PG内核解读-第1节PostgreSQL系统概述
一、本系列教程介绍
本课程主要面向PostgreSQL DBA、高校学生、内核开发爱好者。解决PostgreSQL DBA遇到的问题，希望用户可以通过查看代码深入了解PG原理。
让没有接触过数据库内核的同学，了解内核基本原理、代码实现，可以完成简单功能开发，大家一起共同学习、共同成长。
本系列的章节设置，参照彭智勇老师的《PostgreSQL数据库内核分析》，内容互补。每章节先介绍架构、原理、使用，再介绍代码。
二、PostgreSQL概述（历史、架构）
PostgreSQL是一个功能强大的开源对象关系型数据库系统，使用和扩展了SQL语言，并结合了许多安全存储和扩展最复杂数据工作负载的功能。
PostgreSQL的起源可以追溯到1986年，作为加州大学伯克利分校POSTGRES项目的一部分，并且在核心平台上进行了30多年的积极开发。
PostgreSQL凭借其经过验证的架构，可靠性，数据完整性，强大的功能集，可扩展性以及软件背后的开源社区的奉献精神赢得了良好的声誉，以始终如一地提供高性能和创新的解决方案。
从数据库开源角度来看，MySQL和PostgreSQL是最重要的两个产品。阿里数据库基于MySQL和PostgreSQL已有的开源产品主要有：单机数据库AliSQL；分库分表中间件TDDL；分布式数据库PolarDB for PG与PolarDB-X；Key-Value Cache的Tair。
如上图所示，是PostgreSQL的架构。其中，Postmaster是PostgreSQL启动的第一个进程。Postmaster会执行恢复、初始化、内存共享等进程。当客户端发起链接请求时，它还负责创建后端进程。
backend processes通过TCP协议和客户端建立通讯，当客户端断开时，连接消失。允许多个客户端同时连接，连接数由max_connections参数控制，默认是100，如果客户端频繁的和服务端建立连接然后断开，会增加数据库的开销，导致服务器负载不正常，因为数据库本身不提供连接池的功能，如果有需要，可以使用pgbouncer或者pgpool-II。
在Shared Memory方面，主要作为数据块的缓冲区，以便提高读写性能。WAL日志缓冲区和Commit log缓冲区也存在于Shared Memory中。除此之外，Shared Memory保存了进程信息、锁信息、全局统计信息等。
Individual Memory用于存储一些不需要全局存储的数据，主要有Work_mem、Maintenance_work_mem和临时缓冲区。其中，临时缓冲区用于访问临时表的本地缓冲区。
上图是PostgreSQL的逻辑架构，在默认情况下，客户端通过端口“5432”连接到集群‘data’，默认数据库是‘postgres'，默认模式‘public'。它们也可以指定其他连接属性。
系统模式主要有pg_catalog、information_schema、pg_temp等等。
如果多个集群同时在一台服务器上，每个集群都单独管理。每个管理的实例会使用不同的端口。
传统的数据库集群，通过配置数据文件，将其存储在集群的数据目录中，通常被称为PGDATA。常见的位置PGDATA是/var/lib/pgsql/data。在同一台机器上，由不同服务器实例管理的多个集群。其中，base是每个数据库对于的子目录的子目录；global包含了集群范围的表的文件和全局控制信息等。
如上图所示，该PGDATA目录包含几个子目录和控制文件。除此之外，集群配置文件postgresql.conf、pg_hba.conf和pg_ident.conf一般存储在PGDATA。
如上图所示，是PostgreSQL模块和代码目录结构。当Main函数进来之后，启动Postmaster进程，通过Postmaster发送不同的Postgres进程。如果Postgres收到Libpq请求，最终会让执行引擎来执行相关命令。
在这一过程中，PostgreSQL依赖了底层原数据的提取方法。上图目录包括了相关的执行引擎，正则处理，全文检索等等，整个结构清晰可见。
PostgreSQL在执行initdb的时，会初始化一个目录，这个目录会生成相关的子目录和一些文件。其中，在data目录下，包含了数据库用户所创建的各个数据库，同时也包括postgres、template0和template1的pg_default tablespace。
当文件存储超出1G，PostgreSQL会将其拆分成多个文件来，而拆分的文件名将由pg_class中的relfilenode字段来决定。
PostgreSQL的日志文件主要包括运行日志文件，重做日志文件，事务日志文件，服务器日志文件。
PostgreSQL的控制文件主要记录了数据库相关的运行信息。比如id，open，wal，checkpoint的位置等等，其中controlfile是很重要的文件。
PostgreSQL的WAL文件通常默认保存在$PGDATA/pg_wal目录下。文件名称由16进制的24个字符组成，每8个字符一组。
三、PostgreSQL安装启动
接下来，开始PostgreSQL安装启动。相关步骤如上图所示，在网站下载相关源码之后，对源码进行编译安装，然后设置环境变量。
安装PostgreSQL之后，初始化PG并启动数据库，相关代码如上图所示。执行相关命令，初始化数据库之后，修改相关参数，通过执行启动和停止命令，确定数据库是否正常运行。
四、PostgreSQL常用命令、调试
