Postgresql源码（136）syscache/relcache 缓存及失效机制

mingjie

修改于 2024-10-10 16:33:30

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文章被收录于专栏：Postgresql源码分析

相关《Postgresql源码（45）SysCache内存结构与搜索流程分析》

0 总结速查

syscache：缓存系统表的行。通用数据结构，可以缓存一切数据（hash + dlist）。可以分别缓存单行和多行查询。

syscache使用CatCache数组，定义了一些常用查询的结果集缓存，数据放到CatCache里面的dlist中存放。
syscache查询接口
- SearchSysCache系列接口时，key须按照cacheinfo的定义来查询
  - pg_class支持where relname = ? and relnamespace = ?的查询：SearchSysCache2(RELNAMENSP,k1,k2)。
  - pg_class支持where oid = ?的查询：SearchSysCache1(RELOID,k1)。
- SearchSysCacheList系列接口时，可以使用少于定义的key去查询，例如
  - SearchSysCacheList1(AMPROCNUM, ObjectIdGetDatum(opfamilyoid));
  - SearchSysCacheExists4(AMPROCNUM, ObjectIdGetDatum(opfamily), ObjectIdGetDatum(opcintype), ObjectIdGetDatum(opcintype), Int16GetDatum(procno))
syscache的查询条件（1个或多个健）组合成key，key经过hash后落到某一个dlist上，在用key按顺序遍历dlist确定哪个是想要的，dlist自带lru机制，访问到的会调整到前面。

relcache：缓存RelationData。

relcache就是一张hash表保存RelationIdCache结构。
RelationIdCache结构在进程初始化时分三阶段初始化：创建RelationIdCache hash表、从pg_filenode.map文件导入oid→relfilenode、从pg_internal.init文件导入RelationData（包括RelationData、RelationData->rd_rel、RelationData->rd_attr`）。

失效机制

进程本地，维护了数组存放失效消息，在事务提交时决定写共享内存或只失效自己。
进程本地，每一层子事务都会维护一个Group结构（InvalidationMsgsGroup），指向消息数组中的几条属于自己的失效消息。
进程本地，每一个Group结构中，都会维护一个当前query的group（CurrentCmdInvalidMsgs）、之前消息的group（PriorCmdInvalidMsgs），在事务提交、回滚时，可以分别处理：
- 事务提交：当前的和之前的都需要发送共享内存，被其他进程消费。
- 事务回滚：当前的不管了；之前的需要失效本地缓存，不发送到共享内存。
失效时机：子事务/事务提交/回滚AtEOXact_Inval、AtEOSubXact_Inval、CommandCounterIncrement。

1 系统表

系统表记录的元数据用来组织整库的数据结构。

例如：create table t1(a int, b int)

在pg_class中记录表名、表文件、行统计信息等等信息：说明表名存在，如何找到表文件等。
在pg_attribute中记录列名、列类型等信息：说明表有哪些列、列类型等。
在pg_type中增加一条和表名同名的复合类型：声明一个新的复合类型(a int, b int)，类型名同表名。

2 系统表缓存

系统表是需要被高频访问的，所以PG为系统表设计了两种进程级缓存：

syscache：缓存系统表tuple → 缓存行数据。
relcache：缓存系统表RelationData（表模式信息） → 缓存表结构。

两种缓存保存的都是高频访问数据，可以充分利用cpu的cache，进一步减少访问延迟。

缓存为什么要放到进程本地？因为每个进程执行的业务可能完全不同，缓存的数据也会有差异，并且进程天然隔离，做到本地简单、高效。如果放到共享内存中，并发读写需要有非常精细的控制，肯定要引入锁、atomic等同步机制，得不偿失。

3 syscache(catalog cache)

syscache 以一个数组的形式存放在内存中，每一个数组位置存放一个CatCache，每一个CatCache直观上可以看做一个固定SQL的结果集，具体的数据结构参考这里：

《Postgresql源码（45）SysCache内存结构与搜索流程分析》

cacheinfo数组中保存着上面提到的这些“SQL”例如：

static const struct cachedesc cacheinfo[] = {
	...
	...
	...
	[RELNAMENSP] = {
		RelationRelationId,
		ClassNameNspIndexId,
		KEY(Anum_pg_class_relname, Anum_pg_class_relnamespace),
		128
	},
	[RELOID] = {
		RelationRelationId,
		ClassOidIndexId,
		KEY(Anum_pg_class_oid),
		128
	},
	...
	...
	...

