Глубокое понимание архитектуры и внутренней работы PostgreSQL.

краткое содержание:

широко используется в различных областях PostgreSQL Это мощная система управления реляционными базами данных с открытым исходным кодом. Тема этого блога — узнать больше о PostgreSQL Архитектура и внутреннее устройство, призвано помочь читателям лучше понять механизм его работы, тем самым оптимизируя и управляя PostgreSQL база данных.

1. Введение

PostgreSQL, как многофункциональная, надежная и стабильная база Система управления данными широко используется во многих проектах и ​​предприятиях. Для Глубокого понимание PostgreSQL В интерьере Работапринцип мы представим его общую Архитектуру, а также клиентский, серверный и фоновый Интерактивные отношения между процессами.

2. Обзор архитектуры PostgreSQL

PostgreSQL — это мощная система управления реляционными базами данных с открытым исходным кодом. Ее архитектура включает в себя множество компонентов, каждый из которых играет ключевую роль в системе баз данных. учиться PostgreSQL Общая архитектура для Глубокого понимание Его интерьер Работапринцип имеет решающее значение.

Клиент-серверное взаимодействие

В PostgreSQL клиент подключается к серверу по сети для выполнения операций с базой данных. Клиентом могут быть различные приложения, например веб-приложения, инструменты командной строки или приложения с графическим интерфейсом. Сервер получает запрос от клиента и выполняет соответствующие операции с базой данных на основе содержимого запроса.

процессор запросов

Когда клиент отправляет SQL При запросе серверного терминала процессор запрос отвечает за анализ и обработку этих запросов. Сначала он выполняет синтаксический анализ запроса, чтобы убедиться в достоверности оператора запроса. Затем Запрос процессора будет основан на семантике запроса,Сгенерировать план выполнения.

Генерация плана выполнения

Оптимизатор запросов — ключевой компонент создания планов выполнения. Оптимизатор анализирует запрос,Рассмотрим несколько вариантов исполнения,и выбрать оптимальный план выполнения. Цель оптимизатора — повысить производительность и эффективность запросов за счет выбора наилучшего плана выполнения.

двигатель хранения

План выполнения передается двигателю хранения,двигатель Хранение отвечает за фактическое выполнение запроса и чтение данных с диска или памяти. PostgreSQL поддерживает несколько двигателей хранения, что делает его очень гибким и масштабируемым.

Управление транзакциями и контроль параллелизма

PostgreSQL строго следует характеристикам транзакций ACID (атомарность, согласованность, изоляция и долговечность). Менеджер транзакций отвечает за обработку фиксации и отката транзакций, а также за обеспечение изоляции и согласованности между несколькими одновременными транзакциями.

Управление кэшем

Чтобы повысить производительность запросов к базе данных, PostgreSQL использует механизм кэширования. Он хранит в памяти часто используемые данные и результаты запросов, чтобы быстро реагировать на запросы клиентов.

фоновый процесс

В дополнение к ключевым компонентам, упомянутым выше,PostgreSQL также имеет несколько важных фоновых процессов., используемый для выполнения таких задач, как автоматическая очистка, управление журналами, управление параллельным доступом и т. д., чтобы гарантировать, что база Нормальная работа данных.

В следующих главах мы подробно рассмотрим, как работает каждый компонент, и поймем, как работает каждый компонент. PostgreSQL Как добиться мощных функций и высокой производительности с помощью этих компонентов. Автор: Глубокое понимание PostgreSQL архитектуру, вы сможете лучше управлять и оптимизировать свою PostgreSQL база данных.

3. Управление подключением и сеансом

Управление соединениями и сеансамидабаза данные решающее звено в работе. существования В этом разделе мы подробно объясним, как клиент Подключиться к серверу PostgreSQLи Создать сеанс и как оптимизировать базу Производительность и использование ресурсов данных.

Подключиться к серверу PostgreSQL

Когда клиентское приложение желает связаться с PostgreSQL база данные для взаимодействия должны быть через сеть Подключиться к серверу ПостгреSQL. Клиент предоставит имя хоста сервера (или IP адрес) и номер порта для установления соединения.

