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wal日志格式

• wal 日志是由多个固定的段组成，每个段都是单独的wal日志文件。日志文件内部划分类型的page,每个page是有page header(页面头)和 log record(日志记录)组成，每个page默认是8K大小。page中的header分为两类，日志文件中第一个page的header记录了日志文件长度，和page大小，这个是由XLogLongPageHeaderData来描述。日志文件其他类型的page header则是使用XLogPageHeaderData描述，它包含了日志对应版本和时间线信息.

// 日志的版本信息
#define XLOG_PAGE_MAGIC 0xD10D 

typedef uint64 XLogRecPtr;
typedef struct XLogPageHeaderData
{
	// 校验当前事务的版本信息
	uint16		xlp_magic;		
	// 事务中的一些flag信息
	uint16		xlp_info;		
	// 当前页中第一条记录的时间线信息
	TimeLineID	xlp_tli;		
	// 当前日主记录的地址
	XLogRecPtr	xlp_pageaddr;	
	// 日志记录跨页面保存时候使用，保存日志长度
	uint32		xlp_rem_len;	
} XLogPageHeaderData;

typedef struct XLogLongPageHeaderData
{
	// 标准的page header
	XLogPageHeaderData std;		
	// pg_control中的系统标识ID
	uint64		xlp_sysid;		
	// 段大小
	uint32		xlp_seg_size;	
	uint32		xlp_xlog_blcksz;
} XLogLongPageHeaderData;

• XLogRecord 日志是每条日志中的日志数据的表达形式，日志是记录整个数据库每一次变更的动作。wal日志从实现的角度分析,wal日志page中存储page header和log record。每个page header都存储在每个page的头部，紧接着头部后面都是存储log record的数据。

typedef struct XLogRecord
{
	// 日志记录的长度
	uint32		xl_tot_len;		
	// 事务的ID
	TransactionId xl_xid;		
	// 上一条redord的指针
	XLogRecPtr	xl_prev;		
	uint8		xl_info;		
	// 日志对应的resource manager的ID
	RmgrId		xl_rmid;	

	// 日志数据的crc的数据校验
	pg_crc32c	xl_crc;			/* CRC for this record */

	/* XLogRecordBlockHeaders and XLogRecordDataHeader follow, no padding */

} XLogRecord;

wal日志系统初始化

• 每次变更事务提交时候,需要将变更事务日志落盘，在PG中为了提高性能，并非采用实时flush到磁盘,而是在PG中提供XLog Buffer空间临时存储提交的事务日志，然后定期flush到磁盘。XLog Buffer的大小是有参数wal_buffers设定，当这个参数设置为-1时候，PG会根据shared_buffers和wal_segment_size参数自动计算而得到。

• 日志系统初始化流程,流程是从main开始，计算需要共享的内存大小，然后通过XLOGShmemInit调用XLOGShmemSize进行初始化Log需要的内存和Log控制信息结构初始化。Log子系统中比较核心的控制字段有struct XLogCtlData和struct XLogCtlInsert,其中XLogCtlData结构中存储了当前WAL的写入状态、flush状态以及Buffer Page的状态信息；XLogCtlInsert结构存储往WAL日志中写入log record需要各种结构

int main(int argc, char *argv[])
{
#ifdef EXEC_BACKEND
	if (argc > 1 && strncmp(argv[1], "--fork", 6) == 0)
		SubPostmasterMain(argc, argv);	/* does not return */
#endif
}
void SubPostmasterMain(int argc, char *argv[])
{
	CreateSharedMemoryAndSemaphores();
}
void CreateSharedMemoryAndSemaphores(void)
{
	XLOGShmemInit()
}
void XLOGShmemInit(void)
{
		XLogCtl = (XLogCtlData *)
		ShmemInitStruct("XLOG Ctl", XLOGShmemSize(), &foundXLog);
}


	{
		{"wal_buffers", PGC_POSTMASTER, WAL_SETTINGS,
			gettext_noop("Sets the number of disk-page buffers in shared memory for WAL."),
			NULL,
			GUC_UNIT_XBLOCKS
		},
		&XLOGbuffers,
		-1, -1, (INT_MAX / XLOG_BLCKSZ),
		check_wal_buffers, NULL, NULL
	},

// 初始胡Log系统的内部数据结构和Log的共享内存
Size XLOGShmemSize(void)
{
	Size		size;

	// 如果XLOGbuffers=-1，则表示没有设置log_buffer大小，则需要自动计算出一个合理的值。
	// XLOGChooseNumBuffers 逻辑，初始化一个val=1000/32,如果val <8，val=8;如果val > (16*1024*1024)/xlog块大小，则val = (16*1024*1024)/xlog块大小,返回val作为计算出来的XLOGBuffer的大小
	if (XLOGbuffers == -1)
	{
		char		buf[32];

		snprintf(buf, sizeof(buf), "%d", XLOGChooseNumBuffers());
		SetConfigOption("wal_buffers", buf, PGC_POSTMASTER, PGC_S_OVERRIDE);
	}
	Assert(XLOGbuffers > 0);

