面试题：PostgreSQL使用pg_dump备份时处理大对象及事务一致性

Question

在使用pg_dump备份一个包含大量大对象（如大的二进制文件存储在数据库中）的PostgreSQL数据库时，如何确保备份过程中事务的一致性，并且高效地处理这些大对象，避免备份时间过长或出现备份不完整的情况？请详细说明可能涉及的参数设置、备份策略及原理。

Answer 1

参数设置

1. -Fc 参数：使用 pg_dump -Fc 进行备份，此参数创建的是自定义格式的备份文件，相比其他格式，它在处理大对象时更高效，因为它可以以流的形式处理大对象，避免将整个大对象加载到内存中。
2. -j 参数：可以使用 -j <num> 参数指定并行工作的进程数。PostgreSQL 9.6 及以上版本支持此参数，它能并行处理数据库对象的备份，加快备份速度，特别是在处理大量大对象时，可有效利用多核 CPU 的性能。
3. --exclude - table - data 参数：如果有一些表的数据量极大但又不常变化，可以使用 --exclude - table - data 参数排除这些表的数据备份，先备份表结构，之后再单独备份这些表的数据。例如，对于归档数据的表，可以先使用该参数备份其他部分，然后使用 pg_dump -t <tablename> 单独备份该大表，这样可以避免在一次备份中等待大表数据备份完成，加快整体备份进度。

备份策略

1. 使用事务快照：在备份开始时，PostgreSQL 会获取一个事务快照。这个快照确保了整个备份过程中看到的数据是一致的，就好像所有数据在备份开始的瞬间被冻结了一样。所有后续的查询和数据读取都基于这个快照，从而保证事务一致性。即使在备份过程中有新的事务对大对象进行修改，备份操作也不会受到影响，读取到的是事务开始时大对象的状态。
2. 分阶段备份：
   • 结构备份：首先使用 pg_dump -s 备份数据库的结构，包括表结构、视图、函数等，不包含数据。这一步速度相对较快，因为不涉及大量数据的传输。
   • 数据备份：对于大对象所在的表，可以使用 pg_dump -t <tablename> 单独备份这些表的数据。这种分阶段备份方式可以减少整体备份时间，因为对于不包含大对象的表和对象可以快速完成备份，然后集中精力处理大对象表。
3. 大对象备份优化：
   • 直接存储路径：如果数据库服务器允许，可以考虑将大对象直接存储在文件系统中，而不是完全存储在数据库内。这样在备份时，只需备份文件系统中的大对象文件路径信息，而不是大对象本身。恢复时，根据路径重新关联大对象。这种方式极大地减少了数据库备份的数据量，提高备份和恢复效率。
   • 增量备份：对于大对象，如果它们的变化频率相对较低，可以采用增量备份策略。在全量备份之后，后续备份只记录大对象的变化部分。PostgreSQL 本身并没有直接提供增量备份大对象的功能，但可以通过一些外部工具或自定义脚本结合文件系统的变化监控（如 inotify 等）来实现。例如，记录每次备份后大对象文件的修改时间，下次备份时只备份修改时间之后有变化的大对象。

原理

1. 事务一致性原理：PostgreSQL 的多版本并发控制（MVCC）机制是保证事务一致性备份的基础。在备份开始时获取的事务快照，会记录当时所有活跃事务的状态。当备份过程中读取数据时，数据库根据事务快照和数据的版本信息来判断哪些数据版本是可见的。对于大对象，同样遵循 MVCC 机制，确保读取到的大对象版本是事务开始时的版本，从而实现备份过程中的事务一致性。
2. 高效处理大对象原理：
   • 自定义格式备份（-Fc）：自定义格式备份以流的形式处理大对象。它不会一次性将大对象全部读入内存，而是逐块读取和写入备份文件，减少内存占用，提高处理大对象的效率。同时，自定义格式备份文件在恢复时也能更高效地处理大对象，因为可以按块恢复，而不需要一次性加载整个大对象到内存。
   • 并行备份（-j）：通过启动多个并行进程，不同进程可以同时处理不同的数据库对象（包括大对象所在的表）。每个进程独立读取和备份数据，充分利用多核 CPU 的性能，从而加快整体备份速度，尤其在处理大量大对象时效果显著。