Аутентификация и проверка полномочий

Как только клиент подключится к PostgreSQL Сервер устанавливает соединение, сервер запросит у клиента аутентификацию. Это сделано для того, чтобы только авторизованные пользователи имели доступ к базе. данных.PostgreSQL Поддерживает несколько методов аутентификации, включая аутентификацию на основе пароля, аутентификацию по сертификату и т. д.

Создать сеанс

После аутентификации клиент общается с PostgreSQL сервер Создать сеанс。сессиядапрочныйизсоединять,Это позволяет клиентам сохранять состояние между несколькими запросами. существовать во время сеанса,Клиент может выполнять несколько запросов,И существуют общие данные и статус между каждым запросом.

Пул соединений и ограничения на соединения

Чтобы оптимизировать производительность базы данных и использование ресурсов, часто используется технология пула соединений. Пул соединений позволяет нескольким клиентам совместно использовать набор заранее установленных подключений к базе данных, тем самым избегая накладных расходов, связанных с частым созданием и уничтожением подключений. Кроме того, чтобы контролировать нагрузку на сервер базы данных, количество подключений можно ограничить, чтобы предотвратить снижение производительности, вызванное слишком большим количеством подключений.

4. Обработка и выполнение запросов

Как только клиент подключится к PostgreSQL Создать сеанс, его можно отправить SQL Запрос к концу сервера для выполнения базы операция с данными. существуют В этом разделе мы углубимся в процесс обработки запросов и способы оптимизации Выполнения. запроса,улучшатьбаза данныхпроизводительность。

Разбор запроса запроса

Когда сервер получает оператор запроса SQL, отправленный клиентом, он должен сначала проанализировать синтаксис запроса. Синтаксический анализатор преобразует операторы запроса во внутренние структуры данных, чтобы система базы данных могла понять смысл запроса.

оптимизатор запросов

Как только запрос будет проанализирован,Оптимизатор запросов вмешается в Работа. Цель оптимизатора запросов — выбрать лучший план выполнения.,для наиболее эффективного выполнения запросов. Оптимизатор рассматривает несколько стратегий выполнения,и оценить стоимость каждой стратегии,Затем выберите оптимальный план выполнения.

Генерация плана выполнения

существовать После того, как оптимизатор выберет план выполнения, Генерация плана Выполнение создаст план, который фактически выполняет запрос на основе выбора оптимизатора. План выполнения – это набор операционных шагов, описывающий данных Как система получает данные из хранилища,и обработать данные,для получения окончательных результатов запроса.

Выполнение запроса

наконец,Сгенерированный план выполнения будет передан в отдел хранения двигателей.,двигатель хранилище будет отвечать за фактическое выполнение запроса и возврат результатов клиенту. двигатель хранилище будет считывать данные с диска или памяти в соответствии с планом выполнения и выполнять различные базы. операции с данными, такие как фильтрация, сортировка и агрегирование.

существовать Глубокое После процесса обработки и выполнения запросов на понимание мы можем улучшить базу за счет оптимизации операторов запросов и конструкции индекса. производительность и оперативность данных для лучшего удовлетворения потребностей приложения.

5. Управление транзакциями и контроль параллелизма

Управление транзакциями и контроль параллелизма PostgreSQL Основа мощной функциональности. В этом разделе мы подробно обсудим PostgreSQL Как внедрить ACID-свойства транзакций,иобъяснять Управление многоверсионным параллелизмом (MVCC)изпринцип。

ACID-свойства транзакций

PostgreSQL Строго соблюдайте ACID-свойства транзакций：

• Атомарность: транзакции рассматриваются как неделимая единица операций.,Или все исполнения успешны,Либо все провалится и откатится назад,Гарантированная база Согласованность данных.
• Согласованность: транзакция передает данные из одного состояния согласованности в другое, не нарушая целостности данных.
• Изоляция: выполнение транзакций изолировано друг от друга. Выполнение одной транзакции не повлияет на результаты выполнения других транзакций.
• Долговечность: как только транзакция будет совершена,Его модификации будут постоянно сохраняться в базе данных.,Он не будет потерян, даже если произойдет сбой в системе.

Управление многоверсионным параллелизмом (MVCC)

Для достижения высокой производительности параллелизма PostgreSQL Б/у Управление многоверсионным параллелизмом (MVCC) механизм. МВКК Множественным транзакциям разрешено выполняться одновременно, и каждая транзакция может видеть свой собственный снимок базы данных, что обеспечивает высокую степень изоляции. Когда транзакции необходимо изменить данные, она создает новую версию данных вместо прямого изменения исходных данных, что обеспечивает изоляцию и согласованность между различными транзакциями.

