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PostgreSQLアーキテクチャ入門
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2011年2月25日に開催されたPostgreSQLカンファレンス2011のセッション「PostgreSQLアーキテクチャ入門」の講演資料です。
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1.
PostgreSQLアーキテクチャ入門 アップタイム・テクノロジーズ合同会社
永安 悟史 2011.2.25 Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 1
2.
PostgreSQLアーキテクチャ入門
アジェンダ • アーキテクチャ概要 • パフォーマンス管理 – PostgreSQLの構成要素 – パフォーマンスは何で決まるか? – PostgreSQLの基本的なアーキテクチャ – パフォーマンス改善の基本手順 – プロセス – SQLパフォーマンス分析 – ファイル – 発生する3種類のI/O • 可用性管理 – メモリ – バックアップ – コールドバックアップ • クエリの処理 – ホットバックアップ – SQL文の処理される流れ – アーカイブログとPITRを用いたバックアップ – クエリとクエリプラン – アーカイブログとPITRを用いたリカバリ – クエリプランの詳細 – 冗長化方式の選定 – クエリプランの確認方法 – データアクセスのパターン – テーブルスキャン – インデックスアクセス – 結合 • I/O処理の詳細 – テーブルに対する更新処理 – タプルの更新とインデックスの更新 – VACUUM処理 – トランザクションロギング ※本資料の最新版は以下に掲載されています。 http://www.uptime.jp/ (ホーム→リソース→技術情報) Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 2
3.
PostgreSQLの構成要素
PostgreSQLは、さまざまなプロセス・メモリ領域・ファイル によって構成されている。 writer postmaster logger wal writer autovacuum (バックグラウンド (リスナプロセス) (サーバログ) (WALライタ) (自動vacuum) ライタ) プロセス群 archiver stat collector postgres wal sender wal receiver (WALアーカイバ) (統計情報収集) (サーバプロセス) (レプリケーション) (レプリケーション) shared_buffers wal_buffers freespacemap トランザクション メモリ群 (共有バッファ) (WALバッファ) (空き領域情報) 制御情報 ファイル群 テーブル インデックス トランザクション アーカイブ 設定ファイル ファイル ファイル ログファイル ログファイル Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 3
4.
PostgreSQLの基本的なアーキテクチャ 共有バッファを中心として、複数のプロセス間で連携し ながら処理を行うマルチプロセス構造。
postmaster (リスナプロセス) ( shared_buffers postgres 共 postgres 有 (サーバプロセス) バ postgres (サーバプロセス) クライアント ッ (サーバプロセス) フ ァ ) writer (バックグラウンド ライタ) トランザクション ログファイル テーブル ファイル インデックス ファイル Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 4
5.
プロセス •
Postmasterプロセス – PostgreSQLを起動すると最初に開始されるプロセス。 – クライアントからの接続を受け付け、認証処理を行う。 – 認証されたクライアントに対して、Postgresプロセスを生成(fork)して処理 を引き渡す。 • Postgresプロセス – クライアントに対して1対1で存在する。 – クライアントからSQL文を受け付け、構文解析、最適化、実行、結果返却 を行う。 – 共有バッファを介してデータを読み書きし、トランザクションログを書く。 • Writerプロセス – 共有バッファの内容をディスク(テーブルファイル、インデックスファイル) に非同期的に書き戻す。 Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 5
6.
テーブルファイル • 8kB単位のブロック単位で管理 • ブロックの中に実データのレコード(タプル)を配置
– 基本的に追記のみ – 削除したら削除マーク(VACUUMで回収) – 更新時は「削除+追記」 DBT1=# SELECT * FROM pgstattuple('customer'); -[ RECORD 1 ]------+----------- レコード1 table_len | 1754857472 レコード2 ブロック1 tuple_count | 3456656 レコード3 tuple_len | 1703225491 レコード4 tuple_percent | 97.06 レコード5 ブロック2 dead_tuple_count | 695 dead_tuple_len | 350038 dead_tuple_percent | 0.02 free_space | 31391624 ブロック3 free_percent | 1.79 DBT1=# Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 6
7.
