面试题：PostgreSQL内存结构中共享缓冲区的作用及工作原理

Question

请阐述PostgreSQL内存结构里共享缓冲区的主要作用是什么？它是如何与磁盘交互来处理数据读写操作的？

Answer 1

共享缓冲区主要作用

1. 缓存数据：共享缓冲区是PostgreSQL用于缓存数据库页面（data pages）的内存区域。它存储经常访问的数据，使得后续对相同数据的请求无需每次都从磁盘读取，显著提高查询性能。例如，频繁查询某张表的数据，该表数据页被加载到共享缓冲区后，再次查询时可直接从内存获取，而非较慢的磁盘。
2. 减少磁盘I/O：通过缓存数据，避免大量重复的磁盘I/O操作。因为磁盘I/O相比内存访问速度慢很多，减少磁盘I/O能极大提升数据库整体性能。在高并发查询场景下，若没有共享缓冲区，每个查询都可能导致磁盘I/O，系统性能将严重下降。
3. 支持事务处理：共享缓冲区在事务处理中发挥关键作用。在事务执行过程中，数据修改首先在共享缓冲区的缓存页面上进行。只有当事务提交时，这些修改才会持久化到磁盘。这保证了事务的原子性和一致性，例如一个事务对多条记录的修改，先在共享缓冲区完成，提交时一起写入磁盘，若事务回滚，共享缓冲区的修改可直接撤销，无需操作磁盘。

与磁盘交互处理数据读写操作

1. 读操作：
   • 当PostgreSQL执行查询需要读取数据时，首先检查共享缓冲区。如果所需的数据页面已经在共享缓冲区中（即命中缓存），则直接从共享缓冲区读取数据，此过程速度很快。
   • 如果共享缓冲区中没有所需的数据页面（缓存未命中），则启动一个磁盘I/O操作，从磁盘读取相应的数据页面到共享缓冲区。PostgreSQL使用预读（read - ahead）技术，即一次从磁盘读取多个连续的数据页面到共享缓冲区，以减少后续可能的磁盘I/O。例如，在顺序扫描表时，预读能提前加载后续可能需要的页面，提高扫描效率。读取到共享缓冲区后，再从共享缓冲区读取数据返回给查询。
2. 写操作：
   • 当数据需要修改时，PostgreSQL先在共享缓冲区中找到对应的缓存页面（若不在则先从磁盘读取到共享缓冲区），在共享缓冲区中对页面进行修改。这种方式称为“写时复制（Copy - on - Write）”策略，即只有在真正需要修改数据时才在共享缓冲区创建一个可写的副本进行修改。
   • 这些修改后的页面被标记为“脏页（dirty pages）”。在合适的时机（例如检查点（checkpoint）发生时、共享缓冲区空间不足需要替换页面时等），PostgreSQL会将脏页刷新到磁盘，使磁盘上的数据与共享缓冲区中的修改保持一致。刷新操作使用异步I/O方式，尽量减少对正常数据库操作的影响，确保数据的持久性。