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更新时间:2024-12-25 GMT+08:00
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AutoVacuum介绍和调优

vacuum可以理解为清理,是维护高效健康的PostgreSQL数据库的必要步骤,autovacuum是自动化执行vacuum的进程。如果autovacuum的参数配置得和业务比较契合,通常就不用考虑vacuum相关的事宜,数据库会自动替您做好这些事。

本文介绍vacuum的作用,autovacuum和vacuum的关系,autovacuum的参数调优建议,并提供autovacuum常见问题的解答。

为什么要做vacuum

PostgreSQL使用多版本并发控制(MVCC)来保证数据在高并发环境中保持一致和可访问性,每个事务在它开始的时间点都在其自己的数据库快照上运行,这就意味着无法立即删除过时的数据。当进行UPDATEDELETE操作时,PostgreSQL数据库会为其他正在运行的事务保留旧版本的元组,修改数据库的每个语句都会生成一个事务ID(xid);PostgreSQL UPDATE可以看成是先DELETE然后INSERT。这就会导致数据库出现两个主要问题:事务ID回卷和表膨胀。

事务ID回卷

PostgreSQL会为事务分配一个事务ID,这个事务ID并不是无限大的,PostgreSQL使用一个32位的整数作为事务ID的值,其使用1到2^31轮转的方式来处理无限多的事务,也就是说,当事务ID到达2^31(2147483648)的时候,它将为接下来的事务继续分配1到2^31的事务ID,这种轮转事务ID的方法就是事务ID回卷。

当前的事务ID只能看到其之前的事务ID提交信息,如果当前一个事务ID是100, 当该事务ID达到最大值2^31之后会进行轮转,这样从101到2^31对于当该事务ID来说都是之后的事务ID,此时该事务ID不能看到100以后的所有事务,这样就会导致数据库数据丢失,会造成数据库的不可信。

vacuum freeze可以用来防止事务ID回卷,其意味着覆盖事务ID到frozen事务ID,上面的例子,当前的事务ID100是经历过回卷的,但是使用vacuum freeze将表中对应元组的xmax的值设置为2,那这样所有的事务都能看到该元组。

vacuum freeze同时也会清理死元组。

表膨胀

由于MVCC机制,PostgreSQL的DELETE操作并不会真正删除元组,而是将其标记为已删除状态,这些被标记为删除的元组称为死元组(dead tuples),UPDATE也是同理,可以看成是先DELETE然后再INSERT;由于DELETE并不是真正的删除数据,死元组依旧占用磁盘空间,就会出现虽然查询表数据很少,但是磁盘占用空间很大,这样就会形成表膨胀。

vacuum可以用来解决表膨胀的问题,vacuum会清理死元组,但是并不会重新组织活元组在表上的存储位置,其会维护表的空闲空间映射(FSM)以供接下来的元组INSERT操作从而避免占用更多的空间。

vacuum full则更干脆一些,会对原表进行重建,但是vacuum full会对表进行锁定,在执行vacuum full期间无法对表进行读写操作。同时,如果表的数据量太大,在使用vacuum full时执行时间会很长,请在业务低峰期进行操作。

Autovacuum

Autovacuum是一个能够自动执行vacuum和analyze命令的守护进程,其能够检查数据库中臃肿的表,并回收空间用以重用。autovacuum守护进程被设计成两个进程,autovacuum launcher和autovacuum worker。

autovacuum launcher是在autovacuum参数设置为on时postmaster启动的进程,autovacuum launcher进程用来调度autovacuum worker进程对表进行vacuum操作;autovacuum worker是实际执行vacuum操作的进程,它按照launcher进程的计划连接到数据库并选择某个表执行vacuum操作。

触发autovacuum的条件

当死元组的数量超过一定的值的时候,即死元组数量达到阈值就会触发autovacuum,具体的阈值计算公式如下:

以触发vacuum为例,其中autovacuum_vacuum_scale_factor和autovacuum_vacuum_threshold是PostgreSQL的两个参数。

  • number_of_live_tuples是pg_class系统表的“reltuples”字段,可以使用select reltuples from pg_class where relname = '$TBL_NAME'获取。
  • 死元组number_of_dead_tuples可以使用select n_dead_tup from pg_stat_user_tables where relname = '$TBL_NAME'获取。
  • n_mod_since_analyze是自从上一次auto analyze以来被修改过的元组数量,包括INSERT、UPDATE、DELETE等。

当autovacuum_vacuum_scale_factor为0.2,autovacuum_vacuum_threshold为50,这个表中存活元组数量为2000的时候,能够计算得到的阈值为2000*0.2 + 50 = 450,当number_of_dead_tuples超过450就会触发自动清理。

number_of_dead_tuples > autovacuum_vacuum_scale_factor * number_of_live_tuples + autovacuum_vacuum_threshold

触发auto analyze的条件则是:

n_mod_since_analyze > autovacuum_analyze_threshold + autovacuum_analyze_scale_factor * number_of_live_tuples

当autovacuum_analyze_scale_factor为0.2,autovacuum_analyze_threshold为50,表中存活元组数量为2000的时候,计算阈值为2000 * 0.2 + 5 = 450,当n_mod_since_analyze超过450就会触发auto analyze。

可以通过如下查询来看元组信息和上一次进行autovacuum的时间:

SELECT relname  AS tablename,
       n_live_tup AS livetuples,
       n_dead_tup AS deadtuples,
       last_autovacuum,
       last_autoanalyze
FROM pg_stat_user_tables;

