数据库的常用的数据存储结构

概述

今天主要讲讲PG的数据结构，PG数据存储结构分为：逻辑结构和物理存储。

其中逻辑存储结构是内部的组织和管理数据的方式。物理存储结构是操作系统中组织和管理数据的方式。逻辑存储结构适用于不同的操作系统和硬件平台。

一、逻辑存储结构

逻辑结构包括：

所有数据库对象都有各自的oid(object identifiers),oid是一个无符号的四字节整数，相关对象的oid都存放在相关的system catalog表中，比如数据库的oid和表的oid分别存放在pg_database,pg_class表中。

1、数据库集群-Database cluster

2、数据库-Database

3、表空间-tablespace

数据库在逻辑上分成多个存储单元，称作表空间。表空间用作把逻辑上相关的结构放在一起。数据库逻辑上是由一个或多个表空间组成。

新创建的数据库默认创建下面的表空间：

1)Catalog表空间 存放系统表信息

2)System表空间 存放用户数据3)Temp表空间

4、模式-Schema

自动创建的系统模式如下：

1)PG_CATALOG

2)PG_LARGEOBJECT

3)PG_TOAST

4)PG_PARTITION

默认的用户模式PUBLIC。

5、段-segment

6、区-extent

7、块-block

8、数据库对象-Database object

1)模式对象表、索引、序列、大对象、视图、函数、存储过程、触发器、包 … …

2)非模式对象用户、数据库

9、数据表-Table

10、索引-Index

11、序列-Sequence

12、视图-View

二、物理存储结构

在执行initdb的时候会初始化一个目录，通常我们都会在系统配置相关的环境变量$PGDATA来表示，初始化完成后，会再这个目录生成相关的子目录以及一些文件。在postgresql中，tablespace的概念并不同于其他关系型数据库，这里一个tablespace对应的都是一个目录。如下图就是PG的物理结构：

1、存储系统主要包括三个部分：

内存中：buffer，MemoryContext;

数据文件，临时文件;

日志文件，日志缓存。

2、文件和目录相关作用描述：

3、数据文件结构

3.1、页

将数据文件中的空间从逻辑上划分成一个个页面(数据块)。页面是数据库I/O的基本单位，即只能整页读写数据文件, 页面的大小默认是8K。

页面可以分成两种：

1)数据页面：数据页面是用来存储用户数据的。

2)控制页面：控制页面用来管理这些数据页面。

数据库共享缓存中的空间划分也是按页为基本单位, 一个页的大小与数据文件中页的大小一致, 这样便于整页读取数据文件,并放入到数据库Buffer中, 从Buffer写入数据文件也同理，保证了缓存与数据文件结构和内容上的一致性。

3.2、Block(块)

概念上基本等同于Page, 但Block更多用于说明DMS中对数据文件中Page的描述。

例如: 对文件的读写的操作, 文件读写位置的定位, 数据文件空间回收等操作, 单位均是以块进行。

数据块的大小在系统初始化时指定，默认是8K，可以取值4K,8K,16K,32K。

3.3、Extent(区)

把数据文件中8个连续的Page构成的空间称为一个Extent。Extent是数据库进行数据文件空间分配/释放的基本单位。每个表、索引、序列对象都是由若干个区组成。数据文件被创建后，除自动保留部分区作为控制区外，其他区全部处于未分配状态。表、索引、序列对象的所有数据都存放在Extent中，当向这些Extent中插入数据时，若该Extent的所有页面都已占满，系统就会自动在所属表空间的数据文件中寻找一个尚未分配的区，并将其状态修改为数据区。

3.4、控制页面

用于空间管理的控制页面：PFS/GAM/IAM。

用于增量备份的控制页面：DCM。

判断可见性的控制页面：VM。

预留的控制页面：BCM/SGAM。

3.5、PFS

Page Free Space,简称PFS页.

用于记录本数据文件中页面的空间使用情况。对文件中的每个页面，PFS中都有一个“字节”与之对应，该字节记录了该页面的状态。

PFS页前64bytes被预留为页头, 剩下81024-64=8128一共覆盖81288K=64MB空间.

故PFS页每隔8128个页面出现一次, 系统初始化把第一个PFS页放在数据文件的第二个页面位置,即:第1号数据页面, 由此可知,第N个PFS页的位置在8128*N+1.

