PostgreSQL学习笔记二:PostgreSQL的系统架构

PostgreSQL 是一种功能强大的开源关系型数据库管理系统,其架构具有以下特点:

一、客户端/服务器架构

  1. 客户端

    • 客户端可以是各种应用程序,如 Web 应用、桌面应用等,它们通过网络连接与 PostgreSQL 服务器进行通信。
    • 客户端使用标准的数据库连接协议(如 ODBC、JDBC 等)向服务器发送 SQL 查询和命令,并接收服务器返回的结果。
  2. 服务器

    • PostgreSQL 服务器负责存储和管理数据,并处理来自客户端的请求。
    • 服务器由多个进程组成,包括主进程(postmaster)和多个后端进程(backend process)。主进程负责监听客户端连接请求,并为每个连接分配一个后端进程来处理具体的查询。

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二、存储引擎

  1. 表和索引存储

    • PostgreSQL 使用磁盘上的文件来存储数据库表和索引。表数据以行的形式存储,每行包含多个列的值。索引用于加速数据的检索,可以是 B 树索引、哈希索引等多种类型。
    • 存储引擎负责管理数据的存储、检索和更新操作,确保数据的完整性和一致性。
  2. 事务处理

    • PostgreSQL 支持事务处理,确保一组数据库操作要么全部成功执行,要么全部回滚。事务具有原子性、一致性、隔离性和持久性(ACID)特性。
    • 存储引擎通过日志记录和锁机制来实现事务的并发控制和恢复。

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三、查询处理

  1. 查询解析和优化

    • 当客户端发送一个 SQL 查询时,PostgreSQL 首先对查询进行解析,将其转换为内部的查询树表示。
    • 然后,查询优化器对查询树进行优化,选择最优的执行计划。优化器考虑多个因素,如索引的使用、表连接顺序、数据分布等,以提高查询性能。
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  2. 执行引擎

    • 执行引擎根据优化后的执行计划执行查询。它可以执行各种操作,如表扫描、索引查找、连接操作、聚合函数计算等。
    • 执行引擎与存储引擎紧密协作,从磁盘上读取数据,并将结果返回给客户端。
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四、并发控制

  1. 多版本并发控制(MVCC)

    • PostgreSQL 使用 MVCC 来实现并发控制。MVCC 允许多个事务同时对数据库进行读写操作,而不会相互阻塞。
    • 每个事务看到的是数据库的一个一致性快照,而不是直接修改数据库的实际数据。当事务提交时,它的修改才会对其他事务可见。
  2. 锁机制

    • PostgreSQL 也使用锁来防止并发事务之间的冲突。锁可以是行级锁、表级锁等不同级别,用于保护数据的完整性和一致性。
    • 锁的管理是自动进行的,数据库系统会根据事务的需求自动获取和释放锁。
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五、高可用性和扩展性

  1. 复制和备份

    • PostgreSQL 支持数据复制,可以将数据复制到多个服务器上,以实现高可用性和负载均衡。
    • 可以使用主从复制或流复制等方式进行数据复制。同时,PostgreSQL 还提供了备份和恢复工具,以便在数据丢失或损坏时进行恢复。
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  2. 扩展插件

    • PostgreSQL 具有良好的可扩展性,可以通过安装扩展插件来增加新的功能。例如,可以安装地理信息系统(GIS)扩展、全文搜索扩展等。
    • 扩展插件可以由第三方开发者开发,也可以由用户自己编写。
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    总之,PostgreSQL 的架构设计使其成为一个功能强大、可靠且可扩展的数据库管理系统。它的客户端/服务器架构、存储引擎、查询处理、并发控制和高可用性等方面的特点,使其适用于各种应用场景,从小型项目到大型企业级应用。

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