数据库内核月报

数据库内核月报 － 2015 / 06

PgSQL · 追根究底 · WAL日志空间的意外增长

Author: 明虚

问题出现

我们在线上巡检中发现，一个实例的pg_xlog目录，增长到4G，很是疑惑。刚开始怀疑是日志归档过慢，日志堆积在pg_xlog目录下面，未被清除导致。于是检查归档目录下的文件，内容如下。但发现新近完成写入的日志文件都被归档成功了（即在pg_xlog/archive_status里面，有对应的xxx.done文件）。

ls -lrt pg_xlog
...
-rw------- 1 xxxx xxxx 16777216 Jun 14 18:39 0000000100000035000000DE
-rw------- 1 xxxx xxxx 16777216 Jun 14 18:39 0000000100000035000000DF
drwx------ 2 xxxx xxxx    73728 Jun 14 18:39 archive_status
-rw------- 1 xxxx xxxx 16777216 Jun 14 18:39 0000000100000035000000E0

ls -lrt pg_xlog/archive_status
...
-rw------- 1 xxxx xxxx 0 Jun 14 18:39 0000000100000035000000DE.done
-rw------- 1 xxxx xxxx 0 Jun 14 18:39 0000000100000035000000DF.done
-rw------- 1 xxxx xxxx 0 Jun 14 18:39 0000000100000035000000E0.done

仔细观察，奇怪的是，pg_xlog里面还有一些日志文件，其文件名对应了还没产生的日志号！如下所示，当前正在被写入的日志号为100000035000000E0左右，却出现了名为1000000360000000C的日志文件名，更蹊跷的是，其修改时间还在很早以前，就是说不是新近创建或修改过的，如下面的文件修改或创建时间是在当前时间的一个小时之前：

ls -lrt pg_xlog
....
-rw------- 1 xxxx xxxx 16777216 Jun 14 17:37 00000001000000360000000C
-rw------- 1 xxxx xxxx 16777216 Jun 14 17:37 000000010000003600000014
....

这是怎么回事呢？难道是“幽灵日志”？下面我们要搞清楚两个问题：1）为什么会出现”幽灵日志“？2）PG正常情况下日志空间大小是多少？

PG日志创建清理机制

要回答上述问题，需要先摸清PG的日志创建、保持和清理机制。与此直接相关的模块有：日志写入（WAL writer）进程和日志归档（archiver）进程。其实检查点（checkpointer）进程和日志发送进程（WAL sender）也与此有关。

WAL writer负责异步把WAL日志刷入磁盘；与此同时，其他普通后台进程，也可能会同步的将WAL日志刷入磁盘，我们先从分析它们入手。从代码里面不难看出，它们将日志写入新的日志文件时，有如下函数调用：

XLogWrite -> XLogFileInit ->BasicOpenFile

BasicOpenFile负责打开一个新的日志文件，如果文件不存在，则新建文件。而其代码注释里面提到“Try to use existent file (checkpoint maker may have created it already)”，即打开的文件可能已经被checkpointer进程创建。

于是我们将目光转向checkpointer。其主要函数CheckpointerMain的逻辑如下：

  1. 检查是否有checkpoint request信号；
  2. 检查是否checkpoint timeout时间已到；
  3. 调用CreateCheckPoint做检查点操作；
  4. 调用WaitLatch等待checkpoint timeout或checkpoint request信号。

重点内容都在CreateCheckPoint函数中，其逻辑如下：

  1. 检查上次检查点后是否有WAL日志写入，如果没有直接返回；
  2. 调用CheckPointGuts将WAL日志fsync到磁盘；注意其中的CheckPointBuffers函数，会根据checkpoint_completion_target的值做一定的delay，使fsync操作的完成时间占两个检查点之间时间间隔的比例，约为checkpoint_completion_target；
  3. 在WAL中插入检查点日志信息；
  4. 取系统前一次检查点的日志位置指针，即此指针之前的日志文件，都可以删除了；
  5. 由KeepLogSeg根据wal_keep_segments和replication slot的情况计算要额外保留的日志；
  6. 由RemoveOldXlogFiles做真正的日志删除，而神奇的是RemoveOldXlogFiles并未实际删除文件，而是将其回收，即将老文件rename成新文件，做了日志文件预分配；
  7. 完成检查点返回。