3.6、GAM

Global Allocation Map，简称GAM页。

功能:记录所在数据文件的Extent的分配情况，GAM页中除GAM头外,剩下空间的每一位(bit)均对应一个Extent的分配情况。若某bit位为1，则表明该bit位所关联的Extent已被分配出去,反之未被分配。

若一个GAM页面大小为8K,则除GAM头(64 bytes)外,一个GAM页面所能覆盖的文件范围是: (81024-64)8(88K),约4GB空间。此外，GAM页每隔881288个页面出现一个，系统要求第一个GAM页出现在文件的第3个页面位置(即:第2个索引位置),由此得知,第N个GAM页的出现位置是: 881288*N+2

3.7、IAM

Index Allocation Map，简称IAM页。

功能：每个IAM页只隶属于一个数据库对象(例如:表),但一个数据库对象可包含多个IAM页,由此可见IAM页与数据库对象的关系是1对1，而数据库对象与IAM页的关系是1对多.

IAM的结构与GAM页类似,除IAM头外,剩下空间的每一位(bit)均对应着一个与IAM相关的Extent。若某bit位为1，则表明该bit位所关联的Extent已被分配给该IAM,反之未被分配。若一个IAM页面大小为8K,则除IAM头(64 bytes)外,一个IAM页面所能覆盖的文件范围是: (81024-64)8(88K),约4GB空间。

但与GAM也不同之处在于:IAM的出现位置不固定,只在在创建数据库对象的时候才分配。

三、逻辑与物理存储关系

1、逻辑关系存在表空间;

2、表空间存在对应的数据文件中;

新创建的数据库对应的数据文件的名称:

Catalog表空间 – databasename.dbf

System表空间 – Udatabasename.dbf

Temp表空间-- Tdatabasename.dbf

• 前面加 “U” 前缀代表用户数据表空间，用于保存用户表的数据。
• 不带 U 代表 是系统表的表空间，用于保存系统表的数据。
• U 前缀的数据文件代表的表空间名为PG。
• 不带U 的数据文件代表的表空间为 CATALOG。

四、数据库文件、表空间、其他文件之间的关系

1、关系图如下：

说明：

1)每一个数据库具有一个或多个数据文件，用户存放数据库的所有数据。

2)数据库的数据文件有以下特征：

• 一个数据库文件只能与一个数据库的一个表空间相连。
• 一个表空间可以由多个数据文件组成。

3)数据库对象与文件关系：

• 数据库对象放到表空间中。
• 表空间有多个数据文件。
• 表空间中有多个数据库对象。

4)数据库对象逻辑上是存储在表空间中，物理上是存储在与表空间相关联的数据文件中。

2、数据库包含的文件种类：

1)数据库文件：data/DB

数据库对象，如：数据库、表，索引，序列等对象。

2)控制文件：data/CTL

用来记录数据库集群的状态信息，如：版本信息、集群所管理的各种文件信息、检查点信息、事务状态信息等。

3)日志文件：data/REDOLOG

记录数据修改操作的日志，用于系统发生故障时进行数据恢复。

4)临时文件：data/DB

存放数据库进行计算的过程中，生成的各种中间对象，如排序运算的外存归并单元。

5)参数文件：data目录下

五、Postgresql 底层存储管理方式：

Postgresql的每个数据库均存放在一个目录中，以db_oid命名，该目录中存放每个表对应的文件，文件名以该数据表对应的relfilenode_oid命名。当表中的数据量足够大，导致表文件的大小大于1GB的时候，postgresql会自动创建新的文件用于存放新插入的数据。新文件的名称为： relfilenode_iod.1, relfilenode_iod.2 等。使用该策略是为了防止在某些文件系统中，最大支持文件尺寸不能大于1GB的情形。

db_oid, relfilenode_oid可以从pg_class系统表中查询得出。

每个table对应的文件内部又按照Page的方式组织。每个Page的大小默认为8KB。所以每个数据库对应文件的Disk 分布由下图所示：

每个Page中包含Page Header以及Data段，Page Header中，pg_lower指向Free Space的起始地址，pg_upper指向Free Space的结束地址。

• Data 段中，包含有： ItemIdData 段，Free Space段， Items段 以及Special space段。
• ItemIdData 段： Array of (offset,length) pairs pointing to the actual items. 4 bytes per item.
• Free Space 段：The unallocated space. New item pointers are allocated from the start of this area, new items from the end.
• Items 段： The actual items themselves.
• Special space 段： Index access method specific data. Different methods store different data. Empty in ordinary tables.
• Item的存储是从pg_upper向pg_lower(类似堆)方向增长。ItenIdData的存储是从pg_lower向pg_upper方向增长(类似栈)。
  
  选择了数据结构，算法也随之确定，是数据而不是算法是系统构造的关键因素。这种洞见导致了许多种软件设计方法和程序设计语言的出现，面向对象的程序设计语言就是其中之一。