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PostgreSQL之vacuum学习


我们常用的关系型数据库有MySQL、Oracle、SQL Server、PostgreSQL等…但是vacuum的概念只有PG数据库有,而且运维过PG数据库的工程师都应该对它很熟悉,vacuum是PG数据库非常关键的一个操作。那么PG数据库的vacuum是用来干什么的?为什么会有vacuum?

一、vacuum的背景

1.1 常见数据库MVCC实现对比

在了解vacuum之前,我们首先要了解数据库很关键的一个特性:多版本并发控制(MVCC),显而易见这个特性就是为了提高数据库并发而设计的,但是不同的数据库实现MVCC的使用了不同的方法:

  • 以Oracle、MySQL为例
    • 这两种数据库是通过undo日志来实现MVCC。
    • 当数据记录被DML修改,将修改前的数据记录在undo log中,客户端可以读取数据时,通过undo log指针进行回滚找到对应可见的版本。
    • 长事物、大事物会导致undo log暴涨,一定程度上会导致系统日志文件磁盘空间占用的暴涨。只有将事物提交/回滚,相关版本记录不再需要时,对应的版本数据才会被清理,undo系统文件空间才会把无效的版本空间进行释放,具体空间释放操作需要看数据库版本以及参数设置。
  • 以SQL Server为例
    • 它是通过tempdb数据库来实现的。
    • 当数据记录被DML修改,将旧版本数据写入tempdb进行存储,客户端读取数据时,可从通过指针找到tempdb数据库中对应可见的版本。
    • 长事物、大事物会导致tempdb空间暴涨,只有事物提交,相关版本记录不再需要时,才会将相关的版本记录进行释放,需要注意的是这部分磁盘空间消耗是没有释放给操作系统的,需要手动进行磁盘空间收缩。
  • 以PostgreSQL为例
    • 它是通过保留变更前的记录来实现MVCC的。
    • 当数据记录被DML修改,旧版本记录仍保留不变,仅仅需要修改相关记录的xmin、xmax属性,并新增写入变更后的版本记录数据。
    • 由于历史版本数据仍然保留在原表空间中,默认情况下autovacuum会按照一定的参数设置策略检测并进行一定的清理,但频繁的数据变极大可能导致旧版本数据空间来不及进行空间回收,从而导致表空间膨胀。

各MVCC实现方法的优缺点对比:

  • 通过undo log或者tempdb来进行旧版本存储的方式,有效的避免了表空间膨胀,相对于PG直接保留旧版本数据的方式,每次DML操作都需要额外的日志写入,存在一定的IO消耗(目前SSD盘存储下,感觉影响不会很大);
  • PG这种直接保留旧版本数据的方式,无需额外的日志写入的消耗,但是一定程度上会导致旧版本数据没有及时清理,导致表空间膨胀,影响该表数据的查询效率(扫描了不必要的数据页)

二、vacuum工作机制

2.1 vacuum

由于对表记录进行DML后,旧版本数据其实并没有真正的进行物理删除,而是继续保留且进行相应的记录打标,这些不在需要的旧版本记录称为dead tuple。
vacuum的作用就是回收表膨胀出现的dead tuple,将对应的表空间释放给数据库or操作系统。

1、命令格式

VACUUM [ ( option [, ...] ) ] [ table_and_columns [, ...] ]
VACUUM [ FULL ] [ FREEZE ] [ VERBOSE ] [ ANALYZE ] [ table_and_columns [, ...] ]

where option can be one of:

    FULL [ boolean ]
    FREEZE [ boolean ]
    VERBOSE [ boolean ]
    ANALYZE [ boolean ]
    DISABLE_PAGE_SKIPPING [ boolean ]
    SKIP_LOCKED [ boolean ]
    INDEX_CLEANUP [ boolean ]
    TRUNCATE [ boolean ]
    PARALLEL integer

and table_and_columns is:

    table_name [ ( column_name [, ...] ) ]
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 7
  • 8
  • 9
  • 10
  • 11
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2、vacuum的几种关键变体

  • vacuum full : 执行期间需要获取对应表的独占锁,阻塞其他客户端的读写操作。该模式下会将对应表数据重新写入一个新的表空间文件,最后替换为新的表文件,这种方式下可以回收dead tuple空间并释放给操作系统。该操作执行消耗是比较大的,且耗时的。
  • vacuum freeze : 使用一种激进的方式冻结元祖,相当于把参数 vacuum_freeze_min_age 、 vacuum_freeze_table_age 设置为0。该模式下Full参数指定是多余的,该操作执行消耗同样是比较大的,且耗时的。
  • vacuum verbose : 执行期间不需要获取对应表的独占锁,允许其他客户端的并发读写操作。该模式下仅仅会将dead tuple空间进行回收并释放给数据库,并不会释放给操作系统,vacuum期间打印每张表详细的垃圾回收记录。
  • vacuum analyze : 执行期间不需要获取对应表的独占锁,允许其他客户端的并发读写操作,执行完毕vacuum后会再次执行analyza重新采集相关表的统计信息。该模式下仅仅会将dead tuple空间进行回收并释放给数据库,并不会释放给操作系统。

