Veritabanı Küme Yapısı ve Düzeni

Veritabanı Kümesinin Mantıksal Yapısı

Database(DB) cluster, çalışan bir veritabanı sunucusunun tek bir instance’ı tarafından yönetilen veritabanı koleksiyonudur. PostgreSQL sunucusu tek bir hostta çalışır ve tek DB clusterını yönetir. Aynı host üzerinde farklı port numaralarında birden fazla PostgreSQL instance çalıştırmak mümkündür.

İlişkisel veritabanı teorisinde, datayı depolamak ya da referans vermek için kullanılan veri yapılarına Database Object (veritabanı nesnesi) denir. Tablo (heap), indeks, sequence, view ve function DB objelerinin en tipik örneğidir. Database ise tam olarak bu objelerin toplamına denir. Şöyle ki; PostgreSQL’de aslında DB’lerin kendiside de birer nesnedir ve mantıksal olarak biribirinden ayrılır. Verilen diğer tüm DB nesneleri ilişkili database aittir. Daha iyi anlamak için DB clusterının mantıksal yapısı:

Postgres DB nesnelerini unique olarak ifade etmek için sistem tablolarında Object Identifiers (OIDs) kullanır. DB nesneleri ve ilgili OID’ler arasındaki ilişki, nesnelerin türüne göre uygun sistem kataloglarında depolanır. Örneğin DB OID’leri pg_database, tablo OID’leri pg_class içinde depolanır. Bu OID’ler aşağıdaki sorgularla öğrenilebilir:

sampledb=# SELECT datname, oid FROM pg_database WHERE datname = 'sampledb';
 datname  |  oid  
----------+-------
 sampledb | 16384
(1 row)

sampledb=# SELECT relname, oid FROM pg_class WHERE relname = 'sampletbl';
  relname  |  oid  
-----------+-------
 sampletbl | 18740 
(1 row)

Veritabanı Kümesinin Fiziksel Yapısı

DB cluster base directory ismindeki alanda tutulur. Bu disk alanı pekçok alt dizin ve dosya içerir. Varsayılan $PGDATA çevre değişkenin değeridir. PGDATA çevre değişkeninin gösterdiği varsayılan dizin yerine istenirse yeni DB cluster başlatırken initdb yardımcı programıyla verilen dizin altında bir base directory oluşturulabilir. Her bir veritabanı, base directory altında base/ dizininde depolanır. Tablo ve indeksler ait olduğu veritabanı dizini altında depolanan (en az bir) birer dosyadır. base/ dizini ayrıca özel verileri ve yapılandırma dosyalarını içeren dizinleri tutar. DB cluster örneği:

Veritabanı Kümesinin Düzeni

Veritabanlarının Düzeni

Herbir veritabanı disk üzerinde base/ dizini altında bir alt dizin olarak tutulur. Bu dizinin ismi ilişkili OID ile aynıdır.

$ cd $PGDATA
$ ls -ld base/16384
drwx------  213 postgres postgres  7242  8 26 16:33 16384

Tablo ve İndekslerin İlişkili Dosyalarla Düzeni

Her bir tablo ve index boyutu 1 GB’den küçük tek bir dosya halinde ait olduğu veritabanı dizini altında depolanır. Tablo ve indeks gibi database objeleri OID’ler üzerinden yönetilirken içerdiği data dosyaları relfilenode değişkeni aracılığıyla yönetilir. Tablo ve indexlerin relfilenode ve OID değeri temel olarak aynıdır, fakat bazı durumlarda değişir. Daha iyi anlamak için sampletbl’in OID ve relfilenode değerine bakalım:

sampledb=# SELECT relname, oid, relfilenode FROM pg_class WHERE relname = 'sampletbl';
  relname  |  oid  | relfilenode
-----------+-------+-------------
 sampletbl | 18740 |       18740 
(1 row)

$ cd $PGDATA
$ ls -la base/16384/18740
-rw------- 1 postgres postgres 8192 Apr 21 10:21 base/16384/18740

Relfilenode değerleri TRUNCATE, REINDEX, CLUSTER komutları kullanıldığında değişir.

sampledb=# TRUNCATE sampletbl;
TRUNCATE TABLE

sampledb=# SELECT relname, oid, relfilenode FROM pg_class WHERE relname = 'sampletbl';
  relname  |  oid  | relfilenode
-----------+-------+-------------
 sampletbl | 18740 |       18812 
(1 row)

Tablo ve indeks dosyalarının boyutu 1 GB’i aştığında PostgreSQL sırayla relfilenode[değeri].1, relfilenode[değeri].2 isminde yeni dosyalar oluşturur. Dosya boyutu 1 GB’yi aştığı her durumda bu şekilde devam eder. 1 GB dosya boyutu için varsayılan değerdir, konfigrasyon dosyasındaki --with-segsize seçeneğiyle PostgreSQL build edilirken değiştirilebilir.

