面试题：PostgreSQL内存结构中不同内存区域对并发事务处理的影响

Question

在PostgreSQL内存结构中，如共享内存、工作内存等不同区域，它们在并发事务处理过程中分别扮演什么角色，以及如何相互协作来保证事务的ACID特性？

Answer 1

共享内存

1. 角色：
   • 存储全局数据结构：存放如系统表、事务ID等重要的元数据信息。例如，系统表记录了数据库的架构信息，这些信息对于所有事务都是共享且至关重要的。
   • 多进程通信：为后台进程（如检查点进程、日志写入进程等）之间提供通信的共享区域。例如，日志写入进程和检查点进程通过共享内存交换关于日志文件状态和检查点信息。
2. 对ACID特性的保证：
   • 原子性：共享内存中的事务ID等信息帮助跟踪事务的开始和结束。如果一个事务失败，系统可以根据共享内存中的信息回滚所有已执行的操作，确保事务要么全部完成，要么全部不完成。
   • 一致性：共享内存中的系统表数据保证所有事务看到一致的数据库元数据，防止因事务操作导致数据库结构的不一致。
   • 隔离性：共享内存中的锁信息用于协调不同事务对共享资源的访问，确保事务之间相互隔离，避免并发事务之间的干扰。
   • 持久性：共享内存中的信息用于记录事务的状态，如事务是否已提交等，结合日志写入进程，保证已提交事务的持久性。

工作内存

1. 角色：
   • 查询处理：每个客户端连接在处理查询时，会在工作内存中进行中间计算。例如，排序操作可能在工作内存中完成，如果数据量较小，排序操作直接在工作内存分配的空间内进行。
   • 存储临时数据：存放查询执行过程中产生的临时数据，如连接操作生成的中间结果集。
2. 对ACID特性的保证：
   • 原子性：工作内存中的临时数据仅与当前事务内的操作相关，当事务回滚时，工作内存中的这些临时数据也随之丢弃，保证事务操作的原子性。
   • 一致性：由于工作内存独立于其他事务，不会对其他事务造成干扰，并且事务在工作内存中的计算结果最终会按照一致性要求更新到共享内存（如更新系统表等）或磁盘。
   • 隔离性：每个事务有自己独立的工作内存，这就确保了不同事务的中间计算和临时数据相互隔离，不会相互影响。
   • 持久性：工作内存本身不直接保证持久性。但事务在工作内存中完成操作后，相关结果会通过日志写入等机制持久化到磁盘，保证事务的持久性。

相互协作

1. 共享内存为工作内存提供基础数据：工作内存中的查询操作依赖共享内存中的系统表等元数据信息来理解数据库结构和执行规则。例如，查询优化器在工作内存中进行查询计划生成时，需要从共享内存获取表结构、索引等信息。
2. 工作内存的操作反馈到共享内存：事务在工作内存中完成的修改操作，最终要更新到共享内存中。例如，一个更新表数据的事务，在工作内存中计算出更新后的结果，然后通过相应机制（如锁机制确保一致性和隔离性）将结果更新到共享内存中的相关数据结构。
3. 结合日志机制保证持久性：共享内存中的事务状态信息和工作内存中的操作结果，通过日志写入进程记录到磁盘日志文件中。例如，检查点进程利用共享内存中的信息来协调日志写入，确保已提交事务的持久性，同时工作内存中的操作结果也是日志记录的来源之一。