接下来，介绍一些PostgreSQL的常用命令。首先，使用psql连接数据库。
连接数据库之后，输入数据库密码，创建一个表，插入信息并查询。
PostgreSQL的常用命令如上图所示，用户可以根据相关代码进行调试
本次演示使用的开发工具是Source Insight。Source Insight支持绝大多数语言，如C、C++、ASM、PAS、ASP、HTML等等。Source Insight不仅支持快速访问源代码和源信息，而且能显示reference trees，class inheritance diagrams和call trees。
接下来，开始演示上述地部分命令。用户可以在相关地址下载源码：
https://github.com/postgres/postgres.git
接下来，调用configure的相关文件。首先执行命令，获取Debug版。相关命令如下：
./configure--prefix=/home/michael.yw/pghome--enable-debug--enable-cassert CFLAGS="-ggdb-O0-g3-Wall-fno-omit-frame-pointer-fstack-protector-strong
然后，开始准备编译，相关命令如下：make-sj&&make instal。
接下来，调用命令，设置系统的环境变量。用户需要根据自己的位置对命令进行修改，相关命令如下：
vi~/.bashrc
export PATH="/home/michael.yw/pghome/bin:$PATH"
export LD_LIBRARY_PATH="/home/michael.yw/pghome/lib:$LD_LIBRARY_PATH"
export PGHOME="/home/michael.yw/pghome"
export PGDATA="/home/michael.yw/pgdata"
source~/.bashrc
完成上述操作之后，开始初始化数据库，相关代码如下：
initdb-D/home/michael.yw/pgdata
然后，开始配置相关参数，具体参数如下：
max_connections=100
max_wal_senders=10
max_replication_slots=10
max_worker_processes=10
shared_preload_libraries='pg_stat_statements'
listen_addresses='*'
port=6688
logging_collector=on
log_directory='log'
log_filename='postgresql-%a.log'
log_truncate_on_rotation=on
log_rotation_age=1d
log_rotation_size=0
log_checkpoints=on
log_connections=on
log_disconnections=on
log_error_verbosity=verbose
log_line_prefix='%m[%p]'
log_timezone='PRC'
log_autovacuum_min_duration=0
接下来，开始启动数据库。相关命令如下：
pg_ctl-D/home/michael.yw/pgdata-l/home/michael.yw/pgdata/logfile1 start
接下来，使用psql连接数据库。相关命令如下：
psql-p 6688-d postgres
然后，开始发起请求。创建一个表，相关命令如下：create table t1(a int，b text);
然后，插入一条数据。相关命令如下：insert into t1 values(1，'aa');
然后，查询一条数据，相关命令如下：select*from t1;
接下来，查看psql的常用命令。相关位置如下：
cd/home/michael.yw/pghome/bin
ll/home/michael.yw/pghome/bin
pg_config工具是打印当前PostgreSQL的配置参数，方便与PostgreSQL交互的软件包，找到所需的头文件和库。
pg_ctl命令为PostgreSQL服务端应用程序，可以用来初始化，启动和停止及控制PostgreSQL服务器。
pg_dump用于备份PostgreSQL数据库。即使数据库正在被使用，它也能创建一致备份。pg_dump不阻塞其他用户读取或写入数据库。pg_dump只转储单个数据库。
如果用户需要备份一个对于所有数据库公共的全局对象，例如角色和表空间，应使用pg_dumpall。
在PG调试方面，select pg_backend_pid()意为查看当前连接pid。
接下来，开始调试PG。相关命令如下：ps-ef|grep michael
当psql链接到PostgreSQL数据库后，可以使用gdb跟踪PID进程。其中bt用来显示堆栈；f 8查看堆栈中不同层级函数；l查看周围代码；C+x a查看代码。
接下来，设置断点。相关命令如下：b exec_simple_query；
然后，显示断点。相关命令如下：info b。
完成上述操作之后，开始调试PG。相关命令如下：select*from t1。
如上图所示，是Source Insight的使用界面。
用户可以根据函数，通过刷新，找到引用该函数的ID，从而确定引用该函数的用户。方便用户清楚的看到各函数间的调用关系。
