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PostgreSQL BgWriter刷入脏页的原理与优化

2022-12-305.8k 阅读

一、PostgreSQL BgWriter 概述

PostgreSQL中的后台写进程（BgWriter，Background Writer）是一个至关重要的组件，它负责将内存中修改过的数据页（即脏页）刷写到磁盘上，以此来保证数据的持久化，并优化整体的数据库性能。BgWriter周期性地执行任务，确保缓冲区缓存中的脏页能够及时且高效地写入磁盘，避免因过多脏页积累导致在检查点（Checkpoint）或事务提交时产生长时间的I/O操作，进而影响数据库的响应时间和吞吐量。

（一）BgWriter 的主要任务

  1. 定期刷脏页：按照一定的时间间隔，主动将缓冲区缓存中的脏页写入磁盘。这个时间间隔可以通过配置参数 bgwriter_delay 来设置，默认值是200毫秒。这意味着BgWriter每200毫秒会检查一次是否有脏页需要刷写。
  2. 控制脏页数量：通过刷写脏页，确保缓冲区缓存中的脏页数量维持在合理的水平。这是通过参数 bgwriter_lru_maxpages 来控制的，默认值是100。如果脏页数量超过这个值，BgWriter会加大刷写力度。
  3. 协助检查点操作：检查点是PostgreSQL中一个关键的机制，用于确保数据库在崩溃后能够快速恢复。BgWriter在检查点操作过程中，协助将必要的脏页刷写到磁盘，保证检查点完成时，大部分脏页已经持久化。

（二）BgWriter 与其他组件的关系

  1. 与检查点进程（Checkpointer）：检查点进程负责定期创建检查点，记录数据库的一致性状态。BgWriter在检查点过程中扮演辅助角色，帮助检查点进程将脏页刷入磁盘。当检查点触发时，BgWriter会尽可能多地刷写脏页，以减少检查点完成所需的时间。
  2. 与前端事务处理：前端的事务操作会不断修改缓冲区缓存中的数据页，使其变为脏页。BgWriter需要在不影响前端事务性能的前提下，合理地将这些脏页刷写到磁盘。如果BgWriter刷写过慢，可能导致缓冲区缓存中脏页过多，影响新的事务操作；而刷写过快，则可能占用过多的I/O资源，同样影响事务性能。

二、PostgreSQL BgWriter 刷入脏页原理

（一）缓冲区缓存（Buffer Cache）结构

在深入了解BgWriter刷脏页原理之前，先来看一下PostgreSQL的缓冲区缓存结构。缓冲区缓存是内存中用于存储数据库数据页的区域，它被划分为多个缓冲区（Buffer），每个缓冲区对应一个数据页。当数据库读取数据时，会首先尝试从缓冲区缓存中获取数据页，如果不存在则从磁盘读取并加载到缓冲区缓存中。当数据页被修改后，它就成为脏页，需要被刷写到磁盘。

PostgreSQL使用一个称为“最近最少使用（LRU，Least Recently Used）”的链表结构来管理缓冲区缓存中的缓冲区。LRU链表分为两个部分：热端（Hot端）和冷端（Cold端）。新读取的数据页首先被放置在LRU链表的冷端，如果在一段时间内该数据页被再次访问，则会被移动到热端。热端的数据页被认为是近期经常使用的数据，而冷端的数据页则可能会被BgWriter优先刷写。

（二）BgWriter 刷脏页流程

  1. 定时触发：BgWriter按照配置的 bgwriter_delay 时间间隔被唤醒。每次唤醒后，它开始执行刷脏页的任务。
  2. 检查脏页数量：BgWriter首先检查缓冲区缓存中的脏页数量。如果脏页数量小于 bgwriter_lru_maxpages，则可能只进行少量的刷写操作，或者甚至不进行刷写，具体取决于系统的负载和其他因素。
  3. 选择脏页：当需要刷写脏页时，BgWriter从LRU链表的冷端开始选择脏页。之所以从冷端选择，是因为冷端的数据页近期使用频率较低，将其刷写可以为新的数据页腾出空间，同时也不会影响到热端经常使用的数据。
  4. 刷写脏页：选择好脏页后，BgWriter通过操作系统的I/O接口将脏页的数据写入磁盘。在刷写过程中，为了保证数据的一致性，PostgreSQL使用了预写式日志（Write - Ahead Logging，WAL）机制。在脏页刷写之前，相关的日志记录已经被写入到WAL日志中，这样即使在刷写过程中系统崩溃，也可以通过重放WAL日志来恢复数据。
  5. 更新缓冲区状态：脏页成功刷写到磁盘后，BgWriter会更新缓冲区的状态，将其从脏页状态改为干净页状态，并调整LRU链表的位置（如果有必要）。