Обработка большого количества одновременных операций чтения и записи.

MVCC Использование PostgreSQL Умение эффективно Обрабатывать большого количества одновременных операций чтения и записи. Несколько операций чтения могут выполняться одновременно, не мешая друг другу. Для операций записи PostgreSQL Используйте блокировки и управление версиями для обеспечения согласованности и целостности данных.

проходить Глубокое понимание Управление транзакциями и контроль параллелизма по принципу, базе данных Администраторы и разработчики могут лучше проектировать базу приложений операции с данными, чтобы избежать конфликтов и ошибок данных, тем самым обеспечивая стабильность и надежность системы данных.

6. Механизм хранения и физическая структура хранилища.

PostgreSQLиздвигатель хранениедля оптимизациибаза данных Производительность имеет решающее значение. В этом разделе мы подробнее рассмотрим двигатель хранения и способы организации физических складских помещений, в том числе табличных. пространство、поверхность、индексифайл данных, внося при этом некоторую Передовую технология хранения,нравитьсяповерхность Разделисжатие страниц。

табличное пространство

табличное пространствода PostgreSQL Используется при организации файла Логический контейнер для данных. Каждое табличное пространство может содержать один или несколько файлов данных,Этифайл данные могут располагаться на разных разделах диска. Благодаря правильному планированию табличное пространство,Различные объекты данных могут храниться в разных физических местах.,Обеспечьте эффективное управление данными и оптимизируйте производительность хранилища.

Организация и хранение стола

существовать PostgreSQL В России таблица представляет собой логическую организационную единицу данных и используется для хранения фактических записей данных. Данные таблицы могут хранить несколько файлов данныхсередина,Этифайл данных Зависит оттабличное Управление пространством. Организация таблицы очень важна для базы данныхпроизводительностьбольшое влияние,Поэтому выбирайте подходящийизповерхностьструктураииндекс Дизайн имеет значение。

индекс

Индекс является важным средством ускорения поиска данных. PostgreSQL поддерживает несколько типов индексов.,Такие как индекс B-дерева, индекс хеша и GIN (обобщенный инвертированный индекс) и т. д. Правильно созданный индекс может значительно повысить производительность запросов.,Но слишком большой индекс также увеличит стоимость обслуживания данных.,Поэтому компромиссы и оптимизации должны быть сделаны на основе реальных потребностей.

файл данных

PostgreSQLиспользоватьфайл data для хранения данных в таблице. Данные каждой таблицы могут быть распределены по нескольким файлам. данныхсередина,каждыйфайл данные обычно соответствуют табличным пространство. Разделив данные таблицы на несколько файлов В данных можно реализовать параллельное чтение и запись данных, улучшая базу данных. Масштабируемость и производительность данных.

Передовая технология хранения

Чтобы лучше управлять данными и оптимизировать хранилище, PostgreSQL предоставляет некоторые передовые возможности. технология хранение. Среди них секционирование таблиц — это метод разделения большой таблицы на несколько подтаблиц, который может повысить производительность запросов и эффективность обслуживания данных. Кроме того, сжатие страниц — это разновидность сжатия файла. данныхсерединаизстраница данных,Уменьшите использование места для хранения,Но это также увеличит нагрузку на процессор при чтении данных.

Понимая двигатель хранения и способ организации физических структур хранения, база данных Администраторы и разработчики могут лучше планировать базу данных Схема хранения данных и дизайн индексов для расширения базы данных производительность и ремонтопригодность данных.

7. Логирование и восстановление

Механизм журналирования предназначен для обеспечения того, чтобы база данных Важное средство обеспечения безопасности данных и восстановления после сбоев. существуют В этом разделе мы объясним PostgreSQL Механизм входа в систему и обсуждение Write-Ahead Logging（WAL）иархив Роль журнала и как использовать журналы для восстановления данных и восстановление после сбоев。

Write-Ahead Logging（WAL）

WAL - это PostgreSQL Важная технология регистрации в формате . существуют Перед каждой модификацией данных PostgreSQL сначала записывает операцию модификации в WAL, а затем выполняет фактическую модификацию данных. Это гарантирует, что в случае сбоя будет существовать база данных может восстанавливать данные путем воспроизведения журналов WAL,Это обеспечивает согласованность и целостность данных.