功能上可以看做：

RELNAMENSP
- 等价为：select * from pg_class where relname = ? and relnamespace = ?
- 走索引：ClassNameNspIndexId
RELOID
- 等价为：select * from pg_class where oid = ?
- 走索引：ClassOidIndexId

查询出来的结果（tuple）存放在CatCache的dlist中，CatCache还支持一批数据缓存，具体在上面文章中介绍，不再展开。

初始化流程：

void
InitCatalogCache(void)
{
	int			cacheId;
	SysCacheRelationOidSize = SysCacheSupportingRelOidSize = 0;
	for (cacheId = 0; cacheId < SysCacheSize; cacheId++)
	{
		SysCache[cacheId] = InitCatCache(cacheId,
										 cacheinfo[cacheId].reloid,
										 cacheinfo[cacheId].indoid,
										 cacheinfo[cacheId].nkeys,
										 cacheinfo[cacheId].key,
										 cacheinfo[cacheId].nbuckets);
		SysCacheRelationOid[SysCacheRelationOidSize++] =
			cacheinfo[cacheId].reloid;
		SysCacheSupportingRelOid[SysCacheSupportingRelOidSize++] =
			cacheinfo[cacheId].reloid;
		SysCacheSupportingRelOid[SysCacheSupportingRelOidSize++] =
			cacheinfo[cacheId].indoid;
	}
	qsort(SysCacheRelationOid, SysCacheRelationOidSize,
		  sizeof(Oid), oid_compare);
	SysCacheRelationOidSize =
		qunique(SysCacheRelationOid, SysCacheRelationOidSize, sizeof(Oid),
				oid_compare);
	qsort(SysCacheSupportingRelOid, SysCacheSupportingRelOidSize,
		  sizeof(Oid), oid_compare);
	SysCacheSupportingRelOidSize =
		qunique(SysCacheSupportingRelOid, SysCacheSupportingRelOidSize,
				sizeof(Oid), oid_compare);
	CacheInitialized = true;
}

4 relcache

hash表缓存最常用的数据结构RelationData：

typedef struct RelationData
{
	RelFileLocator rd_locator;	/* relation physical identifier */
	SMgrRelation rd_smgr;		/* cached file handle, or NULL */
	int			rd_refcnt;		/* reference count */
	ProcNumber	rd_backend;		/* owning backend's proc number, if temp rel */
	bool		rd_islocaltemp; /* rel is a temp rel of this session */
	bool		rd_isnailed;	/* rel is nailed in cache */
	bool		rd_isvalid;		/* relcache entry is valid */
	bool		rd_indexvalid;	/* is rd_indexlist valid? (also rd_pkindex and
								 * rd_replidindex) */
	bool		rd_statvalid;	/* is rd_statlist valid? */
...
...
	Form_pg_class rd_rel;		/* RELATION tuple */
	TupleDesc	rd_att;			/* tuple descriptor */
	Oid			rd_id;			/* relation's object id */
	LockInfoData rd_lockInfo;	/* lock mgr's info for locking relation */
...
...
} RelationData;

4.1 重要数据文件

pg_filenode.map

问题：在backend进程启动过程中，需要使用一张系统表，代码中是知道系统表具体oid的，oid对应磁盘上哪个文件，正常需要在pg_class中查询relfilenode，但是pg_class表还没加载。所以现在需要提供一个系统表oid → relfilenode的映射关系，可以找到一些最基础的系统表。

解法：pg_filenode.map提供了表oid到relfilenode的映射关系。

pg_relation_filenode函数可以查询表对应的relfilenode

pg_internal.init

问题：要构造一个RelationData需要访问pg_class、pg_arrtibute、pg_type等等系统表的数据，才能构造出来。但进程启动阶段，一些基础系统表的RelationData 如果每次扫描表再去构造效率会很差。

解法：pg_internal.init提供了预先计算好的系统表的 RelationData 结构。

4.2 初始化一阶段：RelationCacheInitialize

创建hash表RelationIdCache

RelationCacheInitialize
  ctl.keysize = sizeof(Oid);
	ctl.entrysize = sizeof(RelIdCacheEnt);
	RelationIdCache = hash_create("Relcache by OID", INITRELCACHESIZE,
								  &ctl, HASH_ELEM | HASH_BLOBS);

