面试题：PostgreSQL并发控制的内部实现与故障恢复

Question

深入探讨PostgreSQL并发控制机制与事务日志（WAL）在故障恢复方面的协同工作原理。如果在并发事务执行过程中发生系统崩溃，PostgreSQL是如何利用其并发控制和日志机制确保数据一致性和事务的原子性的？请详细描述相关的恢复步骤和机制。

Answer 1

1. PostgreSQL并发控制机制与事务日志（WAL）概述

• 并发控制机制：PostgreSQL使用多版本并发控制（MVCC）来允许多个事务并发执行而互不干扰。每个事务创建数据的新版本，而不是直接修改现有数据。这样，读操作不会阻塞写操作，写操作也不会阻塞读操作。
• 事务日志（WAL）：WAL记录了数据库的所有修改操作。每次事务进行数据修改时，先将修改记录写入WAL日志，然后再更新实际的数据页面。这种先写日志的策略确保了即使系统崩溃，已提交的事务也能恢复。

2. 故障恢复原理

• 数据一致性：通过MVCC确保在事务执行期间，每个事务看到的数据版本是一致的。在恢复过程中，利用WAL日志来重新应用已提交事务的修改，从而保证所有已提交事务的效果都能体现在数据库中。
• 事务原子性：事务要么全部完成，要么完全不执行。如果在事务执行过程中系统崩溃，未提交的事务不会对数据库造成影响，因为其修改尚未完全应用到数据页面，并且WAL日志中的相关记录会在恢复时被回滚。

3. 恢复步骤和机制

1. 分析阶段（Analysis Phase）
   • 启动恢复过程时，PostgreSQL会从WAL日志的最后一个检查点（Checkpoint）开始扫描。检查点是数据库的一个一致性状态，在这个点之前的所有修改都已经从WAL日志持久化到数据文件中。
   • 扫描WAL日志，记录所有未完成的事务（即没有提交记录的事务）和所有已提交但尚未持久化到数据文件的事务。这个过程会构建两个列表：一个是需要回滚的事务列表（称为Aborted Transactions List），另一个是需要重做的事务列表（称为Redo Transactions List）。
2. 重做阶段（Redo Phase）
   • 从分析阶段确定的需要重做的事务列表开始，PostgreSQL会按照WAL日志记录的顺序，重新应用这些事务的修改。这意味着将WAL日志中的记录重新应用到数据文件中，使数据库恢复到崩溃前已提交事务的状态。
   • 在重做过程中，PostgreSQL会根据WAL日志中的记录，重建事务执行时的数据修改操作，包括插入、更新和删除等操作。这样可以确保所有已提交事务的效果都能体现在数据库中。
3. 回滚阶段（Undo Phase）
   • 完成重做阶段后，PostgreSQL会处理分析阶段确定的需要回滚的事务列表。对于每个未完成的事务，PostgreSQL会按照WAL日志记录的相反顺序，撤销这些事务对数据的修改。
   • 回滚操作通过反向应用WAL日志中的记录来实现。例如，如果WAL日志记录了一个插入操作，回滚时会执行一个删除操作来撤销该插入。这样可以确保未提交事务的修改不会保留在数据库中，从而保证事务的原子性。
4. 结束恢复
   • 完成重做和回滚阶段后，数据库恢复到崩溃前的一致性状态，系统可以重新正常运行。此时，所有已提交的事务都已成功应用，未提交的事务都已被回滚，数据一致性和事务原子性得到保证。