PostgreSQL Hint Bits

背景

MVCC(Multiversion concurrency control) 是数据库系统中常用的并发控制方式，通过保存数据的多个快照版本，实现 读不阻塞写，写不阻塞读。不同数据库系统实现数据多版本的方式不尽相同，MySQL，Oracle 基于回滚段实现，PostgreSQL 则在堆表中实际存储每个元组(tuple)的多个版本，多个版本的元组通过指针构成一个版本链。事务在执行时，依次判断元组的可见性，访问对其可见的元组。判断元组可见性时，通常需要知晓插入或删除该元组的事务的状态(提交或者终止)。

PostgreSQL 将事务状态记录在 CLOG(Commit LOG) 日志中，在内存中维护一个 SLRU Buffer Pool 用于缓存 CLOG。事务在判断元组可见性时，需要从 SLRU Buffer Pool 甚至磁盘中读取事务的状态。由于判断元组可见性的操作可能非常频繁，因此要求读取事务状态的操作尽量高效，为避免每次都从 CLOG 缓存或磁盘文件中读取，引入 Hint Bits 在元组中直接标识插入/删除该元组的事务的状态。本文介绍 Hint Bits 的实现以及其带来的一些问题。

基础介绍

堆表结构简介

PostgreSQL 中的表是用堆组织的，即堆表。从文件系统来看，每个表由若干文件组成(表大小超过 RELSEG_SIZE 个块就会被切分成多个文件)，每个文件由若干块（block）构成，每个块大小为 BLCKSZ，默认 8KB。

块的结构分为两部分： 页头(Page Header)和元组(Heap Tuple)，元组中存储真正的数据。元组的结构又分为两部分：元组头(Tuple Header)和元组数据(Tuple Data)，如下图所示：

• t_xmin 记录插入该元组的事务 ID
• t_xmax 记录删除该元组的事务 ID
• t_ctid 指向新版本的数据，如果没有则指向自己
• t_infomask 记录元组的状态信息，包括 Hint Bits

以上仅介绍 PostgreSQL 中堆表的大体结构以及本文依赖的一些字段，其他不在此做详细介绍，读者可参考其他文献。

数据多版本

以下通过示例说明 PostgreSQL 中数据多版本的结构。

1. 事务 101 插入元组，因此该元组的 t_xmin 为 101
2. 事务 102 有两条更新语句，PostgreSQL 中的更新操作相当于 删除+插入，删除操作是标记删除，将元组的 t_xmax 设置为删除该元组的事务 ID，即 102；随后插入新的元组，旧元组的 t_tcid 执行新元组，构成多版本链
3. 事务 103 将元组删除，将元组 t_xmax 设置为该事务的 ID 即可

可见性判断

PostgreSQL 堆表中可能存在很多版本的数据，有些版本的数据已经永远不会再有事务会使用，可以通过 VACUUM 机制清理；如果有长事务，可能导致堆表膨胀。PostgreSQL 中很多机制是跟堆表以及这种多版本实现相关的，为了避免这种多版本实现带来的诸多问题，社区开发了基于回滚段的堆表实现，详细可参考 zheap。

基于现在堆表的实现，一个事务查询数据时，如何判断哪些数据是对自己可见的呢？基于 interdb 的总结，可见性判断大致包括以下规则：

 /* t_xmin status = ABORTED */
Rule 1: IF t_xmin status is 'ABORTED' THEN
                  RETURN 'Invisible'
            END IF
            
 /* t_xmin status = IN_PROGRESS */
              IF t_xmin status is 'IN_PROGRESS' THEN
                   IF t_xmin = current_txid THEN
Rule 2:              IF t_xmax = INVALID THEN
                  RETURN 'Visible'
Rule 3:              ELSE  /* this tuple has been deleted or updated by the current transaction itself. */
                  RETURN 'Invisible'
                         END IF
Rule 4:        ELSE   /* t_xmin ≠ current_txid */
                  RETURN 'Invisible'
                   END IF
             END IF
             
 /* t_xmin status = COMMITTED */
            IF t_xmin status is 'COMMITTED' THEN
Rule 5:      IF t_xmin is active in the obtained transaction snapshot THEN
                      RETURN 'Invisible'
Rule 6:      ELSE IF t_xmax = INVALID OR status of t_xmax is 'ABORTED' THEN
                      RETURN 'Visible'
                 ELSE IF t_xmax status is 'IN_PROGRESS' THEN
Rule 7:           IF t_xmax =  current_txid THEN
                            RETURN 'Invisible'
Rule 8:           ELSE  /* t_xmax ≠ current_txid */
                            RETURN 'Visible'
                      END IF
                 ELSE IF t_xmax status is 'COMMITTED' THEN
Rule 9:           IF t_xmax is active in the obtained transaction snapshot THEN
                            RETURN 'Visible'
Rule 10:         ELSE
                            RETURN 'Invisible'
                      END IF
                 END IF
            END IF