系统视图pg_stat_progress_vacuum可以被用来跟踪vacuum的实时状态,由于vacuum full是重写表,所以不会被记录到这个视图中。关于这个视图的详细信息可以查阅官方文档

当表的年龄大于autovacuum_freeze_max_age时(云上默认是4亿),autovacuum进程会自动对表进行freeze。

数据库年龄一旦超过20亿,数据库会宕机不可用,则不会再接受新事物写入。需要单用户模式执行vacuum full才能修复。

查看数据库年龄:

SELECT datname, age(datfrozenxid) FROM pg_database WHERE datname <> 'template1' AND datname <> 'template0' ORDER BY age DESC;

查看年龄大的5张表:

SELECT relname, relfrozenxid,  age(relfrozenxid) aa FROM pg_class WHERE relfrozenxid != 0 ORDER BY aa DESC LIMIT 5;

autovacuum的相关参数

可以通过查询pg_settings系统表来查看autovacuum参数:

select category, name,setting,unit,source,min_val,max_val from pg_settings where category = 'Autovacuum' ;
category  |                name                 |  setting  | unit | source  | min_val |  max_val   
------------+-------------------------------------+-----------+------+---------+---------+------------
 Autovacuum | autovacuum                          | on        |      | default |         | 
 Autovacuum | autovacuum_analyze_scale_factor     | 0.1       |      | default | 0       | 100
 Autovacuum | autovacuum_analyze_threshold        | 50        |      | default | 0       | 2147483647
 Autovacuum | autovacuum_freeze_max_age           | 200000000 |      | default | 100000  | 2000000000
 Autovacuum | autovacuum_max_workers              | 3         |      | default | 1       | 262143
 Autovacuum | autovacuum_multixact_freeze_max_age | 400000000 |      | default | 10000   | 2000000000
 Autovacuum | autovacuum_naptime                  | 60        | s    | default | 1       | 2147483
 Autovacuum | autovacuum_vacuum_cost_delay        | 2         | ms   | default | -1      | 100
 Autovacuum | autovacuum_vacuum_cost_limit        | -1        |      | default | -1      | 10000
 Autovacuum | autovacuum_vacuum_scale_factor      | 0.2       |      | default | 0       | 100
 Autovacuum | autovacuum_vacuum_threshold         | 50        |      | default | 0       | 2147483647

autovacuum的工作量取决于两个参数:

  • autovacuum_vacuum_cost_limit是自动清理一次性完成的工作量。
  • autovacuum_vacuum_cost_delay是自动清理在达到autovacuum_vacuum_cost_limit参数指定的开销后休眠的毫秒数。

autovacuum常见问题

  • 长事务/事务未提交影响autovacuum正常工作

    由于MVCC机制,长事务/事务未提交不允许autovacuum清理死元组,如果当前事务在执行删除或更新操作之前拍摄的数据快照,那autovacuum会跳过这些死元组;出现autovacuum不能正常工作的时候应优先排查idle in transaction中的会话。

    可以通过如下SQL查询autovacuum进程的锁信息:

    select locktype, relation::regclass, pid, mode, granted from pg_locks where pid in($autovacuum_pid);

    可以通过如下SQL查询长事务以及等待事件信息:

    select pid,wait_event_type,wait_event,state,backend_start,xact_start,query_start,state_change, query from pg_stat_activity where state not in ('idle', 'active');

    确认后通过如下SQL杀死该事务:

    select  pg_terminate_backend(pid);
  • 废弃的复制槽影响autovacuum正常工作

    复制槽中存储着备机追上主机需要的信息,如果备机宕机或者严重落后于主机,将无法清理在主节点上复制槽中的列。

    可以通过如下SQL查询包含旧事务的复制槽:

    SELECT slot_name, slot_type, database, xmin, catalog_xmin FROM pg_replication_slots ORDER BY age(xmin), age(catalog_xmin) DESC;

    使用pg_drop_replication_slot()删除废弃的复制槽。

  • autovacuum时占用资源高,或者经常导致中断

    这时一般是由于autovacuum执行次数过于频繁,需要调整参数降低其执行次数:

    • 适当增大autovacuum_vacuum_cost_delay和减少autovacuum_vacuum_cost_limit的值。
    • 减少autovacuum_max_workers的数量。

    如果业务量比较大,可以做定时任务在业务低峰期进行清理,也可以设置定时任务为特殊的表单独设置autovacuum参数。

  • 表膨胀的速度加快

    在autovacuum正常运行的情况下,如果业务量增加,可能在短时间内产生大量死元组,导致autovacuum跟不上节奏,会导致查询性能下降;可通过修改autovacuum的相关参数进行优化:

    • 适量降低autovacuum_vacuum_cost_delay,适量增加autovacuum_vacuum_cost_limit。
    • 适量增大autovacuum_max_workers增加并行。
  • autovacuum执行卡住或执行很慢

    如果autovacuum执行卡住或执行很慢,尝试手动执行vacuum。

    1. 通过SQL查询autovacuum运行情况,找到autovacuum的PID:
      SELECT datname, usename, pid, now() - xact_start AS runtime, query
      FROM pg_stat_activity 
      WHERE upper(query) LIKE '%VACUUM%' 
      ORDER BY xact_start;
    2. 多次执行以下命令,判断autovacuum是否正常运行:
      SELECT pg_terminate_backend($PID);

      确认autovacuum正常运行后,对需要清理的表手动执行vacuum freeze终止autovacuum进程:

      verbose选项可选。
      vacuum freeze verbose $TBL_NAME;

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