PostgreSQL checkpoint原理

今天来谈一下PostgreSQL 的checkpoint原理。检查点功能在现有流行的数据库中都具备。如Oracle，MySQL等，尤其是Oracle 对检查点功

今天来谈一下PostgreSQL 的checkpoint原理。检查点功能在现有流行的数据库中都具备。如Oracle，MySQL等，尤其是Oracle 对检查点功能的实现，非常完善。Oracle不仅有全局检查点，还有增量检查点，即非常著名的 “Incremental checkpoint”。虽然各大数据库实现的方式不同，但是主要目的都是一样的，都是为了缩短数据库恢复的时间。那么其实PG也有自己的检查点实现。

1.PG检查点的类型

Shutdown检查点：在PG实例shutdown时做的检查点

Recovery End检查点：在recovery 结束阶段做的检查点，类似于shutdown检查点，只不过在WAL恢复结束时发起。

Immediate检查点：不仅仅创建检查点，而且会马上做。这类请求一般在比较紧急的情况下，需要马上获取数据库一致状态的情况下。

Force检查点：即使没有xlog变更，也会做。请求这类检查点，往往只是想得到最近的checkpoint location而已。

上面几个检查点，会直接影响检查点的创建以及检查点的完成时机。

Wait检查点：检查点不会马上做，但会一直等待，直到检查点完成。

往往比较重要的一些操作，但不是非常紧急的，可以请求该类检查点。尤其是一些DDL操作，对数据一致性要求高于响应时间。

另外，还有一类检查点，这类检查只是作为logging的标识：

xlog检查点：由xlog的消耗引起，产生新xlog文件。

time检查点：由时间elapse引起。

flush检查点：当发起flush 所有pages时发起，包括那些不logging的表。

PG会根据目的以及不同时机，请求相应的检查点。

2.PG检查点的机理

checkpoint进程由postmaster负责创建。作为postmaster的子进程而存在，为几大重要的后台进程之一。

从下图中，可知postmaster进程号为2694。checkpoint的进程号为2696，其父进程号为2694，即为postmaster。

checkpoint进程挂掉后，postmaster会杀掉所有backend进程，然后逐一恢复后台进程，有点类似于系统被初始化后。可见此进程对数据一致保护的重要性。

因为数据库系统要达到一个目的：即任何已经做过checkpoint的更改，，不需要从WAL日志中恢复。这大大加快了数据库系统crash后的恢复速度。

在源码中，checkpoint相关的信息由一个结构体记录，放在共享内存段中：

它保存了当前checkpoint 的pid，检查点起始位置，检查点完成位置以及检查点类型等信息。另外也维护了一个检查点队列。一般的检查点请求只是创建一个检查点位置，并放到队列中，并不会马上做，检查点调度由另外逻辑来控制。

checkpoint的位点是跟xlog的位置强相关的，其实就是WAL日志的位点。

每当检查完成之时，就必须要求此检查点前的数据更改或者脏页被写入物理磁盘，并持久化。

做检查点时大致可以分为两个过程:

1).遍历所有BUFFER，将当前时刻的所有DIRTY的块状态改为CHECKPOINT_NEEDED,来表示需要将这些脏块写出到磁盘。

注意这一步，还是在内存中完成的，并不涉及到磁盘操作。

2).刷物理文件，从缓存中将脏块fsync到磁盘。

这一步涉及到磁盘操作。将标记为CHECKPOINT_NEEDED的block写出到磁盘。

3).Checkpoint 本身也会被记录到XLOG中

上面讲到的检查点结构体内容以及长度等信息，会被刷出到xlog中。

4).更新控制文件

更新控制文件中的检查点信息到当前位置. 下面粗体部分就是检查点相关内容:

[postgres@db1 ~]$ pg_controldata /opt/pgdata
pg_control version number: 937
Catalog version number: 201306121
Database system identifier: 6123041408807693241
Database cluster state: shut down
pg_control last modified: Sun 17 May 2015 06:36:25 PM CST
Latest checkpoint location: 1F/9B9B2E20
Prior checkpoint location: 1F/9B9B2DB8
Latest checkpoint's REDO location: 1F/9B9B2E20
Latest checkpoint's REDO WAL file: 000000010000001F0000009B
Latest checkpoint's TimeLineID: 1
Latest checkpoint's PrevTimeLineID: 1
Latest checkpoint's full_page_writes: on
Latest checkpoint's NextXID: 0/15331854
Latest checkpoint's NextOID: 91378
Latest checkpoint's NextMultiXactId: 1
Latest checkpoint's NextMultiOffset: 0
Latest checkpoint's oldestXID: 1799
Latest checkpoint's oldestXID's DB: 1
Latest checkpoint's oldestActiveXID: 0
Latest checkpoint's oldestMultiXid: 1
Latest checkpoint's oldestMulti's DB: 1
Time of latest checkpoint: Sun 17 May 2015 06:36:25 PM CST
Fake LSN counter for unlogged rels: 0/1
Minimum recovery ending location: 0/0
Min recovery ending loc's timeline: 0
Backup start location: 0/0
Backup end location: 0/0
End-of-backup record required: no
Current wal_level setting: minimal
Current max_connections setting: 100
Current max_prepared_xacts setting: 0
Current max_locks_per_xact setting: 64
Maximum data alignment: 8
Database block size: 8192
Blocks per segment of large relation: 131072
WAL block size: 8192
Bytes per WAL segment: 16777216
Maximum length of identifiers: 64
Maximum columns in an index: 32
Maximum size of a TOAST chunk: 1996
Date/time type storage: 64-bit integers
Float4 argument passing: by value
Float8 argument passing: by value
Data page checksum version: 0

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