архив журнала

Для дальнейшего обеспечения безопасности данных PostgreSQL также поддерживает архивирование. журнала。архив Журнал — это резервная копия журналов WAL, которая позволяет копировать журналы WAL в удаленное хранилище, предотвращая тем самым потерю данных. существования При восстановлении после неисправности вы можете использовать архив журнал для восстановления данных.

Восстановление данных и восстановление после сбоев

когдабаза данных При возникновении сбоя, например аппаратного сбоя, сбоя или неожиданного завершения работы, PostgreSQL может использовать журналы WAL и архивировать данные. журнал для восстановления данных. Перепроигрывая логи WAL и применяя архив журнала,База данных может восстановить данные до их последнего согласованного состояния.,Обеспечьте целостность данных.

Понимать механизм журналирования и процесс восстановления после сбоев, а также быть знакомым с базой данных. данные Администраторы имеют решающее значение. При правильной настройке параметров журнала и регулярном резервном копировании архива журнала, что минимизирует риск потери данных и обеспечивает Высокая доступность и стабильность данных.

8. Масштабируемость и высокая доступность

По мере роста объемов данных масштабируемость и высокая доступность становятся основой данных Важные соображения при проектировании системы. существуют В этом разделе мы представим PostgreSQL стратегии масштабируемости, включая Чтение и запись такие методы, как разделение и Шардинг, а также предоставляет варианты высокой доступности, такие как потоковая репликация, логическая репликация и Автоматическое переключение при отказеждать。

Чтение и запись разделения

Чтобы справиться с большим количеством одновременных запросов на чтение и запись, PostgreSQL поддерживает Чтение. и запись раздел Технологии. Разделив операции чтения и записи на разные базы. примеры данных, которые могут облегчить основную базу загрузка данных и повышение производительности чтения.

Шардинг

Когда одна база Когда данные не могут удовлетворить потребности в хранении и запросе данных, вы можете рассмотреть возможность использования технологии Шардинг. Шардинг разбивает большую таблицу на несколько подтаблиц и распределяет эти подтаблицы по разным базам. узел данных для достижения горизонтального расширения данных.

Потоковая и логическая репликация

Для обеспечения высокой доступности PostgreSQL поддерживает Потоковую и логическая репликация. Потоковая репликация — это репликация данных в реальном времени на несколько резервных серверов. данныхузел,Таким образом, когда основная существующая база данных выходит из строя,Автоматически переключается на резервный узел. логическая репликация

Вы можете выборочно копировать определенные таблицы данных или коллекции данных, предоставляя более гибкие возможности репликации и синхронизации данных.

Автоматическое переключение при отказе

Чтобы гарантировать, что база Высокая доступность систем данных, Автоматическое переключение при отказе – важный метод практики. С помощью Автоматического переключение при отказные инструменты, такие как Patroni или Pacemaker, могут реализовать существующую базу При сбое данных резервный узел автоматически повышается до основного узла для достижения базового уровня. Автоматическое переключение и восстановление данных.

Правильно планируя и выбирая стратегии масштабирования и высокой доступности, администраторы баз данных могут гарантировать, что базы данных PostgreSQL смогут продолжать стабильно работать по мере роста потребностей бизнеса. В то же время конструкция высокой доступности может минимизировать время простоя системы баз данных и обеспечить надежность и согласованность данных.

9. Настройка и мониторинг производительности

Настройка производительности призвана обеспечить PostgreSQL база Ключевые шаги для эффективной работы с данными. существуют В этом разделе мы предоставим некоторые общие принципы и советы по настройке производительности, которые помогут вам оптимизировать базу. данныхпроизводительность。в то же время,Мы также порекомендуем некоторые часто используемые инструменты и методы мониторинга производительности.,Помощь администратору Быстрое выявление и устранение проблем с производительностью。