	RelationMapInitialize();
    	shared_map.magic = 0;		/* mark it not loaded */
		local_map.magic = 0;
		shared_map.num_mappings = 0;
		local_map.num_mappings = 0;
		active_shared_updates.num_mappings = 0;
		active_local_updates.num_mappings = 0;
		pending_shared_updates.num_mappings = 0;
		pending_local_updates.num_mappings = 0;

4.3 初始化二阶段：RelationCacheInitializePhase2

读共享库的pg_filenode.map
读共享库的pg_internal.init

void
RelationMapInitializePhase2(void)
{
	load_relmap_file(true, false);
	...
	...
	if (!load_relcache_init_file(true))
	{
	// 失败了要兜底！
		formrdesc("pg_database", DatabaseRelation_Rowtype_Id, true,
				  Natts_pg_database, Desc_pg_database);
		formrdesc("pg_authid", AuthIdRelation_Rowtype_Id, true,
				  Natts_pg_authid, Desc_pg_authid);
		formrdesc("pg_auth_members", AuthMemRelation_Rowtype_Id, true,
				  Natts_pg_auth_members, Desc_pg_auth_members);
		formrdesc("pg_shseclabel", SharedSecLabelRelation_Rowtype_Id, true,
				  Natts_pg_shseclabel, Desc_pg_shseclabel);
		formrdesc("pg_subscription", SubscriptionRelation_Rowtype_Id, true,
				  Natts_pg_subscription, Desc_pg_subscription);

#define NUM_CRITICAL_SHARED_RELS	5	/* fix if you change list above */
	}
}

load_relmap_file加载pg_filenode.map

数据

typedef struct RelMapFile
{
	int32		magic;			/* always RELMAPPER_FILEMAGIC */
	int32		num_mappings;	/* number of valid RelMapping entries */
	RelMapping	mappings[MAX_MAPPINGS];
	pg_crc32c	crc;			/* CRC of all above */
} RelMapFile;

(gdb) p shared_map
$1 = {
  magic = 5842711, 
  num_mappings = 50, 
  mappings = {
    {mapoid = 1262, mapfilenumber = 1262}, 
    {mapoid = 2964, mapfilenumber = 2964}, 
    {mapoid = 1213, mapfilenumber = 1213}, 
    ...
    ...
    {mapoid = 1260, mapfilenumber = 1260},  
    {mapoid = 6115, mapfilenumber = 6115}, 
    {mapoid = 0, mapfilenumber = 0}}, 
  crc = 1938758537}

load_relcache_init_file加载pg_internal.init

4.4 初始化三阶段：RelationCacheInitializePhase3

读非共享库的pg_filenode.map
读非共享库的pg_internal.init

void
RelationMapInitializePhase3(void)
{
	load_relmap_file(false, false);

	if (IsBootstrapProcessingMode() ||
		!load_relcache_init_file(false))
	{
		// 失败了兜底！
		needNewCacheFile = true;

		formrdesc("pg_class", RelationRelation_Rowtype_Id, false,
				  Natts_pg_class, Desc_pg_class);
		formrdesc("pg_attribute", AttributeRelation_Rowtype_Id, false,
				  Natts_pg_attribute, Desc_pg_attribute);
		formrdesc("pg_proc", ProcedureRelation_Rowtype_Id, false,
				  Natts_pg_proc, Desc_pg_proc);
		formrdesc("pg_type", TypeRelation_Rowtype_Id, false,
				  Natts_pg_type, Desc_pg_type);

#define NUM_CRITICAL_LOCAL_RELS 4	/* fix if you change list above */
	}
}

数据

typedef struct RelMapFile
{
	int32		magic;			/* always RELMAPPER_FILEMAGIC */
	int32		num_mappings;	/* number of valid RelMapping entries */
	RelMapping	mappings[MAX_MAPPINGS];
	pg_crc32c	crc;			/* CRC of all above */
} RelMapFile;

(gdb) p local_map
{
  magic = 5842711, 
  num_mappings = 17, 
  mappings = {
    {mapoid = 1259, mapfilenumber = 1259}, 
    {mapoid = 1249, mapfilenumber = 1249}, 
    {mapoid = 1255, mapfilenumber = 1255}, 
    ...
    ...
    {mapoid = 3455, mapfilenumber = 3455}, 
    {mapoid = 0, mapfilenumber = 0}}, 
  crc = 3752523506}

