浅谈PostgreSQL BgWriter的实现

Posted 2021-09-04 PostgreSQLChina

作者：徐田原

1.前言

postgresql有后台进程bgwriter，它会定时刷新缓存到文件系统中。这种机制提高了缓存的替换速度，因为在寻找空闲缓存时，有时需要将脏页刷新到文件中，而刷新操作是比较耗时的。同样它也提高了执行checkpoint的完成速度，因为checkpoint需要刷新所有的脏页。

2.监控

BgWriter的监控只能从pg_stat_bgwriter视图查看，它只是记录了统计数据

ColumnTypeDescriptionbuffers_cleanbigintbgwriter刷新缓存的总数maxwritten_cleanbigint因为达到最大缓存刷新数目，而bgwriter退出的次数buffers_allocbigint用户的可用缓存分配数目

3.BgWriter进程

bgwriter进程的原理很简单，它只是定期的执行缓存刷新。它有两个状态，正常状态和冬眠状态。在正常状态下，bgwriter在刷新完缓存后，会等待时长bgwriter_delay（可以在postgresql.conf指定，默认值为200ms）。当连续两次都没有要刷新的缓存，那么就会进入冬眠状态，这时的等待时长变为50 * bgwriter_delay。

4.执行原理

BgWriter进程会维护了一些统计数据，这些数据会影响到刷新缓存的执行。在介绍下面内容之前，读者需要了解下clock sweep缓存替换算法，可以参考此篇文章。

5.确认遍历数目和位置

postgresql的缓存是由一个环形数组来表示，clock sweep算法会记录上次的遍历结束位置和已遍历的缓存轮数。我们把clock sweep算法的遍历位置记为strategy_id，缓存轮数记为strategy_pass。当然bgwriter也会记录上次的遍历结束位置和遍历轮数，分别记为next_to_clean_id和next_to_clean_passes。

首先确定遍历的缓存数目和起始位置。遍历的方向只能从前往后，并且需要此次bgwriter能够遍历到strategy_id。分为下面三种情况：
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1. next_to_clean_passes > strategy_pass并且strategy_id > next_to_clean_id，那么遍历数目为strategy_id - next_to_clean_id，否则不需要遍历。
2. next_to_clean_passes == strategy_pass并且 next_to_clean_id > strategy_id，那么遍历数目为NBuffers - (next_to_clean - strategy_buf_id)
3. 其他情况，遍历数目为NBuffers，起始位置为strategy_id，更新next_clean_id = strategy_id

6.预估缓存替换数目

bgwriter还会使用以往的缓存替换数据，来推断此次bgwriter的缓存需求数目和。

计算此次bgwriter的缓存需求数目，采用了平滑算法

recent_alloc表示距离上次bgwrite期间的缓存需求数
smoothing_samples参数为16，表示平滑程度。
smoothed_alloc表示平滑之后的平均值，初始值为0。
if (smoothed_alloc <= (float) recent_alloc)
 // 为了保证此次缓存替换数目大，没有使用平滑算法
 smoothed_alloc = recent_alloc;
else
 // 计算平滑之后的值
 smoothed_alloc += ((float) recent_alloc - smoothed_alloc) / smoothing_samples;
其实smoothed已经可以作为此次bgwriter到下次期间的缓存需求预估值，但是为了应对请求突然增大的情况，这里会再乘以bgwriter_lru_multiplier因子（可以在postgresql.conf配置）
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// 计算预估值
upcoming_alloc_est = (int) (smoothed_alloc * bgwriter_lru_multiplier);
因为缓存遍历是从next_clean_id开始向后遍历，直到遇到strategy_id为止。而从strategy_id到next_clean_id的这段距离，是有其他进程遍历的，我们需要估算出这部分的可用缓存数量。
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通过上次bgwriter到此次的统计数据来估算。这里先估算出来找到平均一个可用缓存需要遍历的缓存数目
​
// clock sweep遍历的缓存数目，缓存数组的长度为NBuffers
strategy_delta = strategy_buf_id - prev_strategy_buf_id;
strategy_delta += (long) passes_delta * NBuffers;
​
// 计算上次期间的平均遍历数目
scans_per_alloc = (float) strategy_delta / (float) recent_alloc;
// 平滑操作
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smoothed_density += (scans_per_alloc - smoothed_density) / smoothing_samples;
strategy_id到next_to_clean_id这段距离，预估的可用缓存数目
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reusable_buffers_est = (float) (NBuffers - bufs_to_lap) / smoothed_density;

7.执行完成条件

执行完成条件
bgwriter会从第一步计算出的遍历起始位置，开始遍历。
如果该缓存的引用次数或使用次数不为零，就会遍历下一个缓存。
如果该缓存的引用次数或使用次数都为零，认为该缓存是可用缓存。
如果该缓存为脏页，就刷新到文件并且发送局部sync请求后，也认为该缓存是可用缓存。
当它满足下面三个条件之一，就会认为此次bgwrite完成。

1. 遍历的缓存数目已经达到结束位置（在第一步中确认遍历数目和位置）
2. 遍历过程中，reusable_buffers_est + 遍历过程中的可用缓存数目 >= upcoming_alloc_est
3. 刷新的数目超过了bgwriter_lru_maxpages（可以在postgresql.conf中配置）

8.局部sync

注意上面的脏页刷新只是写入到了文件系统的cache里，并不代表着持久化到磁盘，所以它会发送局部 sync 请求。当请求量超过了bgwriter_flush_after，就会处理堆积的 sync 请求。注意到这里是局部 sync 请求，它在处理时调用了sync_file_range方法，只是文件中指定的一段内容持久化到磁盘，而不是整个文件。

9.配置参数

名称含义默认值bgwriter_delay每次执行bgwriter的间隔时间200msbgwriter_lru_maxpages每次执行bgwriter，刷新缓存的最大数目100bgwriter_lru_multiplier在预估需要缓存数目的因子2bgwriter_flush_after当局部sync请求达到的最大数，会触发处理512KB

bgwriter_flush_after这个配置项比较特殊，如果没有附带单位，那么表示缓存的个数。如果有，表示缓存的容量。