【PGCCC】postgresql 缓存池并发设计

前言

postgresql 对于缓存池的并发控制，比较复杂。下面通过一步步的优化，来讲述 postgresql 的设计思路。它为了提升锁的性能，大量使用了 CAS 操作，只有在操作比较慢的时候，才会加入读写锁。在继续阅读之前，需要熟悉它的存储设计，可以参考这篇文章 {% post_link postgresql-storage-architecture postgresql 存储设计 %} 。

设计思路推演

首先考虑下单线程的情况，我们先要查找缓存池是否已经包含了要读取的page，如果包含了则直接返回该 buffer。如果没有，需要从磁盘加载到缓存池中，然后返回。下面是通过一步步的加锁，来实现并发的控制。

Hash 表锁

hash 表保存了 page 到 buffer 的对应关系，很明显所有的读取都需要从 hash 表查找开始，我们可以从 控制 hash 表的锁来开始。假设现在只有 hash 分区锁，我们写的程序应该是这样的

// 获取分区 id，page_number 表示要获取的 page 标识
partition_id = get_hash_parition(page_number);
// 对此分区加读锁
lock_partition_read(hash_table, partition_id);
// 查找该 page 是否存在缓存
buffer_id, found = lookup(hash_table, page_number);

if (found) {
    // 如果找到该缓存，则返回
    ublock(hash_table, partition);
    return buffer_id;
}

// 如果没有对应的缓存，则需要从缓存池中，找到替换的位置
free_buffer_id = find_victim_buffer();
// 获取旧有位置的缓存对应哪个 page number
free_page_number = get_page_number(free_buffer_id);
// 对其所在的分区加写锁
free_partition_id = get_hash_parition(free_page_number);
lock_partition_write(hash_table, free_partition_id);
lock_partition_write(hash_table, partition_id);
// 删除旧有的缓存
delete(hash_table, free_page_number);
// 从磁盘读取数据到缓存，并且添加到 hash 表
read_from_disk(page_number, free_buffer_id);
insert(hash_table, pageNumber, free_buffer_id);

// 释放分区锁
unlock_partition(hash_table, free_buffer_id);
unlock_partition(hash_table, partition_id);
return free_buffer_id;

Pin Buffer

其中 find_victim_buffer 函数负责挑选出可被替换的 buffer，它的原理是找到 pin count 等于 0 的 buffer。所以这里面会有个问题，当我们查找到数据后，需要及时的 pin 操作，不然有可能会被替换掉，造成读取的数据不是想要的 page number。

// 获取分区 id，page_number 表示要获取的 page 标识
partition_id = get_hash_parition(page_number);
// 对此分区加读锁
lock_partition_read(hash_table, partition_id);
// 查找该 page 是否存在缓存
buffer_id, found = lookup(hash_table, page_number);

if (found) {
    // 需要及时 pin 操作
    pin_buffer(buffer_id)
    ublock(hash_table, partition);
    return buffer_id;
}

// 如果没有对应的缓存，则需要从缓存池中，找到替换的位置
free_buffer_id = find_victim_buffer();
// 获取旧有位置的缓存对应哪个 page number
free_page_number = get_page_number(free_buffer_id);
// 及时 pin 操作
pin_buffer(free_buffer_id);

// 对其所在的分区加写锁
free_partition_id = get_hash_parition(free_page_number);
lock_partition_write(hash_table, free_partition_id);
lock_partition_write(hash_table, partition_id);
// 删除旧有的缓存
delete(hash_table, free_page_number);
// 从磁盘读取数据到缓存，并且添加到 hash 表
read_from_disk(page_number, free_buffer_id);
insert(hash_table, pageNumber, free_buffer_id);

// 释放分区锁
unlock_partition(hash_table, free_buffer_id);
unlock_partition(hash_table, partition_id);
return free_buffer_id