PgSQL · 特性分析 · checkpoint机制浅析

checkpoint又名检查点，一般checkpoint会将某个时间点之前的脏数据全部刷新到磁盘，以实现数据的一致性与完整性。目前各个流行的关系型数据库都具备checkpoint功能，其主要目的是为了缩短崩溃恢复时间，以oracle为例，在进行数据恢复时，会以最近的checkpoint为参考点执行事务前滚。而在wal机制的浅析中，也提过postgresql在崩溃恢复时会以最近的checkpoint为基础，不断应用这之后的wal日志。

在xlog.h文件中，有如下代码对checkpoint进行了相应的分类：

也就是说，以下几种情况会触发数据库操作系统做检查点操作：

超级用户（其他用户不可）执行checkpoint命令

数据库shutdown

数据库recovery完成

xlog日志量达到了触发checkpoint阈值

周期性地进行checkpoint

需要刷新所有脏页

为了能够周期性的创建检查点，减少崩溃恢复时间，同时合并i/o，postgresql提供了辅助进程checkpointer。它会对不断检测周期时间以及上面的xlog日志量阈值是否达到，而周期时间以及xlog日志量阈值可以通过参数来设置大小，接下来介绍下与checkpoints相关的参数。

checkpoint_segments

wal log的最大数量，系统默认值是3。超过该数量的wal日志，会自动触发checkpoint。

checkpoint_timeout

系统自动执行checkpoint之间的最大时间间隔。系统默认值是5分钟。

checkpoint_completion_target

该参数表示checkpoint的完成时间占两次checkpoint时间间隔的比例，系统默认值是0.5,也就是说每个checkpoint需要在checkpoints间隔时间的50%内完成。

checkpoint_warning

系统默认值是30秒，如果checkpoints的实际发生间隔小于该参数，将会在server log中写入写入一条相关信息。可以通过设置为0禁用。

当postgresql触发checkpoint发生的条件后，会调用createcheckpoint函数创建具体的检查点，具体过程如下：

遍历所有的数据buffer，将脏页块状态从bm_dirty改为bm_checkpoint_needed，表示这些脏页将要被checkpoint刷新到磁盘

调用checkpointguts函数将共享内存中的脏页刷出到磁盘

生成新的checkpoint 记录写入到xlog中

更新控制文件、共享内存里xlogctl的检查点相关成员、检查点的统计信息结构

postgresql 控制文件pg_control里存储的数据是一个controlfiledata结构，具体如下：

其中，minrecoverypoint和minrecoverypointtli确定数据库启动前，如果做归档恢复，我们必须恢复到的最小检查点。其中minrecoverypoint指向该检查点对应的lsn位置，minrecoverypointtli指向该检查点对应的时间线。其具体的用法，我们将在之后的postgresql崩溃恢复中分析，这里我们主要分析下postgresql中的时间线概念。

postgresql中wal日志段名称，由时间线id、日志id、段id的八位16进制数依次构成。例如：

00000001

0000008f

时间线timelineid

逻辑日志id

段id

其中时间线是作为日志段名称的一部分，用来标识数据库归档恢复后产生的一系列新的wal记录。在每次归档恢复完成后，都会产生一个新的时间线和新的wal日志段。时间线可以理解为平行时空中的各个平行宇宙，我们完全可以恢复到某个时间点，重开一条时间线，继续进行数据操作，这样就可以实现完全的ptir。

在postgresql中，一个新的时间线产生，系统伴随它会建立一个以“新timelineid+.history”命名的“时间线历史”文件(timeline history)，它是一个类似于txt的文件，其中包含所有在当前时间线以前的时间线，同时记录了每个时间线开始时的第一个wal段，这样数据库恢复时，通过读取时间线历史文件文件，根据目标时间点可以快速找到正确的日志段文件。如果上一次恢复是恢复到具体某时刻，在时间线历史文件中还会记录该时间线对应的具体时刻。

在pitr恢复时，无需扫描所有wal日志文件，而是通过时间线直接定位某个wal段，再从该wal段中找到符合该时间点的日志记录，这样就大大提高了效率。同时数据库恢复时，默认是沿着基备份开始时的时间点进行，即利用从基备份完成后产生的第一个日志段文件做恢复，如果想恢复到指定时间点(时间线)，需要在recovery.conf配置文件中设置目标时间线(target timeline id)，但是target timeline id不能指定为基备份以前的时间线。

checkpointguts函数将共享内存里的数据刷出并文件同步到磁盘，具体定义如下：

可以看出，checkpointguts根据不同的缓存类型，把clog、subtrans、multixact、predicate、relationmap、buffer（数据文件）和twophase相应缓存分别调用不同的方法，将缓存刷到磁盘中：

提交事务日志管理器的方法checkpointclog

子事务日志管理器的方法checkpointsubtrans

多事务日志管理器的方法checkpointmultixact

支持序列化事务隔离级别的谓词锁模块的方法checkpointpredicate

目录/系统表到文件节点映射模块的方法checkpointrelationmap

缓存管理器的方法checkpointbuffers

两阶段提交模块的方法checkpointtwophase

其中，前四个函数最后都调用了slru模块的simplelruflush（简单最近最少使用）方法，把相应的共享内存数据写到磁盘，并通过调用pg_fsync方法把相应文件刷到磁盘上对应文件。

后二个函数没有使用slru算法，直接调用pg_fsync方法把相应文件刷到磁盘上对应文件。

而目录/系统表到文件节点映射模块的方法checkpointrelationmap，会将共享内存里系统表和对应物理文件映射的map文件刷到磁盘。

至此，我们大体了解了checkpoint的用法和整个实现过程，但是还需要对一些特别的地方做出说明。

每个检查点后，第一次数据页的变化会导致整个页面会被记录在xlog日志中

检查点的开销比较高，可以用checkpoint_warning自检，相应调大checkpoint_segments

检查点的位置保存在文件 pg_control，pg_control文件被损坏可能会导致数据库不可用

其中，如果pg_control文件损坏，在数据库崩溃恢复时可能出现一些问题，这些问题我们将在分析postgresql数据库崩溃恢复时具体分析。