PostgreSQL Internal: Data layout

이종완·2024년 4월 12일

PostgreSQL db 개념 공부

PostgreSQL Internal

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Database Cluster

하나의 PostgreSQL 서버가 관리하는 데이터베이스들의 모음
=> 호스트 상에 하나의 postgreSQL 서버가 돌고, 이 서버가 1개의 데이터베이스 클러스터를 관리한다

logical_structure

image reference

Object Identifiers(OIDs)
PostgreSQL 내부 모든 객체들은 4bytes unsigned-int ID가 할당되고 해당 ID를 통해 식별
객체들과 OIDs는 유형에 따라 분류하여 메타 데이터를 저장하는 시스템 카탈로그에 보관

pg_database: 데이터베이스 객체의 oid를 저장
pg_class: 힙 테이블 객체의 oid를 저장

PGDATA

데이터베이스 클러스터 생성 시, 데이터 저장 및 관리를 위한 Base 디렉토리가 만들어지며 PGDATA 환경변수에 Base 디렉토리 경로가 저장됨

directory_structure

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Database

오브젝트(SQL 오브젝트, 데이터베이스 오브젝트 등)을 관리하기 위한 최상위 계층

PostgresqSQL 초기 디폴트 데이터베이스

postgres
유저, 유틸리티, 외부 툴에서 사용하는 기본 DB
template0
PostgreSQL에서 정의한 원시 기본 데이터베이스
template1
- 시스템 표준 데이터베이스
- PostgreSQL에서 create database 수행문으로 데이터베이스 생성 시, template1 디비를 복제하여 생성함
- template1은 사용자에 따른 변경 및 접속 가능

위 데이터베이스는 $PGDATA/base 디렉토리 밑에 id가 채번되어 저장되어 있다

new database

신규 데이터베이스도 마찬가지로 create database 수행문으로 디비 생성 시 $PGDATA/base 디렉토리 밑에 id가 채번되어 저장된다

Tables and Indexes

사이즈가 1GB가 넘지 않는 테이블 및 인덱스들은 해당 객체들을 소유한 데이터베이스 디렉토리 내부에 하나의 파일로써 저장; 데이터베이스 객체와 마찬자리 OID가 채번되어 파일로써 저장된다
테이블과 인덱스의 데이터 파일들은 relfilenode라는 변수에 의해 관리되는데, relfilenode의 값과 테이블,인덱스의 OID는 통상적으로 동일하지만, 항상 같지는 않다

사이즈가 1GB가 넘게 되면, .1과 같은 postfix를 파일이름 뒤에 붙이며 파일을 새로 생성하며, 1GB가 넘을때 마다 시퀀셜 넘버링을 증가시키며 postfix를 붙인 파일을 새로 생성한다

ex) database OID = 234, table OID = 19999
-rw------- 1 postgres postgres 1.0G  Apr  21 11:16 data/base/234/19999
-rw------- 1 postgres postgres 1.0G  Apr  21 11:16 data/base/234/19999.1
-rw------- 1 postgres postgres 93MB  Apr  21 11:16 data/base/234/19999.2

Schema

오브젝트들을 포함하는 네임스페이스

여러 사용자가 서로 간섭 없이 하나의 데이터베이스를 사용할 수 있도록 한다
오브젝트들을 논리적 그룹으로 관리한다
스키마 분리를 통해, 오브젝트 간 이름 충돌(중복)을 방지한다

Tablespace

오브젝트를 저장하는 파일 시스템 내 위치를 직접 지정할 수 있도록 한다;
데이터베이스 디렉토리 외부에 오브젝트 파일을 저장할 수도 있게 한다

파티션, 볼륨의 공간이 부족할 때, 테이블 스페이스 활용가능
각 오브젝트의 사용 패턴을 바탕으로 한정된 디스크 자원을 효율적으로 할당 및 성능 최적화 가능
테이블 스페이스 생성 시, PGDATA/pg_tblspc 디렉토리에 심볼릭 링크로 저장
- 심볼릭 링크는 테이블 스페이스 생성 시 지정한 위치를 가리킴
- 테이블 스페이스에 오브젝트 생성 시 생성된 디렉토리 내부에 {database}/{object_id} 경로에 해당 오브젝트 파일 생성

tablespace_structure

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Page

PostgreSQL에서 데이터(heap table, index, free space map, and visibility map)를 파일에 저장할 때 사용하는 분할 고정크기(default: 8kb)의 영역(단위)

table_page_layout

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페이지의 고정크기를 변경하려면, Config 수정 후 PostgreSQL 소스 컴파일 필요
페이지의 고정크기는 최대 32kb까지 변경 가능
PostgreSQL은 파일 저장 시 필요한 파일의 크기를 페이지 단위로 확장하여 저장
각 데이터 파일 내부에 페이지들이 저장될 때 0번부터 페이지를 넘버링하며, 각 페이지 번호를 Block Number라고 한다
데이터 파일의 각 페이지는 아래 요소로 구성된다
- Page Header Data
  - 페이지의 일반적인 정보 저장
  - 페이지의 시작 부분에 위치
- ItemIdData(line pointer)
  - Item의 구분자들의 Array
  - 각 Item의 위치(offset), 크기(size) 저장
  - Page Header 다음 부분에 위치
- Items(heap tuple)
  - 튜플, 데이터 레코드를 포함
  - ItemIdData의 증가(할당)를 고려하여 페이지의 마지막부터 역방향으로 증가(할당)
    - ItemIdData: 1, 2, 3, ... (정방향)
    - Item: ... , Tuple3, Tuple2, Tuple1 (역방향)
  - Item 구조는 테이블 내용에 따라 상이
- Free Space
  - ItemIdData와 Item 사이에 존재하는, 아직 할당되지 않은 영역
- Special Space
  - Access Method에서 필요한 추가 정보를 저장하는 영역
  - Access Method에 따라 각기 다른 데이터를 저장
테이블 내부의 튜플을 식별하기 위해 TID(Tuple Identifier)를 사용하는데, 이 TID는 block number와 offset number(line pointer) 두가지 식별자로 구성되어, 어떤 페이지의 몇번째 아이템인지 정보를 저장한다