PostgreSQL中的预取算法

关于Buffer

全部缓冲区构成一个缓冲池

缓冲池：

• 缓冲区管理跟踪BmTrace区
• 记录缓冲区被使用的状况
• BMT_LIMIT项
• 缓冲区描述符BufferDestriptors区
• 每个缓冲区都要一个描述符
• NBUFFER+1个（0~NBUFFER）
• 多出的一个（第NBUFFER个）作为空闲缓冲区的链头，把所有空闲缓冲区链到一个双链表中
• 缓冲区
• 实际存储数据的地方
• NBUFFER个
• 缓冲区索引哈希表
• 通过表的文件节点（RelFileNode）和磁盘块（文件页），快速搜索到缓冲指定文件页的缓冲区，避免全池搜索

预取算法原理

前面已经分析过：
数据库存储结构：元组-文件页-物理段-表
元组即一条记录，文件页（磁盘块）是存储和维护的最小单位

数据库访问对象的过程可以分为：从磁盘找找到这个对象所在的数据库（文件页）-把数据块（文件页）从磁盘读到内存-从内存访问数据。

在这个过程中，磁盘和内存的IO之间的操作是最耗时的，也是影响响应时间的主要因素。

对于单次请求，这个过程是顺序执行的。
但是对于多次并发请求，仍然顺序执行，结果就是：在对内存中的数据进行处理时，磁盘IO处于空闲；需要读取新的数据时，磁盘IO又称为影响响应时间的主要因素。

如果能在处理内存中的数据时，就预测要从磁盘请求数据块的顺序，并提前将其读入内存，就能够减少等待IO完成所花费的时间。

预读算法实现

• 定义1：BUF_READ_AHEAD_AREA
  表示预读区域大小，以块为单位
• 定义2：BUF_READ_AHEAD_THRESHOLD
  表示预读的阈值

实现过程：
当系统调用ReadBuffer存取数据库中的一个数据页时：

1. 如果数据页不是已在缓冲池中，则从文件读这个数据页到缓冲区
2. 在读入之后，返回给CPU之前：
   统计以当前页为边界的某个区域（BUF_READ_AHEAD_AREA ）内顺序读取的情况

• 如果这个区域内最近被存取的数据页是按块号顺序（升序或降序），并发生的次数达到一个阈值（BUF_READ_AHEAD_THRESHOLD）
• 则按照这个顺序预取当前页前/后的一些连续页
• 否则不预取

通过预取算法，使得系统存取这些页是，它们已在缓冲区中；
同时通过分析算法实现过程，可以发现该算法尽量保证了预取的命中率；否则频频无法命中的预取只会浪费系统系能，造成负面影响。

预取算法对性能的影响

在一些测试资料中可以看到，PostgreSQL通过实现这种算法，比较大的降低了响应时间，但是吞吐量并不会收到明显影响。

这是符合预期的：预取算法其实是通过减少系统空闲来提高性能，并不是在硬件性能上有突破性的优化。