Принципы и методы настройки производительности

1. индекс Оптимизация：разумно созданныйиндексможет значительноулучшать Запроспроизводительность。Оцениватьбаза режим запроса данных, выбирайте соответствующие поля в качестве индекса и избегайте чрезмерных или ненужных индексов, чтобы уменьшить накладные расходы на обслуживание.
2. Оптимизация запросов：Просмотр операторов запроса,убеждатьсяиспользовать Эффективныйиз Запрос语法и JOIN операцию, чтобы избежать ненужных подзапросов или полного сканирования таблицы.
3. Управление памятью：Увеличивать PostgreSQL общий размер кэша, позволяющий полностью использовать ресурсы системной памяти и сокращать объем дискового пространства. Ввод-вывод для повышения производительности запросов.
4. Настройка параметров：На основе реального оборудованияи Работанагрузка,Корректирование PostgreSQL Параметры конфигурации, такие как количество одновременных подключений, кеш запросов и т. д., для достижения наилучшей производительности.
5. раздел данных：для большихповерхностьраздел,Раскидать данные по разным табличным пространствам, повысить эффективность запросов и гибкость обслуживания данных.

Инструменты и методы мониторинга производительности

1. pg_stat_statements：этот个扩展可以监控Запросиз Исполнение,Включая время выполнения, среднее время выполнения и т. д.,Помогите определить медленные запросы.
2. pg_stat_activity：Этот вид можно просмотретькогда Ранее активныйизбаза данные сеанса и запрос информации, чтобы помочь администраторам своевременно обнаруживать и решать проблемы с подключением.
3. pgBadger：этотдаодин для разбора PostgreSQL Файлы журналов и инструменты создания отчетов, которые могут помочь администраторам отслеживать базу. Статус производительности данных.
4. pg_top：этотдапохожий наUnixизtopЗаказизинструмент,Можно отслеживать в режиме реального времени PostgreSQL база деятельность данных.
5. PostgreSQL поставляется с журналами：включать PostgreSQL Функция регистрации может записывать базу Сообщения о запросах и ошибках данных помогают администраторам устранять неполадки и выполнять анализ производительности.

Мониторинг производительности PostgreSQL база Важная часть обслуживания данных. Используя эти инструменты и методы, администраторы могут быть в курсе событий базы. данныхизпроизводительностьповерхностьсейчас,Обнаружение потенциальных проблем с производительностью,И произвести соответствующую оптимизацию и корректировку.

10. Заключение

В этом блоге мы Глубокое понимание Понятно PostgreSQL Архитектура и внутреннее устройство。от Обзор PostgreSQL Архитектураприезжать Управление соединениями и сеансами、Обработка и выполнение запросов、Управление транзакциями и контроль параллелизма、двигатель структура хранения и физического хранения, Регистрация и восстановление、Масштабируемость и высокая доступность, каждая тема для нас раскрыта PostgreSQL Важные особенности и механизмы баз данных.

Глубокое понимание Эти принципы помогают администраторам лучше управлять и оптимизировать PostgreSQL база данных для обеспечения его эффективной и стабильной работы. Правильно настройте базу, следуя принципам и методам настройки производительности. параметров данных, оптимизируя запросы и индексы, а также используя инструменты мониторинга производительности, администраторы могут оставаться в курсе базы данныхпроизводительностьизпродолжениесосредоточиться на, оперативно обнаруживать и решать проблемы с производительностью, чтобы PostgreSQL База данных становится эффективной и надежной платформой хранения данных.

Я надеюсь, что этот блог даст вам более глубокое понимание PostgreSQL И оптимизация производительности базы данных помогает. Продолжая учиться и практиковаться, вы сможете еще больше освоить PostgreSQL Передовая характеристика и существование проявляют свои мощные функции в практическом применении. Желаю Вам существования PostgreSQL Достигайте успехов в обучении и применении!

11. Ссылки

существуют В процессе написания этого блога,Мы ссылались на следующие соответствующие книги, статьи и ссылки на официальные документы.,Читателям рекомендуется для дальнейшего изучения:

• Официальная документация PostgreSQL
• «Расширенное ядро ​​PostgreSQL 9» — Лю Тьеян
• Полное руководство по PostgreSQL - Angulo
• «Инсайдер по технологиям PostgreSQL» — Чжан Вэньбо

Надеюсь, этот блог поможет вам лучше понять PostgreSQL Архитектура и внутреннее устройства и практикуйтесь в применении этих знаний для оптимизации и управления вашей базой. система данных. Приятного обучения!