3、运维建议

  • vacuum_cost_delay :计算每个毫秒级别所允许消耗的最大IO,vacuum_cost_limit/vacuum_cost_dely。 默认vacuum_cost_delay为20毫秒。
  • vacuum_cost_page_hit :vacuum时,page在buffer中命中时,所花的代价。默认值为1。
  • vacuum_cost_page_miss:vacuum时,page不在buffer中,需要从磁盘中读入时的代价默认为10。
  • vacuum_cost_page_dirty:当vacuum时,修改了clean的page。这说明需要额外的IO去刷脏块到磁盘。默认值为20。
  • vacuum_cost_limit:当超过此值时,vacuum会sleep。默认值为200。

2.2 autovacuum

autovacuum为PG数据库中可以实现自动vacuum的一个守护进程,需要数据库将参数autovacuum参数打开。autovacuum会自动检测发生了大量DML操作的表对象,并对其进行垃圾回收和统计信息的重新采集,相当于手动执行 vacuum analyze 。

1、重点参数

  • autovacuum : 是否开启autovacuum守护进程,默认开启
  • log_autovacuum_min_duration : 指定autovacuum执行耗时超过该参数时,将对应操作记录到日志,-1表示禁用autovacuum的日志记录
  • autovacuum_max_workers : autovacuum可启动的最大worker数,默认为3
  • autovacuum_naptime : 指定两次autovacuum之间的时间延迟,默认为1min
  • autovacuum_vacuum_threshold 、autovacuum_vacuum_scale_factor : 指定一张表Delete、Update的tuple数超过 autovacuum_vacuum_scale_factor * table_size + autovacuum_vacuum_threshold 时,自动触发autovacuum。默认autovacuum_vacuum_threshold为50,autovacuum_vacuum_scale_factor为20
  • autovacuum_vacuum_insert_threshold 、 autovacuum_vacuum_insert_scale_factor : 指定一张表Insert的tuple数超过 autovacuum_vacuum_insert_scale_factor * table_size + autovacuum_vacuum_insert_threshold 时,自动触发autovacuum。默认autovacuum_vacuum_insert_threshold为50,autovacuum_vacuum_insert_scale_factor为20
  • autovacuum_analyze_threshold 、autovacuum_analyze_scale_factor : 指定一张表Insert、Delete、Update的tuple数超过 autovacuum_analyze_scale_factor * table_size + autovacuum_analyze_threshold 时,自动触发analyza操作。默认autovacuum_analyze_threshold为50,autovacuum_analyze_scale_factor为20
  • autovacuum_freeze_max_age : 为防止表中事物ID回卷,指定表的最大事物ID(pg_class.relfrozenxid),超过该参数值自动触发autovacuum,即使autovacuum参数设置为off
  • autovacuum_multixact_freeze_max_age : 为防止表中多个事物ID回卷,指定表的最大事物ID(pg_class.relminmxid),超过该参数值自动触发autovacuum,即使autovacuum参数设置为off
  • autovacuum_vacuum_cost_delay : 指定计算autovacuum的代价延迟值
  • autovacuum_vacuum_cost_limit : 指定autovacuum操作的代价限制值

2、工作原理

  • 当参数autovacuum设置为on时,数据库会启动一个autovacuum的守护进程,当满足触发条件时启动相关的autovacuum经常进行垃圾回收操作
  • 当表update,delete的tuples数量超过 autovacuum_vacuum_scale_factor * table_size + autovacuum_vacuum_threshold 时,自动触发autovacuum操作
  • 当表insert的tuples数量超过 autovacuum_vacuum_insert_scale_factor * table_size + autovacuum_vacuum_insert_threshold 时,自动触发autovacuum操作
  • 当表的insert,delete,update的tuple超过 autovacuum_analyze_scale_factor * table_size + autovacuum_analyze_threshold 时,自动触发analyza操作
  • 当表的最大事物ID超过autovacuum_freeze_max_age、autovacuum_multixact_freeze_max_age 时,自动触发autovacuum操作
  • 默认两次autovacuum之前的时间间隔为autovacuum_naptime,且每次进行autovacuum时可启动的最大并发数为autovacuum_max_workers

3、运维建议

  • 全局参数并不一定适用于所有表,特殊表可在表级别定义相关参数。例如变更频繁的表,可适当减少autovacuum_vacuum_scale_factor、autovacuum_vacuum_threshold参数值,使得其可以及时的垃圾回收,避免表膨胀影响其查询效率
  • autovacuum_max_workers可根据操作系统CPU资源进行适当调整
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