	/* xlog的控制头，也是共享信息 */
	size = sizeof(XLogCtlData);

	// 日志插入时需要的共享锁需要的空间大小 
	size = add_size(size, mul_size(sizeof(WALInsertLockPadded), NUM_XLOGINSERT_LOCKS + 1));
	// 日志文件块起始lsn需要的空间大小 
	size = add_size(size, mul_size(sizeof(XLogRecPtr), XLOGbuffers));
	// log buffer io的空间大小 
	size = add_size(size, XLOG_BLCKSZ);
	// XLOGBuffers大小，xlog块大小 和XLOGbuffers 乘机
	size = add_size(size, mul_size(XLOG_BLCKSZ, XLOGbuffers));


	return size;
}

wal日志写入

-PostgreSQL高版本中(>9.5)事务的日志不是直接写入到Wal Buffer中，而是先组成XLogRecData链表，然后在转换为一个log record.PG中默认定义了XLogRecData链表数组XLogRecData *rdatas，这个数组长度由XLR_NORMAL_RDATAS=20.另外日志写入中定义了registered_buffer *registered_buffers，用来注册已经被修改的page,数组中每个元素都占用一个槽位。

// 日志链表的数组的定义
static XLogRecData *rdatas;
// 当前已经使用的数组下标
static int	num_rdatas;	
// 最大的数组下标
static int	max_rdatas;		

typedef struct XLogRecData
{
	// 下一个日志data的指针
	struct XLogRecData *next;	
	// 日志数据
	char	   *data;			
	// 数据长度
	uint32		len;			
} XLogRecData;


// 当页面被修改buffer page会被注册到registered_buffers数组
static registered_buffer *registered_buffers;
// registered_buffers最大长度
static int	max_registered_buffers;
// 起始长度
static int	max_registered_block_id = 0;	

typedef struct
{
	//  槽位使用标志
	bool		in_use;			
	// 和buffer page相关的flag信息
	uint8		flags;			
	// buffer page对应的那个表
	RelFileNode rnode;			
	ForkNumber	forkno;
	BlockNumber block;
	// buffer page的指针
	Page		page;			
	// XLogRegisterBufData注册的长度
	uint32		rdata_len;		
	// XLogRegisterBufData注册数据到这个链表
	XLogRecData *rdata_head;	
	// XLogRegisterBufData注册数据到链表尾部
	XLogRecData *rdata_tail;	

	XLogRecData bkp_rdatas[2];	/* temporary rdatas used to hold references to
								 * backup block data in XLogRecordAssemble() */

	// 压缩page的使用临时空间
	char		compressed_page[PGLZ_MAX_BLCKSZ];
} registered_buffer;

• 日志首先是写入日志前的检查，组装日志相关数据，这个阶段日志相关的数据写入到链表，最后根据链表中的日志相关数据转换wal 日志物理条目，通过申请预留wal_buffer空间和日志数据复制来完成wal的写入。接下来以heap_insert函数中为例，简要分析下其过程

void
heap_insert(Relation relation, HeapTuple tup, CommandId cid,
			int options, BulkInsertState bistate)
{
	/* XLOG stuff */
	if (RelationNeedsWAL(relation))
	{
		// 写入日志前的准备
		XLogBeginInsert();
		
		// 注册生成日志相关的数据
		XLogRegisterData((char *) &xlrec, SizeOfHeapInsert);

		xlhdr.t_infomask2 = heaptup->t_data->t_infomask2;
		xlhdr.t_infomask = heaptup->t_data->t_infomask;
		xlhdr.t_hoff = heaptup->t_data->t_hoff;

		//注册一个buffer,占用了0号槽位buffer
		XLogRegisterBuffer(0, buffer, REGBUF_STANDARD | bufflags);
		
		// 在0号槽位的buffer注册相关的数据
		XLogRegisterBufData(0, (char *) &xlhdr, SizeOfHeapHeader);
		XLogRegisterBufData(0,
							(char *) heaptup->t_data + SizeofHeapTupleHeader,
							heaptup->t_len - SizeofHeapTupleHeader);

		XLogSetRecordFlags(XLOG_INCLUDE_ORIGIN);
		
		// 执行日志插入
		recptr = XLogInsert(RM_HEAP_ID, info);
		// 设置page的LSN
		PageSetLSN(page, recptr);
	}
}

针对机械磁盘一般是512个字节的扇区，而os的一般数据block为4K，PG的数据库的每次数据写入是page是8K。这三者的大小完全不对等，所以PG的Page刷新到磁盘并不是原子操作，因此一个Page写入到磁盘很可能是写了一部分，这会导致Page损坏。不同的数据都有对应的解决方案，MSQL是double write机制保证；PG则是Full Page Write.如果在数据更新的某个Page时，这个Page最近修改的LSN小于全局Checkpoint Lsn，修改之前会把这个Page全部写到Wal日志中，然后进行修改操作；PG是默认是通过参数full_page_writes参数来禁用或者启用Full Page Write机制。