八月 16, 2024
摘要：在本教程中，您将学习如何让数据页面容纳更多元组。
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介绍
当数据自然对齐时，CPU 可以高效地执行对内存的读取和写入。因此，PostgreSQL 中的每种数据类型都有特定的对齐要求。当多个属性连续存储在元组中时，会在属性之前填充内容，以便它从所需的对齐边界开始。更好地了解这些对齐要求，可能有助于最大程度地减少在磁盘上存储元组时所需的填充量，从而节省磁盘空间。
Postgres 中的数据类型分为以下几类：
- 按值传递，固定长度：按值传递到 Postgres 内部例程，并具有固定长度的数据类型，属于此类别。长度可以是 1、2 或 4（在 64 位系统上还可以为 8）字节。
- 按引用传递，固定长度：对于这些数据类型，内存中堆页面中的地址引用，将发送到内部 Postgres 例程。它们也有固定的长度。
- 按引用传递，可变长度：对于可变长度数据类型，Postgres 会在实际数据之前预置一个 varlena 结构的头部。它存储了一些关于数据如何实际存储在磁盘上的信息（未压缩，已压缩或 TOAST），以及数据的实际长度。对于 TOAST 属性，实际数据存储在一个单独的关系中。在这些情况下，varlena 头部后面会有关于数据在其相应 TOAST 关系中的实际位置的一些信息。
数据类型的对齐
通常，varlena 头部的磁盘大小为 1 个字节。但是，如果无法对数据进行 TOAST，并且未压缩数据的大小超过 126 个字节，则它会使用 4 字节的头部。例如：
CREATE TABLE t1 (
a varchar
);
insert into t1 values(repeat('a',126));
insert into t1 values(repeat('a',127));
select pg_column_size(a) from t1;
pg_column_size
---------------------
127
131
此外，具有 4 字节 varlena 头部的属性，需要与 4 字节对齐的内存位置对齐。它可能会浪费多达 3 个字节的额外填充空间。因此，对这样的列进行一些谨慎的长度限制，可能会节省空间。
- 按引用传递，可变长度（cstring，unknown）：最后，有两种数据类型，即 ctring 和 unknown，它们是字符串文字。它们可以从任何 1 字节对齐的边界进行存储。此外，它们不需要任何 varlena 头部。
您可以使用下面的查询，检查每种类型的对齐要求，其中 typname 是数据类型的名称；如果数据类型是按值传递来访问的，则 typbyval 为 true，否则为 false；typlen 是数据类型的实际长度，但是对于可变长度的数据类型，它的值为 < 0（对于 cstring 和 unknown，为 -2，否则为 -1）；typalign 是数据类型所需的对齐。
select typname,typbyval,typlen,typalign from pg_type;
减少列的填充空间
在检查每种数据类型的对齐要求后，您可以通过以有利于对齐的方式放置它们，来减少填充空间。例如，下面的表结构浪费了大量磁盘空间进行填充：
CREATE TABLE t1 (
a char,
b int2, -- 1 byte of padding after a
c char,
d int4, -- 3 bytes of padding after c
e char,
f int8 -- 7 bytes of padding after e
);
如果将列重新排序为 double 对齐列在前，int 对齐列，short 对齐列和 char 对齐列在后，则每个元组可以节省 (1+3+7)=11 个字节的空间。
CREATE TABLE t1 (
f int8,
d int4,
b int2,
a char,
c char,
e char
);
在元组属性之前，会存储一个固定大小的 23 字节元组头部，后跟一个可选的空值位图和一个可选的对象 ID。属性始终从 MAXALIGN 长的边界开始 - 在 64 位操作系统上通常为 8 个字节（在 32 位操作系统上为 4 个字节）。因此，最小元组头部的有效大小为 24 个字节（23 个字节的头部 + 1 个字节的填充）。当空值位图存在时，它会占用足够的字节，使每个数据列有一个位。在空值位的列表中，1 位表示非空，0 位表示为空。当位图不存在时，假定所有列都为非空。例如：
SELECT pg_column_size(row(NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL));
pg_column_size
----------------
24
这包括 23 字节固定大小的元组头部和由 8 位组成的空值位图。现在，如果我们将列数增加到 9 个，则它包括 23 字节固定大小的元组头、一个由 16 位和 7 个字节填充组成的空值位图。
SELECT pg_column_size(row(NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL));
pg_column_size
----------------
32
在由数百万行组成的关系中，为每个元组节省几个字节，可能会节省出大量的存储空间。此外，如果我们可以在数据页中容纳更多的元组，则只需要较少的 I/O 活动，从而提高访问性能。