5 缓存同步

失效消息处理是通过共享内存和轮询的机制实现的。

5.1 进程本地失效消息记录

本地的操作在事务操作之前，不应该通知任何其他进程，所以机制上会先把需要失效的信息记录到进程本地InvalMessageArrays数组中，等事务提交时在做统一处理，这里先看下本地进程如何保存失效消息的。

例如relcache失效入口之一：

CacheInvalidateRelcache
- PrepareInvalidationState
  - 构造TransInvalidationInfo结构，与子事务绑定
  - TransInvalidationInfo中记录了当前的InvalidationMsgsGroup和上一个InvalidationMsgsGroup。
  - InvalidationMsgsGroup里面记录了数组的起始位置和结束位置。
- RegisterRelcacheInvalidation
  - AddRelcacheInvalidationMessage
    - 检查InvalMessageArrays数组中没有这一条
    - AddInvalidationMessage
      - 插入InvalMessageArrays数组中，并更新InvalidationMsgsGroup中记录的位置。

注意：InvalidationMsgsGroup的作用就是记录InvalMessageArrays数组中的起始、终止位置。

进程本地保存失效消息数据结构：

（为什么交nestmsg：最后一条失效消息的下一个）

5.2 进程提交、回滚时对失效消息的处理

见注释：

void
AtEOXact_Inval(bool isCommit)
{
	...
	if (isCommit)
	{
		if (transInvalInfo->RelcacheInitFileInval)
			RelationCacheInitFilePreInvalidate();

		// 把当前的失效消息追加到prior中
		AppendInvalidationMessages(&transInvalInfo->PriorCmdInvalidMsgs,
								   &transInvalInfo->CurrentCmdInvalidMsgs);

		// 顶层事务提交时：共享内存发送失效消息
		ProcessInvalidationMessagesMulti(&transInvalInfo->PriorCmdInvalidMsgs,
										 SendSharedInvalidMessages);

		if (transInvalInfo->RelcacheInitFileInval)
			RelationCacheInitFilePostInvalidate();
	}
	else
	{
		// 顶层事务回滚时：只需要把自己的失效掉，不需要发送出去
		ProcessInvalidationMessages(&transInvalInfo->PriorCmdInvalidMsgs,
									LocalExecuteInvalidationMessage);
	}
	...
}

注意，当进程回滚时，为什么要把自己本地的失效掉？因为事务内的一些写、读操作，可能已经cache了一些会被回滚调的数据，cache没有mvcc机制，这里必须把回滚调（不可见）的数据失效掉，否则后面在读到这些数据就是脏读了。

5.3 CommandCounterIncrement触发本地失效

一个事务中执行了多个命令，但直到事务最终提交之前，这些更改都是暂时的。意味着在事务提交之前，肯定不会将失效消息发送到共享队列。但是，即使事务最终回滚，每个命令执行后的本地缓存仍需要反映这些暂时的更改，保证事物内的后续查询能拿到正确的结果。

CommandCounterIncrement
	AtCCI_LocalCache
		CommandEndInvalidationMessages
			// 先把当前query造成的失效消息做 到 本地
			ProcessInvalidationMessages(&transInvalInfo->CurrentCmdInvalidMsgs, 
										LocalExecuteInvalidationMessage)
			// 把当前的失效消息 追加到 历史消息中 PriorCmdInvalidMsgs
			AppendInvalidationMessages(&transInvalInfo->PriorCmdInvalidMsgs,
										&transInvalInfo->CurrentCmdInvalidMsgs);

5.4 为什么TransInvalidationInfo有两个Group？

InvalidationMsgsGroup记录消息队列中的起止位置，这几个消息是当前Group管理的。

TransInvalidationInfo中记录了两个Group?当前CurrentCmdInvalidMsgs、历史PriorCmdInvalidMsgs。

当前的失效消息需要再每个命令执行后，应用到本地，保证事物内的后续SQL能查到正确的缓存数据。
当前的失效消息在事务回滚时，不需要处理，只需要把历史PriorCmdInvalidMsgs做到本地即可。

typedef struct TransInvalidationInfo
{
	/* Back link to parent transaction's info */
	struct TransInvalidationInfo *parent;

	/* Subtransaction nesting depth */
	int			my_level;

	/* Events emitted by current command */
	InvalidationMsgsGroup CurrentCmdInvalidMsgs;

	/* Events emitted by previous commands of this (sub)transaction */
	InvalidationMsgsGroup PriorCmdInvalidMsgs;

	/* init file must be invalidated? */
	bool		RelcacheInitFileInval;
} TransInvalidationInfo;

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