Veritabanı alt dizinlerinde her tablonun sırasıyla _fsm (free space map) ve _vm (visibility map) ile sonlandırılmış iki ilişkili dosya vardır. Bunlar tablonun her bir page’indeki boş alan kapasitesi ve görünürlük bilgilerini depolar. _fsm tablo/indeks’in data dosyasının ilk fork’u,_vm ise tablo data dosyasının ikinci forkudur. Data dosyasının fork numarası 0’dır. İndeksler yalnızca ‘_fsm’ dosyalarına sahiptir, ‘_vm’ dosyaları bulunmaz.

Tablespace

Postgres 8.0 ile birlikte gelen tablespace özelliği, data directory dışında bir veri alanını ifade eder. Tablespace’in iç yapısını ve data directory ile olan ilişkisi şekil 3’te verilmiştir.

CREATE TABLESPACE komutu belirtilen dizin altında bir tablespace ve bu dizinin altında sürüme özgü PG_'Major version'_'Catalogue version number' formatında bir alt dizin oluşturur. (ör. PG_13_202009051). Tablespace kurulum ve kullanımı için Tablespace Kavramı ve Kullanımı sayfasına bakınız.

Heap Table Dosyasının İç Düzeni

Data dosyalarının (heap table, indeks, free space map, visibility map) içi default 8192 baytlık (8 KB) page(block)‘ler şeklinde bölünmüştür. Data dosyası içindeki page’ler 0’dan başlanarak sıralı şekilde numaralandırılır. Bu numaralara block numbers denilir. Eğer dosya doldurulmuşsa PostgreSQL, dosyanın sonuna yeni boş bir page ekler.

Page’lerin iç düzeni data dosyası türlerine göre değişir. Tablo için düzen şekil 4’te verilmiştir.

Tabloların data dosyası içindeki her bir page; heap tuple(s), line pointer(s) ve header data olmak üzere üç tür veri içerir:

• pd_lsn: 8-byte unsigned integer tipindeki bu değişken, page’de yapılan son değişikliğin XLOG kaydının LSN’ini saklar
• pd_checksum: Bu değişken, page’in checksum değerini tutar. (9.3 ve daha sonraki sürümlerde desteklenir.)
• pd_lower, pd_upper: pd_lower, line pointer’ın sonunu; pd_upper en yeni heap tuple’ın başını işaret eder.  
• pd_special: İndeksler için olan bu değişken; tablolar içindeki page’lerin sonunu işaret ederken, indexler içindeki page’lerin ise B-Tree, GiST, GiN, vb. indeks türlerine göre belirli verileri içeren özel alanın başlangıcını işaret eder.

Line pointer’ın bitişi ve en yeni tuple’ın başlangıcı arasındaki boşluğa free space(hole) denir.

Tablo içinde bir tuple’ı belirtmek için tuple identifier (TID) kullanılır. TID, ilgili page’i içeren block number ve line pointer‘ı işaret eden offset number‘dan oluşur. İndeksler en tipik kullanım alanıdır.

Tuple Yazma ve Okuma Yöntemleri

Heap Tuple Yazma

Elimizde yalnızca bir heap tuple içeren ve bir page’den oluşan bir tablo olduğunu varsayalım. Burada page’in pd_lower değeri ilk line pointer’ı ve bu line pointer ile pd_upper değeride ise heap tuple’ı gösterir. Şekil 5 (a).

İkinci tuple geldiğinde, birinciden sonraki kısma yerleşir ve ikinci line pointer gelen tuple’ı işaret eder. pd_lower ikinci line pointer’ı ve pd_upper ikinci heap tuple’ı gösterecek şekilde değişir. Şekil 5 (b). Page’deki header verileri de (pd_lsn, pg_checksum, pg_flag) uygun değerlerle değiştirilir.

Heap Tuple Okuma

En tipik erişim metodu olan sequential scan ve B-tree index scan’i özetleyecek olursak:

• Sequential scan: Herbir page’deki tuple’lar, line pointer aracılığı ile sırayla taranarak okunur. Şekil 6(a).
• B-tree index scan: İndeks dosyaları; index key ve hedef heap tuple’ı işaret eden TID’den oluşan index tuple‘larından oluşur. Aranan key’i tutan index tuple bulunursa, postgres elde edilen TID değerini kullanarak istenen heap tuple’ı okur. Örneğin Şekil 6(b)’de, bulunan index tuple’ın TID değeri block=7, Offset=2 dir. Bunun anlamı aranan heap tuple’ın tablonun 7. sayfasındaki 2. tuple olduğudur. PostgreSQL bu şekilde sayfalarda gereksiz tarama yapmadan istenen heap tuple’ı okur.

Kaynak:

[1]. The Internals of PostgreSQL

[2]. Introduction to PostgreSQL physical storage

[3]. PostgreSQL Architecture