（三）预写式日志（WAL）对刷脏页的影响

WAL机制是PostgreSQL保证数据一致性和崩溃恢复能力的核心机制。在BgWriter刷写脏页时，WAL起到了至关重要的作用。由于WAL要求在数据页被修改之前，相关的日志记录必须先被写入到WAL日志中，这就确保了在脏页刷写过程中，如果发生系统崩溃，数据库可以通过重放WAL日志来恢复到崩溃前的状态。

具体来说，当BgWriter刷写脏页时，它不需要等待所有相关的WAL日志都被持久化到磁盘。只要这些日志已经被写入到操作系统的缓存中（通常是通过 fsync 操作将日志数据从用户空间缓冲区刷新到内核空间缓冲区），BgWriter就可以开始刷写脏页。这种机制允许BgWriter在保证数据一致性的前提下，尽可能高效地进行脏页刷写，提高系统的整体性能。

三、PostgreSQL BgWriter 相关配置参数

（一）影响刷写频率和力度的参数

  1. bgwriter_delay：这个参数决定了BgWriter检查是否有脏页需要刷写的时间间隔，单位是毫秒。默认值为200毫秒。如果将这个值设置得过小，BgWriter会过于频繁地检查和刷写脏页，可能会占用过多的I/O资源；而设置得过大，则可能导致脏页在缓冲区缓存中停留时间过长，增加在检查点或事务提交时的I/O负担。
  2. bgwriter_lru_maxpages：此参数指定了缓冲区缓存中允许存在的最大脏页数量。默认值是100。当脏页数量超过这个值时，BgWriter会加大刷写力度，尽快将脏页数量降低到这个阈值以下。通过调整这个参数，可以控制缓冲区缓存中脏页的积累程度，从而平衡I/O负载和事务性能。
  3. bgwriter_lru_multiplier：该参数用于调整BgWriter每次刷写的脏页数量。它是一个倍数因子，默认值是2.0。BgWriter每次刷写的脏页数量大约是 bgwriter_lru_maxpages 乘以 bgwriter_lru_multiplier。例如，如果 bgwriter_lru_maxpages 是100，bgwriter_lru_multiplier 是2.0，那么BgWriter每次可能会尝试刷写200个脏页（实际刷写数量可能会根据系统情况有所调整）。

（二）与检查点配合的参数

  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）。检查点操作会涉及到大量的脏页刷写，BgWriter在检查点过程中会协助完成脏页刷写任务。较短的 checkpoint_timeout 可以减少崩溃恢复所需的时间，但会增加I/O负载，因为更频繁的检查点意味着更多的脏页需要刷写。
  2. checkpoint_segments：此参数指定了在两次检查点之间可以使用的WAL段文件数量。默认值是32。当WAL段文件数量达到这个值时，会触发一次检查点。与 checkpoint_timeout 类似，调整这个参数也会影响检查点的频率和I/O负载。较小的值会导致更频繁的检查点，从而使BgWriter更频繁地参与脏页刷写操作。

四、BgWriter 刷入脏页的性能分析

（一）I/O 性能影响

  1. 顺序I/O与随机I/O：BgWriter刷写脏页时，如果能够实现顺序I/O，性能会得到显著提升。由于磁盘的顺序读写速度远高于随机读写速度，PostgreSQL在设计上尽量优化脏页刷写的顺序性。例如，通过从LRU链表冷端选择脏页，使得相邻的数据页更有可能被连续刷写，从而提高I/O效率。然而，如果数据库的访问模式非常随机，导致脏页在缓冲区缓存中分布较为分散，那么BgWriter刷写时可能不得不进行较多的随机I/O操作，降低性能。
  2. I/O带宽竞争：在多用户、高并发的数据库环境中，除了BgWriter的刷脏页操作，还有其他I/O操作，如前端事务的读写操作、检查点进程的I/O操作等。这些I/O操作会竞争有限的I/O带宽。如果I/O带宽不足，BgWriter刷脏页的速度会受到限制，导致脏页在缓冲区缓存中积累，进而影响数据库的整体性能。

