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：

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。

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。

图3. PG standby模式和apply日志过程