PostgreSQL的元組頁面結構及索引查詢原理

我們知道postgresql資料庫通過資料多版本實現mvcc，pg又沒有undo段，老版本的資料元組直接存放在資料頁面中，這樣帶來的問題就是舊元組需要不斷地進行清理以釋放空間，這也是資料庫膨脹的根本原因。本文簡單介紹一下postgresql資料庫的元組、頁面的結構以及索引查詢流程。

元組結構

元組，也叫tuple，這個叫法是很學術的叫法，但是現在資料庫中一般叫行或者記錄。下面是元組的結構：

typedef struct heaptuplefields
t_field3;
} heaptuplefields;
struct heaptupleheaderdata
t_choice;
itempointerdata t_ctid;     /* current tid of this or newer tuple (or a
* speculative insertion token) */
/* fields below here must match minimaltupledata! */
#define fieldno_heaptupleheaderdata_infomask2 2
uint16      t_infomask2;    /* number of attributes + various flags */
#define fieldno_heaptupleheaderdata_infomask 3
uint16      t_infomask;     /* various flag bits, see below */
#define fieldno_heaptupleheaderdata_hoff 4
uint8       t_hoff;         /* sizeof header incl. bitmap, padding */
/* ^ - 23 bytes - ^ */
#define fieldno_heaptupleheaderdata_bits 5
bits8       t_bits[flexible_array_member];  /* bitmap of nulls */
/* more data follows at end of struct */
};

t_xmin：代表插入此元組的事務xid；

t_xmax：代表更新或者刪除此元組的事務xid，如果該元組插入後未進行更新或者刪除，t_xmax=0；

t_cid：command id，代表在當前事務中，已經執行過多少條sql，例如執行第一條sql時cid=0，執行第二條sql時cid=1；

t_ctid：儲存著指向自身或者新元組的元組標識（tid），由兩個數字組成，第乙個數字代表物理塊號，或者叫頁面號，第二個數字代表元組號。在元組更新後tid指向新版本的元組，否則指向自己，這樣其實就形成了新舊元組之間的「元組鏈」，這個鏈在元組查詢和定位上起著重要作用。

了解了元組結構，再簡單了解下元組更新和刪除過程。

更新過程

上圖中左邊是一條新插入的元組，可以看到元組是xid=100的事務插入的，沒有進行更新，所以t_xmax=0，同時t_ctid指向自己，0號頁面的第一號元組。右圖是發生xid=101的事務更新該元組後的狀態，更新在pg裡相當於插入一條新元組，原來的元組的t_xmax變為了更新這條事務的xid=101，同時t_ctid指標指向了新插入的元組（0,2），0號頁面第二號元組，第二號元組的t_xmin=101（插入該元組的xid），t_ctid=（0,2），沒有發生更新，指向自己。

刪除過程

上圖代表該元組被xid=102的事務刪除，將t_xmax設定為刪除事務的xid，t_ctid指向自己。

頁面結構

下面再來看看頁面的結構

從上圖可以看到，頁面包括三種型別的資料

1.header data：資料頭是page生成的時候隨之產生的，由pageheaderdata定義結構，24個位元組長，包含了page的相關資訊，下面是資料結構：

typedef struct pageheaderdata
pageheaderdata;

pd_lsn: 儲存最近改變該頁面的xlog位置。

pd_checksum：儲存頁面校驗和。

pd_lower，pd_upper：pd_lower指向行指標（line pointer）的尾部，pd_upper指向最後那個元組。

pd_special: 索引頁面中使用，它指向特殊空間的開頭。

2.line pointer：行指標，四位元組，每一條元組會有乙個行指標指向真實元組位置。

3.heap tuple：存放真實的元組資料，注意元組是從頁面的尾部向前堆積的，元組和行指標之間的是資料頁的空閒空間。

索引查詢

看了頁面和元組結構，再看看索引的結構。

以上圖為例，索引的資料報含兩部分（key=***，tid=(block=***,offset=***)），key表示真實資料，tid代表指向資料行的指標，具體block代表頁面號，offset代表行偏移量，指向資料頁面的line pointer，比如執行下面的查詢語句

select * from tbl where id=1000;

key=1000，根據key值在索引中找到tid為5號頁面的1號元組，再通過一號元組行指標找到元組1，檢查元組1的t_ctid欄位，發現指向了新的元組2，於是定位到真實元組資料2。

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