（二）对事务性能的影响

  1. 脏页积累：如果BgWriter刷写脏页的速度过慢，缓冲区缓存中的脏页数量会不断增加。当脏页数量过多时，在事务提交时，可能需要等待更多的脏页被刷写到磁盘，从而增加事务的提交时间，降低系统的事务处理能力。
  2. 检查点延迟：检查点操作依赖于BgWriter刷写脏页。如果BgWriter在检查点之前未能有效地将脏页数量降低到合理水平，检查点过程中可能需要进行大量的I/O操作，导致检查点延迟。检查点延迟不仅会影响当前检查点的完成时间，还可能影响后续事务的执行，因为在检查点完成之前，一些事务可能需要等待。

五、PostgreSQL BgWriter 刷入脏页优化策略

（一）配置参数优化

  1. 调整刷写频率和力度参数：根据数据库的负载和I/O性能，合理调整 bgwriter_delay、bgwriter_lru_maxpages 和 bgwriter_lru_multiplier 参数。对于I/O性能较好且负载较高的系统，可以适当降低 bgwriter_delay，提高刷写频率；同时，根据脏页积累的情况，调整 bgwriter_lru_maxpages 和 bgwriter_lru_multiplier，确保脏页数量得到有效控制。例如，如果发现缓冲区缓存中脏页经常超过默认的 bgwriter_lru_maxpages 值，可以适当增大这个值，并相应调整 bgwriter_lru_multiplier，以保证BgWriter在脏页数量较多时能够更积极地刷写。
  2. 优化检查点相关参数：根据数据库的恢复时间要求和I/O负载情况，调整 checkpoint_timeout 和 checkpoint_segments 参数。如果对崩溃恢复时间要求较高，可以适当缩短 checkpoint_timeout，但要注意可能增加的I/O负载。同时，可以结合 checkpoint_segments 参数，通过观察WAL段文件的使用情况，找到一个合适的平衡点，使检查点操作既能保证数据的安全性，又不会对系统性能造成过大影响。

（二）I/O 优化

  1. 存储设备优化：使用高性能的存储设备，如固态硬盘（SSD），可以显著提高I/O性能。与传统的机械硬盘相比，SSD的随机读写速度更快，能够减少BgWriter刷写脏页时的I/O等待时间。此外，合理配置存储设备的RAID级别，也可以在提高数据安全性的同时，优化I/O性能。例如，对于读操作较多的数据库，可以选择RAID 0+1或RAID 10，以提高读写性能；对于写操作较多的数据库，可以考虑RAID 5或RAID 6，并适当增加缓存，以优化写性能。
  2. I/O调度优化：在操作系统层面，可以调整I/O调度算法来优化BgWriter的刷脏页性能。例如，对于使用Linux操作系统的数据库服务器，可以选择 deadline 或 cfq（完全公平队列）等I/O调度算法。deadline 算法针对数据库等对I/O延迟敏感的应用进行了优化，能够减少I/O请求的等待时间；cfq 算法则通过公平分配I/O带宽，避免某个I/O请求长时间占用资源，从而提高整体的I/O性能。

（三）数据库设计与操作优化

  1. 合理设计表结构和索引：避免过度复杂的表结构和过多的索引，因为这可能导致在数据修改时产生大量的脏页。例如，对于一些不必要的索引，可以考虑删除或进行适当的合并，以减少索引更新带来的脏页数量。同时，合理设计表的分区，将经常访问的数据和不经常访问的数据分开存储，这样可以使BgWriter在刷写脏页时更有针对性，提高刷写效率。
  2. 优化事务操作：尽量减少大事务的执行，因为大事务会长时间持有锁，并产生大量的脏页。可以将大事务拆分成多个小事务，按照合理的顺序依次执行，这样可以降低缓冲区缓存中脏页的积累速度，减少BgWriter的刷写压力。此外，在事务中避免不必要的中间操作，确保事务逻辑简洁高效，也有助于提高事务性能和减轻BgWriter的负担。