可以看到，在这里出现日志删除、预分配等逻辑。也就是说PG的日志文件可能是在做检查点操作时预分配的！预分配的文件名使用了“未来”的目前还不存在的日志号，这就解释了我们之前遇到的“幽灵日志”情况，也回答了我们的第一个问题。

当然，需要说明的是，日志的保留和删除还和是否被archiver进程归档成功有关。

日志空间大小

继续看第二个问题。前面提到的日志空间暴增让我们如临大敌，那么PG日志到底最多会占用多少空间？我们遇到的涨到3G情况正常吗？

从日志清理逻辑（重点是KeepLogSeg和RemoveOldXlogFiles函数）的分析，我们得到下面的结论：

  1. 日志的删除和预分配只在检查点刚完成时进行；
  2. 删除时，保证上一次检查点之后到现在的日志不会被删除；
  3. 保证从目前日志位置往前wal_keep_segments个日志文件不会删除；
  4. 预分配的过程是，对所有不再需要的旧文件重命名为一个未来的日志号，直到预分配的文件数量达到XLOGfileslop，即2*checkpoint\_segments + 1。checkpoint_segments为一个可配置的参数，控制了两个检查点间产生的日志文件数量。

另外，为讨论方便，下面我们先做如下假设：

  1. 有足够多（即大于2*checkpoint_segments + 1）的不再需要的旧日志文件，可以用于预分配；
  2. 每次检查点操作完成的时间，正好占两个检查点之间时间间隔的checkpoint_completion_target（线上目前我们设为0.9）。

设某次检查点操作完成时的时间点为A，则此时做日志预分配的情形如下图所示：

检查点完成时的日志预分配

候选被回收的文件是在时间点C之前的、并且大于wal_keep_segments个文件间隔的文件；这些文件将重命名为预分配文件，文件号为从A对应的日志开始递增，直到达到2*checkpoint_segments + 1个文件为止。

做检查点操作过程中，是不断产生新日志文件的，而且两次检查点之间的日志文件数为一个稳定的值，即checkpoint_segments。因此，在时间点B到A之间产生的日志数约为checkpoint_segments * checkpoint_completion_target。

待A时间点预分配完日志文件，并删除其他不需要的日志后，新产生的日志将使用预分配空间，日志空间不会增大，日志空间大小达到一个稳定状态。而此时日志的空间至少为：保留的日志空间 + 预分配空间 + 正在被写入的那个文件，即为：

max(wal_keep_segments, checkpoint_segments + checkpoint_segments*checkpoint_completion_target) + 2 * checkpoint_segments + 1 + 1

这就是在日志大小达到稳定状态时，所能达到的最大值。所谓“稳定状态”是指，一旦达到这个状态，优先使用预分配空间，一般不会增大；即使日志文件继续增加，也会被删除（如果archiver和wal sender都正常工作的话）。而日志大小也不会明显减少，因为处于预分配状态的日志数量、前一次检查点到当前时间点的日志量都没有大的变化。

回到我们的问题，PG的日志空间占用的正常值，可以用上面的公式计算出来。如果wal_keep_segments为80，checkpoint_segments为64，checkpoint_completion_target为0.9，那么根据公式计算结果为4.02G。即日志空间增加到4G也是正常的。并且可以通过减小checkpoint_segements的值，减少日志空间占用。

几个问题

通过上面分析得出的公式，我们在处理日志时遇到的一些问题就迎刃而解了，例如：

Q: 增加wal_keep_segments会增大日志空间吗？ A: 如果增加wal_keep_segments后，其值仍小于（checkpoint_segments + checkpoint_segments * checkpoint_completion_target），则增加wal_keep_segments并不会增大日志占用空间。

Q: checkpoint_segments与日志空间大小有什么关系？ A: 在wal_keep_segments较小时，checkpoint_segments对日志空间占用有至关重要的影响。日志空间大小基本上可以用4倍checkpoint_segments来估算出来。但当wal_keep_segments较大时，比如是checkpoint_segments的10倍，则checkpoint_segments对日志空间大小的影响相对就小很多了。

思考题

上面的分析中，我们做了两点假设。一个是系统中有足够多的旧日志可供回收，这种情况会出现吗（提示：archiver进程或replication slot对日志删除的影响）？另一个是，检查点操作会及时完成，那么如果检查点操作未及时完成，会出现什么情况？会导致日志空间占用比我们的公式更大吗？