インデックス(B-Tree)ファイル • ブロック(8kB単位)をノードとする論理的なツリー構造を持つ –
ルート、インターナル、リーフの各ノードから構成 – ルートノードから辿っていく – リーフノードは、インデックスのキーとレコードへのポインタを持つ DBT1=# SELECT * FROM インデックスファイル pgstatindex('customer_pkey'); -[ RECORD 1 ]------+---------- version | 2 root tree_level | 2 index_size | 108953600 root_block_no | 217 internal_pages | 66 leaf_pages | 13233 empty_pages | 0 deleted_pages | 0 1~5 6~10 11~17 18~25 avg_leaf_density | 90.2 leaf_fragmentation | 0 DBT1=# Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 7
8.
トランザクションログ • テーブルやインデックスの更新情報が記録(追記)される –
共有バッファのデータを更新する「前」に記録(Write-ahead) – 16MBずつのセグメント(ファイル)に分割されている。 – リカバリの際に読み込まれる (pg_xlog/ 以下に配置) WAL 1 WAL 2 Aテーブルのレコード1をmに変更 Bテーブルのレコード6をnに変更 Aテーブルのレコード4をxに変更 Aテーブルのレコード1をyに変更 Bテーブルのレコード2をzに変更 ファイルの先頭から 順番に更新情報が 追記されていく Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 8
9.
発生する3種類のI/O • 例えば、主キーで検索して該当レコードを更新する場合 –
プライマリーキーでインデックスエントリを探す – インデックスのポインタを元に、テーブル内のレコードを探す – テーブルレコードを更新する前にトランザクションログに記録する – テーブルファイルを更新する 物理ディスク テーブルファイル ②読む テーブルファイル テーブルファイル ④書く ディスク ヘッド ①読む インデックスファイル インデックスファイル インデックスファイル ③書く トランザクション ログファイル Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 9
10.
メモリ(共有バッファ) •
ディスク上のブロックをキャッシュするメモリ領域 – ディスク上のブロックのうち、アクセスするものだけを読み込む – すべてのバックエンドプロセスで共有 • キャッシュすることで、ディスクI/Oを抑えて高速化 – 更新の永続性はトランザクションログで担保する postgres 9 17 5 14 postgres postgres 共有バッファ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 バックエンド 13 14 15 16 17 18 19 ・・・・ トランザクション ログファイル テーブル/インデックスファイル Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 10
11.
SQL文の処理される流れ
クエリ受信 •SQL構文の解析、文法エラーの検出 構文解析(parse) •構文木(parse tree)の生成 •VIEW / RULE に基づいた構文木の書き換え 書き換え(rewrite) 実行計画生成 / 最適化 •最適なクエリプラン(実行計画)の生成 (plan / optimize) •統計情報などを用いて実行コストを最小化 (コストベース最適化) •クエリプランに沿ったデータアクセス、抽出/結合/ 実行(execute) 並べ替えなどの演算処理 •(更新時)トランザクションログ追記、共有バッファ更新 結果送信 Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 11
12.
クエリとクエリプラン
ネステッドループ ジョイン テーブル スキャン 集約 count() インデックス スキャン Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 12
13.
クエリプランの詳細 Copyright 2011 Uptime
Technologies LLC, All rights reserved. 13
14.
クエリプランの確認方法 • EXPLAINコマンド
– 最適であると判断された「実行計画」を表示。 – 入力されたSQL文を、PostgreSQLがどのように解釈して処理しよう としているのかを表示。 • EXPLAIN ANALYZEコマンド – 「実行結果」を表示。 – 実際に、どのアクセスにどの程度の時間がかかっているのか、何件 のレコードを処理したのか、などを表示。 • その他(pgAdminIII) – 「クエリー解釈」、「アナライズ解釈」は、EXPLAIN、EXPLAIN ANALYZEと同等。 Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 14
15.