六、代码示例

以下是一些简单的代码示例，用于展示如何查看和修改PostgreSQL中与BgWriter相关的配置参数。

（一）查看配置参数

可以使用 SHOW 语句来查看当前数据库的配置参数。例如，要查看 bgwriter_delay 参数的值，可以执行以下SQL语句：

SHOW bgwriter_delay;

要查看 bgwriter_lru_maxpages 参数的值，执行：

SHOW bgwriter_lru_maxpages;

同样，查看 bgwriter_lru_multiplier 参数：

SHOW bgwriter_lru_multiplier;

对于检查点相关参数，如 checkpoint_timeout 和 checkpoint_segments，也可以使用类似的方法：

SHOW checkpoint_timeout;
SHOW checkpoint_segments;

（二）修改配置参数

  1. 临时修改：可以使用 SET 语句临时修改配置参数的值。这种修改只在当前会话中有效，数据库重启后会恢复到默认值。例如，要临时将 bgwriter_delay 修改为100毫秒，可以执行：
SET bgwriter_delay = 100;

同样，要临时修改 bgwriter_lru_maxpages 为150：

SET bgwriter_lru_maxpages = 150;
  1. 永久修改：要永久修改配置参数，需要编辑PostgreSQL的配置文件 postgresql.conf。在该文件中找到相应的参数行，修改其值并保存。例如，要将 checkpoint_timeout 永久修改为10分钟（600秒），找到 checkpoint_timeout 行并修改为：
checkpoint_timeout = 600

修改完成后，需要重启PostgreSQL服务，新的配置参数才能生效。

通过以上代码示例，可以方便地查看和调整与BgWriter相关的配置参数，从而根据实际需求优化PostgreSQL数据库的性能。

七、BgWriter 刷入脏页的监控与调优实践

（一）监控指标

  1. 脏页数量：通过监控缓冲区缓存中的脏页数量，可以了解BgWriter的刷写效果。可以使用 pg_stat_activity 视图中的相关信息来间接获取脏页数量的统计。例如，通过查询特定时间段内的事务活动，分析数据修改情况，进而推测脏页的产生和刷写情况。
  2. I/O 操作统计：利用操作系统提供的工具，如 iostat（在Linux系统中），可以监控磁盘的I/O操作情况。关注读写速率、I/O等待时间等指标，了解BgWriter刷脏页操作对磁盘I/O的影响。如果发现I/O等待时间过长，可能需要优化I/O性能。
  3. 检查点相关指标：通过查询 pg_stat_bgwriter 视图，可以获取与检查点相关的统计信息，如检查点的触发次数、检查点之间的平均时间间隔、每次检查点写入的脏页数等。这些指标可以帮助评估检查点操作的性能，以及BgWriter在检查点过程中的贡献。

（二）调优实践案例

假设一个在线交易系统使用PostgreSQL数据库，随着业务量的增长，系统出现了性能问题。通过监控发现，缓冲区缓存中的脏页数量经常超过 bgwriter_lru_maxpages 的默认值，导致事务提交时间变长，系统吞吐量下降。

