PostgreSQL 真空揭秘：深入理解 VACUUM 操作的内部机制
PostgreSQL 真空揭秘：深入理解 VACUUM 操作的内部机制
为什么需要 VACUUM？
VACUUM 的两种形式
普通 VACUUM
VACUUM FULL
Autovacuum：自动清理
监控 VACUUM
优化 VACUUM
总结
PostgreSQL 真空揭秘：深入理解 VACUUM 操作的内部机制
大家好，我是你们的数据库老 বন্ধু “Postgres 极客”。今天咱们来聊聊 PostgreSQL 数据库中一个至关重要却又常常被忽视的操作——VACUUM。你可能经常在维护脚本里看到它，或者在数据库性能调优时听说过它，但你真的了解 VACUUM 背后做了什么吗？它对你的数据库性能又有什么影响？别着急，今天我就带你深入 VACUUM 的内部世界，一探究竟。
为什么需要 VACUUM？
在 PostgreSQL 中，当你删除或更新一行数据时，旧的数据并不会立即从磁盘上消失。这是因为 PostgreSQL 采用了多版本并发控制（MVCC）机制。MVCC 的好处是允许多个事务同时访问数据，而无需加锁，从而提高了并发性能。但是，这也带来了一个副作用：数据库中会积累大量的“死亡元组”（dead tuples），也就是那些不再被任何事务需要的旧版本数据。
这些死亡元组不仅占用磁盘空间，还会降低查询性能。因为 PostgreSQL 在扫描表时，仍然需要检查这些死亡元组，判断它们是否对当前事务可见。随着死亡元组的增多，查询会变得越来越慢。
VACUUM 的主要作用就是清理这些死亡元组，回收它们占用的空间，并更新表的统计信息，以便查询优化器能够生成更优的执行计划。简单来说，VACUUM 就像数据库的“清洁工”，定期打扫卫生，保持数据库的健康和高效。
VACUUM 的两种形式
VACUUM 有两种形式：普通 VACUUM 和 VACUUM FULL。
普通 VACUUM
普通 VACUUM 是最常用的形式。它会扫描表中的死亡元组，并将它们标记为可重用。这意味着，当有新的数据插入时，PostgreSQL 可以直接覆盖这些被标记的空间，而无需分配新的磁盘空间。普通 VACUUM 不会阻塞表的读写操作，因此可以在线执行，对业务的影响较小。
普通 VACUUM 的工作流程大致如下：
- 扫描表：
VACUUM会扫描表中的每一个数据块，检查其中的死亡元组。 - 标记死亡元组： 对于找到的死亡元组，
VACUUM会将它们标记为可重用。具体来说，它会更新元组头部的xmin和xmax字段，将它们标记为“已冻结”（frozen）。 - 更新可见性映射（Visibility Map）： PostgreSQL 维护了一个名为“可见性映射”的数据结构，用于记录每个数据块中是否包含死亡元组。
VACUUM会更新可见性映射，反映最新的清理情况。 - 更新统计信息：
VACUUM还会更新表的统计信息，例如行数、死亡元组数等。这些统计信息对于查询优化器非常重要，可以帮助它生成更优的执行计划。 - 处理索引： 如果表上有索引，
VACUUM还会处理索引中的死亡元组。它会删除指向死亡元组的索引项，并更新索引的统计信息。
VACUUM FULL
VACUUM FULL 是一种更彻底的清理方式。它不仅会标记死亡元组，还会将表中的所有存活元组复制到一个新的文件中，然后删除旧的文件。这样可以完全消除表中的碎片，使表在物理上更加紧凑。但是，VACUUM FULL 需要对表加独占锁，会阻塞所有的读写操作，因此只能在离线时执行，对业务的影响较大。
VACUUM FULL 的工作流程大致如下：
- 创建新表：
VACUUM FULL会创建一个与原表结构相同的新表。 - 复制数据： 它会将原表中的所有存活元组复制到新表中。
- 重建索引：
VACUUM FULL会重建表上的所有索引。 - 切换表名： 当数据复制完成后，
VACUUM FULL会将新表的名称改为原表的名称，并删除旧表。 - 更新统计信息：
VACUUM FULL会更新表的统计信息。
由于 VACUUM FULL 的开销很大，通常不建议频繁使用。只有在表中有大量的碎片，严重影响性能时，才考虑使用 VACUUM FULL。
Autovacuum：自动清理
为了避免手动执行 VACUUM 的麻烦，PostgreSQL 提供了 Autovacuum 守护进程。Autovacuum 会定期自动执行 VACUUM 和 ANALYZE 操作，保持数据库的健康。Autovacuum 的行为可以通过一系列参数进行配置，例如：
autovacuum_vacuum_threshold：触发VACUUM的死亡元组数阈值。autovacuum_vacuum_scale_factor：触发VACUUM的死亡元组比例阈值。autovacuum_analyze_threshold：触发ANALYZE的更新行数阈值。autovacuum_analyze_scale_factor：触发ANALYZE的更新行数比例阈值。
通常情况下，使用默认的 Autovacuum 配置即可。但是，对于一些特殊的表，例如频繁更新的大表，可能需要调整 Autovacuum 参数，以提高清理效率。
监控 VACUUM
要了解 VACUUM 的执行情况，可以使用以下方法：
- 查看
pg_stat_activity视图：pg_stat_activity视图显示了当前正在执行的查询，包括VACUUM和ANALYZE操作。你可以通过查询该视图，了解VACUUM的进度和状态。 - 查看日志文件： PostgreSQL 的日志文件会记录
VACUUM和ANALYZE操作的详细信息，包括开始时间、结束时间、处理的行数等。 - 使用扩展插件： 一些扩展插件，例如
pg_stat_statements和pg_buffercache，可以提供更详细的VACUUM监控信息。
优化 VACUUM
在某些情况下，VACUUM 的执行可能会很慢，影响数据库性能。以下是一些优化 VACUUM 的技巧：
- 调整 Autovacuum 参数： 对于频繁更新的大表，可以适当降低
autovacuum_vacuum_threshold和autovacuum_vacuum_scale_factor的值，以提高VACUUM的触发频率。 - 手动执行 VACUUM： 对于一些长时间没有执行
VACUUM的表，可以手动执行VACUUM，以清理积累的死亡元组。 - 使用
VACUUM FULL： 对于碎片严重的表，可以使用VACUUM FULL进行彻底清理。但是，要注意VACUUM FULL会阻塞读写操作，因此只能在离线时执行。 - 增加
maintenance_work_mem：maintenance_work_mem参数控制VACUUM和ANALYZE操作可以使用的内存大小。增加该参数的值可以提高VACUUM的执行速度。 - 使用并行 VACUUM： 从 PostgreSQL 9.6 开始，
VACUUM可以并行执行。通过设置max_parallel_maintenance_workers参数，可以控制并行VACUUM的工作进程数。 - 避免长事务： 长时间运行的事务会阻止
VACUUM清理死亡元组。因此，应尽量避免长事务，或者定期提交事务。
总结
VACUUM 是 PostgreSQL 数据库中一个非常重要的操作，它负责清理死亡元组，回收空间，并更新统计信息。了解 VACUUM 的工作原理和优化技巧，可以帮助你更好地维护 PostgreSQL 数据库，提高数据库性能。希望今天的分享对你有所帮助！如果你还有其他关于 PostgreSQL 的问题，欢迎随时向我提问。
记住，保持数据库的清洁，就像保持你的房间整洁一样重要！