データアクセスのパターン • シーケンシャルアクセス
– 全レコード、または多くのレコードを処理する必要がある場合 – 集約処理、LIKE文の中間一致など • ランダムアクセス – 特定のレコード(を含むブロック)だけにアクセスする必要がある場合 – 主にインデックスを用いたアクセス シーケンシャル ランダム アクセス アクセス ファイルの先頭から 順番に読み込んでいく 必要なブロックだけ ピンポイントで読み込む テーブルファイル テーブルファイル Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 15
16.
テーブルスキャン SELECT count(*) FROM
customer; Customer テーブルからの ブロック読込 ×214,216 Customer_pkey インデックスの ブロック読込×0 Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 16
17.
テーブルスキャン cont’d • すべてのデータを確認する必要があるため、customerテー
ブルファイルを構成するブロックを先頭から読み込む – よって、データが増えれば増えるほど時間がかかるようになる。 – この例では、214,216 ブロック(約1.7GB)を読んでいる。 Customer_pkeyインデックス Customerテーブル レコード1 root レコード2 レコード3 レコード4 レコード5 1~5 6~10 11~17 18~25 Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 17
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インデックスアクセス SELECT * FROM
customer c WHERE c.c_id=7; Customer テーブルからの ブロック読込×1 Customer_pkey インデックスの ブロック読込×3 Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 18
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インデックスアクセス cont’d • “c_id=7”
レコードの位置を探すため、customer_pkeyを辿っ てポインタを見つけ、レコードを含むテーブルファイルのブ ロックを読み込む。 – この例では、customer_pkeyインデックスから3ブロック、customer テーブルから1ブロックを読んでいる。 – レコードの量とディスクアクセス量が比例しない。 Customer_pkeyインデックス Customerテーブル レコード1 root レコード2 レコード3 レコード4 レコード5 1~5 6~10 11~17 18~25 Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 19
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結合(Nested Loop Join) •
SELECT count(*) FROM orders o, customer c WHERE o.o_c_id=c.c_id AND c.c_uname=‘UL’; – customer を c_uname=‘UL’ でインデックススキャン – customer のレコードの c_id を使って orders をインデックススキャン i_c_uname customer i_o_c_id orders Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 20
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テーブルに対する更新処理
レコード1 「レコード5」を追加 レコード1 レコード レコード2 レコード2 追加処理 レコード3 レコード3 レコード4 レコード4 (INSERT) レコード5 ファイル中に4件のレコードが 順番に並んでいる レコード5がファイル末尾に追加され、 ファイルサイズが増える 「レコード2」を削除 レコード1 レコード1 レコード レコード2 (レコード2) 削除処理 レコード3 レコード3 レコード4 レコード4 (DELETE) ファイル中に4件のレコードが レコード2に削除マークが付けられる 順番に並んでいる 「レコード2」を レコード1 「レコード2’」として更新 レコード1 レコード レコード2 (レコード2) 更新処理 レコード3 レコード3 レコード4 レコード4 (UPDATE) レコード2’ ファイル中に4件のレコードが レコード2に削除マークが付けられ、 順番に並んでいる レコード2’が新たに追加、ファイルサイズ増加 Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 21
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タプルの更新とインデックスの更新 8.2以前
インデックス付きカラム ヒープタプル レコード1 レコード1 インデックスのない (テーブル) レコード2 カラムを更新すると・・・ (レコード2) レコード2’ エントリ1 エントリ1 インデックスサイズも インデックス エントリ2 (エントリ2) 増える エントリ2’ 8.3以降 インデックス付きカラム ヒープタプル レコード1 レコード1 (テーブル) インデックスのない レコード2 カラムを更新すると・・・ (レコード2) レコード2’ エントリ1 エントリ1 インデックスサイズは インデックス エントリ2 エントリ2 増えない インデックスの張られていないカラムを更新すると、 ヒープのみの(インデックスエントリが無い)カラムができる。 これが、HOT(Heap Only Tuple) Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 22