具体的解释可以参考原文链接或者参考源码实现 HeapTupleSatisfiesMVCC。

Commit Log (clog)

PostgreSQL 在 CLOG 中维护事务的状态，持久化存储在 pg_xact 目录下，为了访问高效，会在内存中维护一块共享内存用于缓存 CLOG 的内容。

PostgreSQL 中定义了以下四种事务状态:

#define TRANSACTION_STATUS_IN_PROGRESS        0x00
#define TRANSACTION_STATUS_COMMITTED        0x01
#define TRANSACTION_STATUS_ABORTED            0x02
#define TRANSACTION_STATUS_SUB_COMMITTED    0x03

CLOG 文件由一个或者多个 page 构成，CLOG 的内容从逻辑上构成一个数据，数组的下标是事务 ID（即可以根据事务 ID 计算出事务状态的偏移量，可以参考 TransactionIdGetStatus 这个函数），数组的内容是事务状态，可见每个事务状态占用 2 bit 即可。以一个页面 8KB 为例，可以存储 8KB * 8/2 = 32K 个事务的状态。CLOG buffer 的大小为 Min(128, Max(4, NBuffers / 512))。

CLOG 文件以 0000，0001 这种方式命名，每个文件最大 32（SLRU_PAGES_PER_SEGMENT）个页，默认256KB。PostgreSQL 启动时会从 pg_xact 中读取事务的状态加载至内存。

系统运行过程中，并不是所有事务的状态都需要长期保留在 CLOG 文件中，因此 vacuum 操作会定期将不再使用的 CLOG 文件删除。

Hint Bits

以上简单介绍了 PostgreSQL 的表结构，数据多版本，可见性判断以及 CLOG。文章一开始已经提及，在进行可见性判断时，需要获取事务的状态，即元组中 t_xmin 和 t_xmax 的状态，这些事务状态保存在 CLOG 中，为加速获取事务状态的过程，PostgreSQL 引入了 Hint Bits。

所有 Hint Bits，就是把事务状态直接记录在元组头中（HeapTupleHeaderData），避免频繁访问 CLOG，元组头中对应的标识位如下:

#define HEAP_XMIN_COMMITTED        0x0100    /* t_xmin committed */
#define HEAP_XMIN_INVALID        0x0200    /* t_xmin invalid/aborted */
#define HEAP_XMIN_FROZEN        (HEAP_XMIN_COMMITTED|HEAP_XMIN_INVALID)
#define HEAP_XMAX_COMMITTED        0x0400    /* t_xmax committed */
#define HEAP_XMAX_INVALID        0x0800    /* t_xmax invalid/aborted */

PostgreSQL 并不会在事务提交或者回滚时主动更新元组上的 Hint Bits，而是等到访问该元组并进行可见性判断时，如果发现 Hint Bits 没有设置，则从 CLOG 中读取并设置，否则直接读取 Hint Bits 的值。判断可见性过程中设置 Hint Bits 的函数入口为 SetHintBits。这里的访问可能是 VACUUM，DML 或者 SELECT。

因此，Hint Bits 可以理解为是事务状态在元组头上的一份缓存。

Hint Bits 与日志

在上一篇文章 PostgreSQL checksum 中也提到，在开启 checksum 或者 GUC 参数 wal_log_hints 为 true 的情况下，如果 checkpoint 后第一次使页面 dirty 的操作是更新 Hint Bits，则会产生一条 WAL 日志，将当前页面写入 WAL 日志中(即 Full Page Image)，避免产生部分写，导致数据 checksum 异常。读者可以参考德哥的文章了解更多细节。

注意，以上写 Full Page Image 日志的行为与是否开启 full_page_writes 没有关系。

因此，在开启 checksum 或者 GUC 参数 wal_log_hints 为 true 时，即便执行 SELECT，也可能更改页面的 Hint Bits，从而导致产生 WAL 日志，这会在一定程度上增加 WAL 日志占用的存储空间。

References

• https://wiki.postgresql.org/wiki/Hint_Bits
• http://rhaas.blogspot.com/2011/11/hint-bits.html
• https://www.cybertec-postgresql.com/en/speeding-up-things-with-hint-bits/
• https://blog.csdn.net/postgrechina/article/details/49130743