数据页面布局

本章提供一个 Redrock Postgres 的表和索引所使用的页面格式的概述。序列和TOAST表的格式就像一个普通表一样。实际上，表和索引访问模式并不需要使用这种页面格式。heap表访问方法总是采用这种格式。目前所有的索引方法的确也使用这个基本格式，但索引元页里的数据通常并不遵循项布局规则。

在下面解释中，一个字节被假定包含 8 个位。另外，术语item指的是存储在一个页面里的独立数据值。在一个表里，一个项是一个行；在一个索引里，一个项是一条索引记录。

每个表和索引都以一个固定尺寸（通常是 8 kB，不过在编译服务器时可以选择其他不同的尺寸）的页面数组存储。在表中，所有页面在逻辑上都相同，所以一个特定的项（行）可以被存储在任何页面里。在索引里，第一个页面通常保留为元页来保存控制信息，并且依索引访问方法的不同，在索引里可能有不同类型的页面。

表 1 显示一个页面的总体布局。每个页面有六个部分。

表 1. 总体页面布局

每个页面的头40个字节组成页头（PageHeaderData）。它的格式在表 2 里详细介绍。第一个域跟踪此页面最近被修改的时间戳。第二个域包含该页面的校验码（如果data checksums被启用）。页面头中接下来的 1 字节（pd_version）存储一个版本指示器。Redrock Postgres 12 使用版本号 1；更早的版本使用版本号 0（基本页面布局和头格式在大部分这些版本里都没有改变，但是堆的行头部布局有所变化）。接下来一个1字节的域包含标志位。此后跟随着4个2字节长度的整数域（pd_trans、pd_lower、pd_upper和pd_special）。这些域包含从页面开始位置到项标识符开头的字节偏移、到未分配空间开头的字节偏移、到未分配空间结尾的字节偏移以及到特殊空间开头的字节偏移。最后的域是一个提示，它显示清理该页是否可能获益：它跟踪在页面上最老的可清理行的删除时间戳。

表 2. PageHeaderData布局

在页头后面是项标识符（ItemIdData），每个占用四个字节。一个项标识符包含一个到项开头的字节偏移量（它的长度以字节计），以及一些属性位，这些属性位影响对它的解释。新的项标识符根据需要从未分配空间的开头分配。项标识符的数目可以通过查看pd_lower来判断，在分配新标识符的时候pd_lower会增长。因为一个项标识符在被释放前绝对不会移动，所以它的索引可以用于长期地引用一个项，即使该项本身因为压缩空闲空间在页面内部进行了移动。实际上，PostgreSQL创建的每个指向项的指针（ItemPointer，也叫做CTID）都由一个页号和一个项标识符的索引组成。

项本身存储在从未分配空间末尾开始从后向前分配的空间里。它们的实际结构取决于表包含的内容。表和序列都使用一种叫做HeapTupleHeaderData的结构，如下文所述。

最后一部分是“特殊部分”，它可以包含访问方法想存放的任何东西。比如，b-tree 索引用它存储指向页面的左右兄妹的链接，以及其他一些和索引结构相关的数据。普通表并不使用这个部分（通过设置pd_special等于页面大小来表示）。

图 1 举例说明这些组件如何在一个页面中布局。

表 3 列出并描述了实际数据项引用的每个事务项，这些事务项在大多数计算机上占用 24 字节。

表 3. ItemXactData 布局

数据块一开始会包含两个初始事务项 - 这是在Redrock Postgres中创建表或索引时的默认值。如果想要创建（或重建）一个数据库对象让每个数据块具有更多事务项，从而可以避免在更高级别的并发修改中发生争用，可以通过在对象创建时设置 initrans 存储参数来实现。不过在需要的时候，任何块中的事务项数组都可以动态增长，只要块中还有足够的可用空间。

事务项的存在是为了标识最近更改数据块的事务，但是标识事务的信息需要占用额外的空间，Redrock Postgres 倾向使事务项的数组尽可能短。此外，在索引叶块分裂时，原来叶块上的事务项会被复制到新的叶块中。

所有表行都用同样方法构造。它们有一个定长的头部（在大多数机器上占据 8 个字节），后面跟着一个可选的空值位图以及用户数据。 该头部在表 4 里详细描述。实际的用户数据（行的列）从t_hoff指示的偏移位置开始，它必须总是该平台的MAXALIGN距离的倍数。空值位图只有在t_flags中的HEAP_HASNULL位被设置时存在。如果存在，那么它紧跟在定长的头部后面，并占据足够的字节来容纳每个数据列对应的一个位（也就是说，位数等于t_natts中的属性计数。）。在这个位的列表中，为 1 的位表示非空，而为 0 的位表示空。如果这个位图不存在，那么所有列都被假设为非空的。如果需要对齐t_hoff使之成为MAXALIGN的倍数，那么填充将出现在空值位图和用户数据之间（这样也保证了用户数据得到恰当的对齐）。

表 4. HeapTupleHeaderData布局

只有从其他表里获取了信息之后才能解释实际的数据，这些信息大多数在pg_attribute中。标识域位置的关键值是attlen和attalign。我们没有办法直接获取某个特定属性，除非它们是定宽并且没有空值。所有这些复杂的操作都封装在函数heap_getattr、fastgetattr和heap_getsysattr中。

要读取数据的话，你需要轮流检查每个属性。首先根据空值位图检查该域是否为NULL。如果是，那么跳到下一个。然后保证你的对齐是正确的。如果域是一个定宽域，那么所有字节都简单地放在其中。如果它是一个变长域（attlen = -1），那么它就会有点复杂。所有变长数据类型都使用一个通用的头部结构struct varlena，它包含所存储的值的总长度以及一些标志位。根据标志的不同，数据可能在线内或者是在一个TOAST中，还可能是压缩的（参阅第 68.2 节）。