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VACUUM処理
VACUUM前 VACUUM後 レコード1 レコード1 (レコード2) VACUUM処理 空き領域 VACUUM レコード3 レコード3 処理 レコード4 レコード4 レコード2’ レコード2’ レコード2に削除マークが レコード2の領域が「空き領域」として 付いている 再利用可能になる。 追記前 追記後 レコード1 レコード5を追記 レコード1 空き領域 レコード5 VACUUM レコード3 レコード3 してあると レコード4 レコード4 レコード2’ レコード2’ 「空き領域」がある ファイルサイズを変えずに追記できる レコード1 レコード1 レコード5を追記 (レコード2) (レコード2) VACUUM レコード3 レコード3 してないと レコード4 レコード4 レコード2’ レコード2’ レコード2の領域が埋まったまま レコード5 ファイルサイズが増加 Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 23
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パフォーマンスは何で決まるか? • 「単一クエリのレスポンス×クエリの同時実行数」 –
単一クエリのレスポンス • サーバ・クライアント間通信(ネットワーク) • SQLの構文解析、最適化(CPU処理) • ロックの競合(ロック待ち、デッドロックの発生) • テーブル、インデックス、ログへのI/O量(ディスクI/O) • ソート、結合などの演算処理(CPU処理) – クエリの同時実行数 • 接続クライアント数(いわゆるWebユーザ) • コネクションプール接続数 • これらが全体としてハードウェアのキャパシティの範囲内で ある必要がある。 – ネットワーク、ディスクI/O、メモリ、CPUなどがボトルネックとなり得る。 – ただし、サーバリソースネック自体は「結果」であり、「原因」ではない。 – 「なぜ、それがボトルネックになっているのか?」が重要。 Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 24
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パフォーマンス改善の基本手順 • 遅いSQL文を特定する or
実行回数の多いSQLを特定する – log_min_durationオプション – pgFouine • SQLの実行プランを確認する – EXPLAIN / EXPLAIN ANALYZE • 対策をする – SQL文を書き換える、インデックスを張る、テーブル設計を修正する – アプリケーションを修正する – ハードウェアを増強する – 他・・・ Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 25
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SQLパフォーマンス分析 • pgFouineによる問題SQL文の抽出
– 総実行時間=レスポンスタイム(実行時間)×実行回数 – 最長レスポンスタイム – 他・・・ Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 26
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バックアップ • バックアップの難しさ –
データはファイルの中にだけあるのではない! – 通常は、共有バッファの内容が最新 – ファイルだけバックアップを取ってもダメ – ミリ秒単位で処理が進む中、すべてを一貫性を保った状態で • バックアップの種類 – コールドバックアップ – ホットバックアップ – アーカイブログバックアップ • バックアップ&リカバリはリハーサルをしよう! – 簡単な試験や手順書を作るだけで満足してはいけない・・・ Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 27
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コールドバックアップ •
サーバプロセスをすべてシャットダウンしてデータファイル全体をバック アップ – バックアップの間、サービス停止が発生する。 – リカバリの際には、バックアップ時のデータに戻る。 • 利用ケース – 前回バックアップ以降の更新データを復旧できる場合。 – ストレージスナップショットが一般化した今、案外現実的。 Crash ①ファイルを WAL1 WAL2 WAL3 ②障害発生 バックアップ (サービス中断) ③レストア Index Table Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 28
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ホットバックアップ(pg_dump) •
あるタイミングでデータの一貫性を保ちつつバックアップ – シンプルかつ柔軟(テーブル単位のバックアップも可) – バックアップ時にサービス停止は起こらない。 – リカバリの際には、バックアップ時のデータに戻る。 • 利用ケース – 前回バックアップ以降の更新データを復旧できる場合。 – データベース単位、テーブル単位でバックアップを取りたい場合。 – 論理バックアップが必要な場合(メジャーバージョンアップなど) Crash WAL1 WAL2 WAL3 ①pg_dumpで ②障害発生 スナップショットを バックアップ ③レストア Index Table Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 29
