先检查缓存中是否存在该页面。如果存在，则直接从缓存中读取，避免磁盘 I/O。当缓存空间不足时，会采用一定的淘汰策略（如 LRU，最近最少使用）来移除一些不常用的页面，为新的页面腾出空间。

以下是一个简单的缓存访问示意代码：

// 简化的缓存访问函数
Page getPageFromCache(Relation rel, BlockId blockId) {
    CacheEntry *entry = findCacheEntry(rel, blockId);
    if (entry != NULL) {
        // 命中缓存，更新访问时间
        updateCacheEntryAccessTime(entry);
        return entry->page;
    } else {
        // 未命中缓存，从磁盘读取
        Page page = readPageFromDisk(rel, blockId);
        // 将页面放入缓存
        addPageToCache(rel, blockId, page);
        return page;
    }
}

在上述代码中，findCacheEntry 查找缓存中是否存在指定页面，updateCacheEntryAccessTime 更新缓存项的访问时间，readPageFromDisk 从磁盘读取页面，addPageToCache 将页面添加到缓存中。

元组变化管理中的故障恢复

日志记录元组变化

为了实现故障恢复，Zheap 使用日志（Write - Ahead Log，WAL）来记录元组的变化操作。每次元组发生插入、更新或删除时，相关的操作信息会被记录到 WAL 日志中。日志记录包含了事务 ID、元组的旧值和新值（对于更新操作）、操作类型等重要信息。

例如，在插入元组时，日志会记录插入的元组数据以及插入事务的 XID。在更新操作中，日志会记录原元组的关键信息和新元组的数据。这些日志记录在系统发生故障后用于恢复数据库到故障前的状态。

基于日志的恢复过程

当系统发生故障后重新启动时，会根据 WAL 日志进行恢复操作。恢复过程分为两个阶段：重做阶段（Redo Phase）和回滚阶段（Undo Phase）。

在重做阶段，系统会从 WAL 日志的起始位置开始读取日志记录，对于那些已经提交的事务，重新执行其记录的元组变化操作。例如，对于插入操作，会重新将元组插入到相应的页面；对于更新操作，会创建新的元组版本。

在回滚阶段，系统会处理那些未提交的事务。根据日志记录，将这些事务对元组的修改撤销，恢复元组到事务开始前的状态。例如，如果一个未提交事务更新了一个元组，回滚操作会将该元组恢复为旧版本。通过这两个阶段的操作，Zheap 能够有效地恢复数据库到故障前的一致性状态。