面试题：PostgreSQL异步提交机制与系统故障恢复的关系

Question

当系统发生故障时，PostgreSQL的异步提交机制如何保证数据的一致性和完整性？请详细说明故障恢复过程中异步提交相关的处理逻辑。

Answer 1

异步提交机制保证数据一致性和完整性的原理

1. 日志记录：
   • 在异步提交模式下，PostgreSQL 依然会将事务的修改操作记录到预写式日志（WAL, Write - Ahead Log）中。即使事务以异步方式提交，其所有变更对应的 WAL 记录会按顺序生成。这是保证数据一致性的基础，因为 WAL 记录了数据库从一个状态转变到另一个状态的所有必要信息。
   • 例如，当执行 INSERT 语句时，相关的插入操作细节，如插入的表、列值等，都会被记录到 WAL 日志中。
2. 事务提交确认：
   • 当事务发起异步提交时，PostgreSQL 会立即返回提交成功的响应给客户端，而无需等待 WAL 日志刷盘。这提高了系统的响应性能。
   • 但这并不意味着数据没有持久化保障。后台有 WAL 写进程（如 checkpointer、walwriter 等）会定期将 WAL 缓冲区中的日志刷写到磁盘。只要 WAL 日志最终能持久化到磁盘，即使系统故障，也可以通过重放 WAL 日志恢复数据。
   • 比如，一个高并发的电商订单系统，大量订单事务以异步提交方式处理，系统能快速响应客户端订单提交成功，同时后台 WAL 进程在合适时机将订单相关的 WAL 日志刷盘。

故障恢复过程中异步提交相关处理逻辑

1. 崩溃检测与启动：
   • 当系统发生故障重启时，PostgreSQL 首先会检测到上次运行时的崩溃情况。
   • 然后启动数据库恢复流程，这个过程从读取 WAL 日志开始。
2. WAL 日志重放：
   • PostgreSQL 会从最后一个已知的检查点（checkpoint）开始重放 WAL 日志。检查点是数据库的一个一致性点，记录了系统在某个时刻所有已提交事务的状态。
   • 在重放 WAL 日志过程中，系统会按照 WAL 记录的顺序重新执行事务的操作。对于异步提交的事务，由于其 WAL 记录已经存在（尽管提交时未等待刷盘，但最终会被后台进程刷盘），所以这些事务的变更会被正确应用。
   • 例如，如果一个异步提交的事务对某张商品库存表进行了减库存操作，在故障恢复时，通过重放 WAL 日志中该事务的记录，会重新执行减库存操作，确保库存数据的一致性。
3. 回滚未提交事务：
   • 除了重放已提交事务的 WAL 日志，系统还会检查 WAL 日志中未完成（未提交）的事务。
   • 对于未提交的事务，无论是同步提交还是异步提交模式下未完成的，PostgreSQL 会执行回滚操作。这是通过反向执行 WAL 日志中这些未提交事务的记录来实现的，以保证数据库状态回到这些未提交事务开始之前的状态，维护数据的完整性。
   • 比如，一个未提交的事务对用户账户余额进行了错误的修改，在故障恢复时，系统会根据 WAL 日志回滚该事务，将用户账户余额恢复到事务开始前的正确值。