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アーカイブログとPITRを用いたバックアップ •
ベースバックアップ(基準点)+アーカイブログ(更新差分) – サービスを継続したままベースバックアップを取得可能 – クラッシュ直前のWALの内容まで復旧することが可能 • 利用ケース – データベースクラスタ全体の完全なバックアップを取りたい場合。 – クラッシュ直前の更新まで復旧させる必要がある場合。 Crash WAL1 WAL2 WAL3 ①ベースバック アップの取得 ②WAL1を ③WAL2を ④WAL3を アーカイブ アーカイブ アーカイブ Index WAL1 WAL2 WAL3 Table PITRに必要なファイル類 Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 30
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アーカイブログとPITRを用いたリカバリ •
ベースバックアップ(基準点)+アーカイブログ(更新差分) – 前回のベースバックアップ以降、長期間が経過しているとアーカイブログが 多くなり、リカバリの時間が長くなる。 – ベースバックアップレストア時間+アーカイブログ適用時間×アーカイブログ 数 WAL3適用完了 リカバリ完了 WAL1 WAL2 WAL3 ①ベースバック アップを展開 ②WAL1を ③WAL2を ④WAL3を 適用 適用 適用 Index WAL1 WAL2 WAL3 Table Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 31
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冗長化方式の選定 • 実現方式を評価するに当たって特に重視すべき点
– 負荷分散の必要性の有無。 – 単一障害点(Single Point of Failure、SPoF)の有無。 – 運用が容易であるかどうか(運用の作業負荷、ノウハウの蓄積)。 – データ一貫性の厳密性(レプリケーション遅延)の程度。 実現方式 アーキテクチャ 負荷分散 同期遅延 運用性 備考 アーカイブログ転送 アクティブ/スタンバイ × 数十秒 ◎ ウォームスタンバイ方式。 ~数分 DRBDディスク同期 アクティブ/スタンバイ × なし △ 要DRBD運用ノウハウ。 共有ディスク方式 アクティブ/スタンバイ × なし △ 共有ディスクが高価でSPOF。 Slony-Iレプリケー アクティブ/アクティブ、 ○ 数秒 △ 公開されているSlony-Iの運用ノウハ ション マスター/スレーブ ウが少ない。バージョン混在可。 pgpool-II アクティブ/アクティブ、 ○ なし ○ pgpoolサーバがSPOF(冗長化可)。 マスター/スレーブ 一部、APへの影響有り(now()等)。 ストリーミング・レプリ アクティブ/アクティブ、 ○ 数百ms △ 公開されている運用ノウハウが少な ケーション(9.0~) マスター/スレーブ い。 Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 32
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冗長化方式の選定 cont’d • PostgreSQLの代表的な冗長化方式の構成は以下の通り。
– シンプルな冗長化のみで良い場合は共有ディスク方式。 – スケールアウトが必要な場合は pgpool か Slony-I。 – 9.0以降はストリーミングレプリケーション(SR+HS)構成が可能。 共有ディスク方式 pgpool方式 SR+HS方式 Web/APサーバ Web/APサーバ Web/APサーバ Web/APサーバ Web/APサーバ Web/APサーバ 読み書き 読み込み可 不可 pgpoolサーバ マスタDB スレーブDB マスタDB スレーブDB SQL転送 ログ(レコード)転送 マスタDB スレーブDB 共有ストレージ Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 33
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参考文献 •
書籍・雑誌 – WEB+DB PRESS vol.32~37 「PostgreSQL安定運用のコツ」 (技術評論社) – データベースパフォーマンスアップの教科書 基本原理編 (翔泳社) • オンラインドキュメント類 – PostgreSQL 9.0.2文書 http://www.postgresql.jp/document/pg902doc/html/index.html – Explaining Explain ~ PostgreSQLの実行計画を読む ~ (PDF版) http://lets.postgresql.jp/documents/technical/query_tuning/explaining_explain_ja.pdf – HOTの仕組み (1) - Let's Postgres http://lets.postgresql.jp/documents/tutorial/hot_2/ – ソーシャルゲームのためのデータベース設計 http://www.slideshare.net/matsunobu/ss-6584540 Copyright 2011 Uptime Technologies LLC, All rights reserved. 34
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