数据库内核月报 - 2015 / 10

PgSQL · 特性分析 · PG主备流复制机制

PostgreSQL在9.0之后引入了主备流复制机制,通过流复制,备库不断的从主库同步相应的数据,并在备库apply每个WAL record,这里的流复制每次传输单位是WAL日志的record。而PostgreSQL9.0之前提供的方法是主库写完一个WAL日志文件后,才把WAL日志文件传送到备库,这样的方式导致主备延迟特别大。同时PostgreSQL9.0之后提供了Hot Standby,备库在应用WAL record的同时也能够提供只读服务,大大提升了用户体验。

主备总体结构

PG主备流复制的核心部分由walsender,walreceiver和startup三个进程组成。
walsender进程是用来发送WAL日志记录的,执行顺序如下:

PostgresMain()->exec_replication_command()->StartReplication()->WalSndLoop()->XLogSendPhysical()

walreceiver进程是用来接收WAL日志记录的,执行顺序如下:

sigusr1_handler()->StartWalReceiver()->AuxiliaryProcessMain()->WalReceiverMain()->walrcv_receive()

startup进程是用来apply日志的,执行顺序如下:

PostmasterMain()->StartupDataBase()->AuxiliaryProcessMain()->StartupProcessMain()->StartupXLOG()

下图是PG主备总体框架图:

PG主备总体框架图

图1. PG主备总体框架图

walsender和walreceiver进程流复制过程

walsender和walreceiver交互主要分为以下几个步骤:

  1. walreceiver启动后通过recovery.conf文件中的primary_conninfo参数信息连向主库,主库通过连接参数replication=true启动walsender进程;
  2. walreceiver执行identify_system命令,获取主库systemid/timeline/xlogpos等信息,执行TIMELINE_HISTORY命令拉取history文件;
  3. 执行wal_startstreaming开始启动流复制,通过walrcv_receive获取WAL日志,期间也会回应主库发过来的心跳信息(接收位点、flush位点、apply位点),向主库发送feedback信息(最老的事务id),避免vacuum删掉备库正在使用的记录;
  4. 执行walrcv_endstreaming结束流复制,等待startup进程更新receiveStart和receiveStartTLI,一旦更新,进入步骤2。
PG流复制过程

图2. PG流复制过程

walreceiver和startup进程

startup进程进入standby模式和apply日志主要过程:

  1. 读取pg_control文件,找到redo位点;读取recovery.conf,如果配置standby_mode=on则进入standby模式。
  2. 如果是Hot Standby需要初始化clog、subtrans、事务环境等。初始化redo资源管理器,比如Heap、Heap2、Database、XLOG等。
  3. 读取WAL record,如果record不存在需要调用XLogPageRead->WaitForWALToBecomeAvailable->RequestXLogStreaming唤醒walreceiver从walsender获取WAL record。
  4. 对读取的WAL record进行redo,通过record->xl_rmid信息,调用相应的redo资源管理器进行redo操作。比如heap_redo的XLOG_HEAP_INSERT操作,就是通过record的信息在buffer page中增加一个record:

     MemSet((char *) htup, 0, sizeof(HeapTupleHeaderData));
     /* PG73FORMAT: get bitmap [+ padding] [+ oid] + data */
     memcpy((char *) htup + offsetof(HeapTupleHeaderData, t_bits),
     	   (char *) xlrec + SizeOfHeapInsert + SizeOfHeapHeader,
     	   newlen);
     newlen += offsetof(HeapTupleHeaderData, t_bits);
     htup->t_infomask2 = xlhdr.t_infomask2;
     htup->t_infomask = xlhdr.t_infomask;
     htup->t_hoff = xlhdr.t_hoff;
     HeapTupleHeaderSetXmin(htup, record->xl_xid);
     HeapTupleHeaderSetCmin(htup, FirstCommandId);
     htup->t_ctid = xlrec->target.tid;
    
     offnum = PageAddItem(page, (Item) htup, newlen, offnum, true, true);
     if (offnum == InvalidOffsetNumber)
     	elog(PANIC, "heap_insert_redo: failed to add tuple");
    
     freespace = PageGetHeapFreeSpace(page);		/* needed to update FSM below */
    
     PageSetLSN(page, lsn);
    
     if (xlrec->flags & XLOG_HEAP_ALL_VISIBLE_CLEARED)
     	PageClearAllVisible(page);
    
     MarkBufferDirty(buffer);
    

    还有部分redo操作(vacuum产生的record)需要检查在Hot Standby模式下的查询冲突,比如某些tuples需要remove,而存在正在执行的query可能读到这些tuples,这样就会破坏事务隔离级别。通过函数ResolveRecoveryConflictWithSnapshot检测冲突,如果发生冲突,那么就把这个query所在的进程kill掉。

  5. 检查一致性,如果一致了,Hot Standby模式可以接受用户只读查询;更新共享内存中XLogCtlData的apply位点和时间线;如果恢复到时间点,时间线或者事务id需要检查是否恢复到当前目标;
  6. 回到步骤3,读取next WAL record。
PG rstandby模式和apply日志过程

图3. PG standby模式和apply日志过程