【PGCCC】Postgresql 缓存替换算法

前言

postgresql 使用缓存来作为与磁盘读写的中间层，但是缓存的大小是有限的，当缓存不够用时需要剔除一些不常用的。但是如何高效的选出那些需要剔除的缓存呢，postgresql 针对不同的应用场景，提供了简单高效的不同算法。

替换算法

postgresql 主要提供了两种替换算法，ring 算法和 clock sweep 算法，分别针对批量读写和正常读写。

ring 算法

ring算法适合那些批量读写的场景，因为操作数据都是一次性的，这些数据在使用后就没有作用了。如果频繁的触发缓存替换，对性能造成没必要的损耗的。所以使用一个特定大小的环，循环使用。这种算法性能高，而且对缓存造成很大的影响。

ring算法的原理很简单，它有一个环状数组，数组的每个元素都对应一个buffer，注意到buffer的分配是动态的，也就是说开始的时候，数组的元素都为空。

每次需要获取替换的缓存，它都会从上次遍历的位置开始，直接返回下一个元素。如果这个数组元素没有分配buffer，则需要进行分配。当这个buffer被分配了，它会一直存在，不会被替换掉，除非被明确释放掉。

ring 算法的相关参数定义如下：

typedef struct BufferAccessStrategyData
{
	
	BufferAccessStrategyType btype;          // 策略类型
	int			ring_size;                  // 环大小	
	int			current;                    // 数组的遍历当前位置
	bool		current_was_in_ring;        // 数组当前位置的元素，有没有分配buffer

    // 这里使用数组来表示环，当元素的值为InvalidBuffer(也就是0)，表示还分配buffer给这个元素
	Buffer		buffers[FLEXIBLE_ARRAY_MEMBER];
} BufferAccessStrategyData;

上面的BufferAccessStrategyType定义了哪种策略，定义如下

clock sweep 算法

clock sweep 算法根据访问次数来判断哪些数据为热点数据。当缓存空间不足，它会优先替换掉访问次数低的缓存。它的算法参数如下：

typedef struct
{
	slock_t		buffer_strategy_lock;      // 自旋锁，用来保护下面的成员
	pg_atomic_uint32 nextVictimBuffer;     // 下次遍历位置

	int			firstFreeBuffer;	     // 空闲buffer链表的头部
	int			lastFreeBuffer;          // 空闲buffer链表的尾部

	uint32		completePasses; // 记录遍历完数组的次数
	pg_atomic_uint32 numBufferAllocs;	/* Buffers allocated since last reset */

	/*
	 * Bgworker process to be notified upon activity or -1 if none. See
	 * StrategyNotifyBgWriter.
	 */
	int			bgwprocno;
} BufferStrategyControl;

每次从上次位置开始轮询，然后检查buffer 的引用次数 refcount 和访问次数 usagecount。

1. 如果 refcount，usagecount 都为零，那么直接返回。
2. 如果 refcount 为零，usagecount 不为零，那么将其usagecount 减1，遍历下一个buffer。
3. 如果 refcount 不为零，则遍历下一个。

clock sweep 算法是一个死循环算法，直到找出一个 refcount，usagecount 都为零的buffer。

空闲链表

为了加快查找空闲 buffer 的速度，postgresql 使用链表来保存这些buffer。链表的头部和尾部由 BufferStrategyControl 结构体的 firstFreeBuffer 和 lastFreeBuffer 成员指定。链表节点由 BufferDesc 结构体表示，它的 freeNext 成员指向下一个节点。

当有新增的空闲buffer，它会被添加到链表的尾部。当需要空闲空间时，则直接返回链表的头部。

寻找空闲全局缓存

1. 如果指定使用了ring算法，那么首先从环中获取空闲缓存，如果找到则直接返回。
2. 查看空闲链表是否有空闲缓存，如果有则直接返回
3. 使用 clock sweep 算法查找到一个空闲缓存，如果之前指定了ring算法，需要将这个空闲位置添加到环中。
4. 如果缓存为脏页，那么需要将它刷新到磁盘。
5. 修改缓存的头部，并且更新缓存哈希表

