PostgreSQL 声明式分区：庖丁解牛，深入内部实现原理

PostgreSQL 声明式分区：庖丁解牛，深入内部实现原理

PostgreSQL 的声明式分区（Declarative Partitioning）自 10.0 版本引入以来，已成为管理大型数据库表的利器。它允许你将一个逻辑大表分解成多个物理小表（分区），从而提高查询性能、简化数据维护。但你是否曾好奇过，这看似“魔法”般的功能背后，究竟是如何运作的？

今天，咱们就来一起“庖丁解牛”，深入 PostgreSQL 声明式分区的内部实现原理，一探究竟。

1. 声明式分区：是什么，为什么？

在深入原理之前，我们先快速回顾一下声明式分区的基本概念和优势。

是什么？

声明式分区允许你通过 CREATE TABLE 语句中的 PARTITION BY 子句，定义分区规则。你可以根据范围（RANGE）、列表（LIST）或哈希（HASH）等方式，将数据分散到不同的分区中。PostgreSQL 会自动处理数据的路由和管理。

为什么？

• 性能提升： 通过分区裁剪（Partition Pruning），查询优化器可以只扫描相关的分区，而不是整个表，从而显著减少 I/O 操作，提高查询速度。
• 维护简化： 可以针对单个分区进行维护操作，如备份、恢复、删除等，而无需影响整个表。
• 数据归档： 可以将旧数据或不常访问的数据迁移到单独的分区，方便管理和归档。

2. 分区表的元数据管理：藏身何处？

了解了声明式分区的基础，我们来看看 PostgreSQL 是如何管理这些分区信息的。这些信息，就藏在系统目录表中。

• pg_class： 存储所有表（包括分区表和分区）的基本信息，如表名、OID、所属关系等。对于分区表，relkind 字段的值为 'p'，表示 partitioned table；对于分区，relkind 字段的值为 'r'，表示 ordinary table。
• pg_partitioned_table： 专门存储分区表的详细信息，如分区策略（RANGE、LIST、HASH）、分区键表达式、分区数量等。
• pg_inherits： 存储表之间的继承关系。对于声明式分区，分区表会“继承”分区，pg_inherits 表中会记录这种继承关系。inhparent 字段指向分区表的 OID，inhrelid 字段指向分区的 OID。
• pg_attribute： 存储表的列信息。分区表和分区都会有自己的列定义，存储在 pg_attribute 中。

通过查询这些系统目录表，你可以获取到分区表和分区的各种元数据信息。例如，你可以通过以下查询获取分区表的分区策略和分区键：

SELECT partstrat, partkey
FROM pg_partitioned_table
WHERE partrelid = 'your_partitioned_table'::regclass;

3. 查询优化器：如何利用分区信息进行分区裁剪？

分区裁剪是声明式分区性能提升的关键。那么，查询优化器是如何利用分区信息，实现分区裁剪的呢？

PostgreSQL 的查询优化器在生成执行计划时，会进行以下步骤：

1. 识别分区表： 优化器会检查查询中涉及的表是否为分区表（通过 pg_class.relkind）。
2. 提取分区键约束： 优化器会分析查询条件（WHERE 子句），提取出与分区键相关的约束条件。
3. 生成分区约束： 基于分区键约束和分区表的定义（pg_partitioned_table），优化器会生成针对每个分区的约束条件。
4. 分区裁剪： 优化器会比较每个分区的约束条件和查询条件。如果某个分区的约束条件与查询条件不兼容（即不可能包含满足查询条件的数据），则该分区会被裁剪掉，不参与后续的扫描。
5. 生成执行计划： 优化器会为剩余的分区生成执行计划，进行数据扫描和处理。

举个例子，假设我们有一个按日期范围分区的表 sales：

CREATE TABLE sales (
    id INT,
    sale_date DATE,
    amount NUMERIC
) PARTITION BY RANGE (sale_date);
 
CREATE TABLE sales_2022 PARTITION OF sales
    FOR VALUES FROM ('2022-01-01') TO ('2023-01-01');
 
CREATE TABLE sales_2023 PARTITION OF sales
    FOR VALUES FROM ('2023-01-01') TO ('2024-01-01');

如果我们执行以下查询：

SELECT * FROM sales WHERE sale_date >= '2023-05-01' AND sale_date < '2023-06-01';

优化器会识别出 sales 是分区表，并提取出 sale_date 的约束条件。然后，它会比较每个分区的约束条件：

• sales_2022：'2022-01-01' <= sale_date < '2023-01-01'，与查询条件不兼容，被裁剪。
• sales_2023：'2023-01-01' <= sale_date < '2024-01-01'，与查询条件兼容，保留。

最终，优化器只会扫描 sales_2023 分区，从而大大减少了 I/O 操作。

4. DML 操作：INSERT、UPDATE、DELETE 的处理流程

了解了查询优化器如何利用分区信息，我们再来看看 DML 操作（INSERT、UPDATE、DELETE）在分区表上的处理流程。

4.1 INSERT

对于 INSERT 操作，PostgreSQL 会根据插入数据的值和分区表的定义，将其路由到正确的分区。

1. 计算分区键值： 根据 INSERT 语句中提供的数据，计算分区键的值。
2. 查找目标分区： 根据分区键值和分区表的定义（pg_partitioned_table），查找匹配的分区。
3. 插入数据： 将数据插入到目标分区中。

如果找不到匹配的分区，PostgreSQL 会抛出错误。

4.2 UPDATE

UPDATE 操作稍微复杂一些，因为它可能涉及跨分区的数据移动。

1. 定位原始数据： 根据 UPDATE 语句的 WHERE 子句，定位需要更新的数据所在的原始分区。
2. 计算新分区键值： 如果 UPDATE 语句修改了分区键的值，则需要计算新的分区键值。
3. 判断是否需要跨分区移动： 如果新的分区键值与原始分区不匹配，则需要将数据从原始分区移动到新的目标分区。
4. 执行更新或移动：
   • 如果不需要跨分区移动，则直接在原始分区上更新数据。
   • 如果需要跨分区移动，则先从原始分区删除数据，然后将数据插入到新的目标分区。

4.3 DELETE

DELETE 操作相对简单，PostgreSQL 会根据 WHERE 子句，定位需要删除的数据所在的分区，然后直接从该分区删除数据。

5. 总结：声明式分区的“黑盒”不再神秘

通过本文的“庖丁解牛”，相信你已经对 PostgreSQL 声明式分区的内部实现原理有了更深入的了解。从元数据管理到查询优化，再到 DML 操作，我们揭开了声明式分区“黑盒”的面纱，看到了其背后的精妙设计。

掌握这些原理，不仅能帮助你更好地理解和使用声明式分区，还能让你在遇到分区相关问题时，能够更快速地定位和解决。希望本文能为你带来一些启发和帮助，让你在 PostgreSQL 的道路上更进一步！

附：进一步探索

如果你想进一步探索 PostgreSQL 声明式分区的奥秘，可以参考以下资源：

• PostgreSQL 官方文档：https://www.postgresql.org/docs/current/ddl-partitioning.html
• PostgreSQL 源代码：https://git.postgresql.org/gitweb/?p=postgresql.git;a=tree
• PostgreSQL 社区邮件列表和论坛

祝你在 PostgreSQL 的学习和实践中不断进步！