  1. 第一步：分析现有配置：首先查看与BgWriter和检查点相关的配置参数，发现 bgwriter_delay 为默认的200毫秒，bgwriter_lru_maxpages 为100，bgwriter_lru_multiplier 为2.0，checkpoint_timeout 为300秒，checkpoint_segments 为32。
  2. 第二步：调整配置参数：根据系统的I/O性能和业务需求，将 bgwriter_delay 降低到100毫秒，以提高BgWriter的刷写频率；将 bgwriter_lru_maxpages 增加到150，允许缓冲区缓存中暂时存在更多的脏页，减少BgWriter过于频繁的刷写操作；同时，将 bgwriter_lru_multiplier 调整为2.5，使BgWriter每次刷写更多的脏页。对于检查点参数，考虑到业务对崩溃恢复时间的要求，将 checkpoint_timeout 缩短到200秒，同时将 checkpoint_segments 减少到20，以更频繁地触发检查点，确保数据的安全性。
  3. 第三步：监控与调整：在调整配置参数后，持续监控脏页数量、I/O操作统计和检查点相关指标。发现虽然脏页数量得到了有效控制，但由于I/O带宽有限，过于频繁的刷写操作导致I/O竞争加剧，整体性能并未得到明显提升。于是，进一步优化I/O性能，将存储设备从机械硬盘升级为SSD，并调整I/O调度算法为 deadline。经过这些调整后，系统性能得到了显著改善，事务提交时间缩短，系统吞吐量提高。

通过以上监控与调优实践，可以看到合理配置BgWriter和相关参数，以及优化I/O性能，对于提升PostgreSQL数据库性能的重要性。在实际应用中，需要根据具体的业务场景和系统环境，不断调整和优化，以达到最佳的性能表现。

八、与其他数据库刷脏页机制的对比

（一）与 Oracle 刷脏页机制对比

  1. 刷写策略：Oracle使用检查点进程（CKPT）和数据库写进程（DBWn）协同工作来刷写脏页。DBWn负责将脏页从缓冲区缓存写入磁盘，而CKPT负责更新控制文件和数据文件头中的检查点信息。与PostgreSQL不同，Oracle的DBWn可以根据多种因素，如缓冲区缓存的可用空间、脏页的老化程度等，动态地选择脏页进行刷写，而不仅仅依赖于LRU链表。
  2. 日志机制影响：Oracle同样使用预写式日志（Redo Log）来保证数据的一致性。但在刷写脏页时，Oracle对日志的依赖程度略有不同。Oracle要求在脏页刷写之前，相关的日志必须已经被写入到重做日志缓冲区（Redo Log Buffer），并且在一定条件下，会将重做日志缓冲区中的日志写入到重做日志文件中。这与PostgreSQL在脏页刷写时对WAL日志的处理方式有所差异，PostgreSQL只要WAL日志被写入到操作系统缓存即可开始刷写脏页。
  3. 性能优化重点：Oracle在性能优化方面更注重对缓冲区缓存和日志缓冲区的管理。通过调整缓冲区缓存的大小、优化日志缓冲区的刷新策略等方式，提高脏页刷写的效率。而PostgreSQL除了关注缓冲区缓存和WAL日志外，还通过合理配置BgWriter的参数，以及优化I/O调度等方式来提升脏页刷写性能。

（二）与 MySQL 刷脏页机制对比

  1. 架构差异：MySQL的InnoDB存储引擎在刷写脏页方面有其独特的机制。InnoDB使用缓冲池（Buffer Pool）来缓存数据页和索引页，脏页的刷写由后台线程负责。与PostgreSQL不同，MySQL的InnoDB存储引擎采用了一种自适应刷脏页策略，根据系统的负载、脏页比例等因素动态调整刷写频率和力度。
  2. 刷写触发条件：MySQL的脏页刷写不仅受到缓冲区缓存中脏页数量的影响，还与事务的提交、检查点的触发等密切相关。例如，当一个事务提交时，如果缓冲池中脏页比例过高，会触发脏页刷写操作。而PostgreSQL主要依赖BgWriter的定时任务和检查点操作来刷写脏页，事务提交时不一定会立即触发大量的脏页刷写。
  3. 优化方向：MySQL在优化脏页刷写时，重点关注缓冲池的管理，如缓冲池的大小调整、缓冲池的分区优化等。同时，通过合理设置检查点相关参数，控制脏页刷写的频率和力度。PostgreSQL则更侧重于通过调整BgWriter的参数和优化I/O性能来提升脏页刷写效率。

通过与其他主流数据库刷脏页机制的对比，可以更深入地理解PostgreSQL BgWriter刷脏页机制的特点和优势，为进一步优化PostgreSQL数据库性能提供参考。同时，也可以借鉴其他数据库在脏页刷写方面的优秀实践，不断完善PostgreSQL的性能优化策略。