寻找空闲本地缓存

寻找本地空闲缓存很简单，直接使用 clock sweep 算法寻找。在找到替换的缓存后，还需要处理脏页和修改缓存头部，并且更新缓存哈希表。

引用计数缓存

当获取到一个缓存时，不想让它被替换掉，那么就需要增加它的引用次数。替换算法只会替换那些引用次数为零的缓存，当被使用完后，需要减少它的引用次数，当减少至零就可以被替换掉。

本来state字段包含引用次数和使用次数，但是每次更新都需要获取头部锁。因为头部锁还被用于其他多个地方，所以为了减少冲突，单独使用了计数器存储了引用次数。现在 state 字段的引用次数只有0和1两个值，用来表示是否有被进程引用。

引用计数器

每个buffer都对应一个计数器，定义如下：

typedef struct PrivateRefCountEntry
{
	Buffer		buffer;  // 类型为int，等于buffer_id
	int32		refcount;  // 引用计数器
} PrivateRefCountEntry;

为了快速找到指定buffer的引用计数，postgresql 提供了一个数组作为一级缓存，使用哈希表作为二级缓存。这个数组的长度为8，每个元素占有 8byte，选择数字8，刚好等于64byte，这个长度与CPU的缓存大小刚好相关。

#define REFCOUNT_ARRAY_ENTRIES 8
static struct PrivateRefCountEntry PrivateRefCountArray[REFCOUNT_ARRAY_ENTRIES];  // 数组
static PrivateRefCountEntry * ReservedRefCountEntry = NULL;   // 指向数组中空余的位置


static HTAB *PrivateRefCountHash = NULL;  // 哈希表，key为buffer_id，value为引用次数
static int32 PrivateRefCountOverflowed = 0;  // 哈希表包含entry的数目

使用示例

下面列举了常用的函数：

// 寻找顺组中的空闲位置，如果没有找到，那么就将数组挑选出一个，将其转移到哈希表中
// 挑选策略采用了轮询
static void ReservePrivateRefCountEntry(void);

// 将buffer添加到数组空闲位置
static PrivateRefCountEntry* NewPrivateRefCountEntry(Buffer buffer);

// 寻找指定buffer对应的PrivateRefCountEntry，
// 参数do_move为true时，表示当数据在哈希表里，需要将其转移到数组
static PrivateRefCountEntry* GetPrivateRefCountEntry(Buffer buffer, bool do_move);

// 返回引用次数，这里调用了GetPrivateRefCountEntry方法
static inline int32 GetPrivateRefCount(Buffer buffer);

// 释放PrivateRefCountEntry，通过比较数组的内存起始位置和结束位置，可以很快判断出是否在数组中
static void ForgetPrivateRefCountEntry(PrivateRefCountEntry *ref);

下面以新添加一个buffer的计数器为例：

Buffer buffer;  // 指定buffer
ReservePrivateRefCountEntry();   // 保证数组有一个空闲位置
ref = NewPrivateRefCountEntry(buffer);  // 为buffer创建计数器
ref->refcount = 1; // 设置引用次数

修改引用次数

在增加或减少buffer的引用次数时，会涉及到 buffer头部的 state 字段，和引用计数的更新。

当 buffer 的引用次数由0变为1时，会触发 state 字段的更新和创建新的计数器，之后的增加操作，就只会更改引用计数。
当buffer 的引用次数由1变为0时，会触发state 字段的更新，并且会删除对应的计数器。如果不是减为0，那么只需要更改引用计数。

增加引用次数

修改引用次数的函数如下：

// 增加引用次数，参数buf为指定的buffer，参数strategy指定了替换算法
static bool PinBuffer(BufferDesc *buf, BufferAccessStrategy strategy);

减少引用次数

在减少引用次数，先在引用计数器减少1，如果引用次数变为0，那么需要减少state字段的计数器，并且

// 减少引用次数
static void UnpinBuffer(BufferDesc *buf, bool fixOwner);

作者：zhmin
链接：https://zhmin.github.io/posts/postgresql-buffer-replace/
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