postgresql流复制原理以及流复制和逻辑复制的区别说明

流复制的原理：

物理复制也叫流复制，流复制的原理是主库把WAL发送给备库，备库接收WAL后，进行重放。

逻辑复制的原理：

逻辑复制也是基于WAL文件，在逻辑复制中把主库称为源端库，备库称为目标端数据库，源端数据库根据预先指定好的逻辑解析规则对WAL文件进行解析，把DML操作解析成一定的逻辑变化信息（标准SQL语句），源端数据库把标准SQL语句发给目标端数据库，目标端数据库接收到之后进行应用，从而实现数据同步。

流复制和逻辑复制的区别：

流复制主库上的事务提交不需要等待备库接收到WAL文件后的确认，逻辑复制相反。

流复制要求主备库的大版本一致，逻辑复制可以跨大版本的数据同步，也可以实现异构数据库的数据同步。

流复制的主库可读写，从库只允许读，逻辑复制的目标端数据库要求可读写

流复制是对实例级别的复制（整个postgresql数据库），逻辑复制是选择性的复制一些表，所以是对表级别的复制。

流复制有主库的DDL、DML操作，逻辑复制只有DML操作。

补充：PostgreSQL 同步流复制原理和代码浅析

背景

数据库ACID中的持久化如何实现

数据库ACID里面的D，持久化。 指的是对于用户来说提交的事务，数据是可靠的，即使数据库crash了，在硬件完好的情况下，也能恢复回来。

PostgreSQL是怎么做到的呢，看一幅图，画得比较丑，凑合看吧。

假设一个事务，对数据库做了一些操作，并且产生了一些脏数据，首先这些脏数据会在数据库的shared buffer中。

同时，产生这些脏数据的同时也会产生对应的redo信息，产生的REDO会有对应的LSN号（你可以理解为REDO 的虚拟地址空间的一个唯一的OFFSET，每一笔REDO都有），这个LSN号也会记录到shared buffer中对应的脏页中。

walwriter是负责将wal buffer flush到持久化设备的进程，同时它会更新一个全局变量，记录已经flush的最大的LSN号。

bgwriter是负责将shared buffer的脏页持久化到持久化设备的进程，它在flush时，除了要遵循LRU算法之外，还要通过LSN全局变量的比对，来保证脏页对应的REDO记录已经flush到持久化设备了，如果发现还对应的REDO没有持久化，会触发WAL writer去flush wal buffer。 (即确保日志比脏数据先落盘)

当用户提交事务时，也会产生一笔提交事务的REDO，这笔REDO也携带了LSN号。backend process 同样需要等待对应LSN flush到磁盘后才会返回给用户提交成功的信号。(保证日志先落盘，然后返回给用户)

数据库同步复制原理浅析

同步流复制，即保证standby节点和本地节点的日志双双落盘。

PostgreSQL使用另一组全局变量，记录同步流复制节点已经接收到的XLOG LSN，以及已经持久化的XLOG LSN。

用户在发起提交请求后，backend process除了要判断本地wal有没有持久化，同时还需要判断同步流复制节点的XLOG有没有接收到或持久化（通过synchronous_commit参数控制）。

如果同步流复制节点的XLOG还没有接收或持久化，backend process会进入等待状态。

数据库同步复制代码浅析

对应的代码和解释如下：

CommitTransaction @ src/backend/access/transam/xact.c
RecordTransactionCommit @ src/backend/access/transam/xact.c 

  /*
   * If we didn't create XLOG entries, we're done here; otherwise we
   * should trigger flushing those entries the same as a commit record
   * would. This will primarily happen for HOT pruning and the like; we
   * want these to be flushed to disk in due time.
   */
  if (!wrote_xlog) // 没有产生redo的事务，直接返回
   goto cleanup; 

 if (wrote_xlog && markXidCommitted) // 如果产生了redo, 等待同步流复制
  SyncRepWaitForLSN(XactLastRecEnd);

SyncRepWaitForLSN @ src/backend/replication/syncrep.c

/*
 * Wait for synchronous replication, if requested by user.
 *
 * Initially backends start in state SYNC_REP_NOT_WAITING and then
 * change that state to SYNC_REP_WAITING before adding ourselves
 * to the wait queue. During SyncRepWakeQueue() a WALSender changes
 * the state to SYNC_REP_WAIT_COMPLETE once replication is confirmed.
 * This backend then resets its state to SYNC_REP_NOT_WAITING.
 */
void
SyncRepWaitForLSN(XLogRecPtr XactCommitLSN)
{
...
 /*
  * Fast exit if user has not requested sync replication, or there are no
  * sync replication standby names defined. Note that those standbys don't
  * need to be connected.
  */
 if (!SyncRepRequested() || !SyncStandbysDefined()) // 如果不是同步事务或者没有定义同步流复制节点，直接返回
  return;
...
 /*
  * We don't wait for sync rep if WalSndCtl->sync_standbys_defined is not
  * set. See SyncRepUpdateSyncStandbysDefined.
  *
  * Also check that the standby hasn't already replied. Unlikely race
  * condition but we'll be fetching that cache line anyway so it's likely
  * to be a low cost check.
  */
 if (!WalSndCtl->sync_standbys_defined ||
  XactCommitLSN <= WalSndCtl->lsn[mode]) // 如果没有定义同步流复制节点，或者判断到commit lsn小于已同步的LSN，说明XLOG已经flush了，直接返回。
 {
  LWLockRelease(SyncRepLock);
  return;
 }
... 

// 进入循环等待状态，说明本地的xlog已经flush了，只是等待同步流复制节点的REDO同步状态。
 /*
  * Wait for specified LSN to be confirmed.
  *
  * Each proc has its own wait latch, so we perform a normal latch
  * check/wait loop here.
  */
 for (;;) // 进入等待状态，检查latch是否满足释放等待的条件（wal sender会根据REDO的同步情况，实时更新对应的latch）
 {
  int   syncRepState; 

  /* Must reset the latch before testing state. */
  ResetLatch(&MyProc->procLatch); 

  syncRepState = MyProc->syncRepState;
  if (syncRepState == SYNC_REP_WAITING)
  {
   LWLockAcquire(SyncRepLock, LW_SHARED);
   syncRepState = MyProc->syncRepState;
   LWLockRelease(SyncRepLock);
  }
  if (syncRepState == SYNC_REP_WAIT_COMPLETE) // 说明XLOG同步完成，退出等待
   break; 

// 如果本地进程挂了，输出的消息内容是，本地事务信息已持久化，但是远程也许还没有持久化
  if (ProcDiePending)
  {
   ereport(WARNING,
     (errcode(ERRCODE_ADMIN_SHUTDOWN),
      errmsg("canceling the wait for synchronous replication and terminating connection due to administrator command"),
      errdetail("The transaction has already committed locally, but might not have been replicated to the standby.")));
   whereToSendOutput = DestNone;
   SyncRepCancelWait();
   break;
  } 

// 如果用户主动cancel query，输出的消息内容是，本地事务信息已持久化，但是远程也许还没有持久化
  if (QueryCancelPending)
  {
   QueryCancelPending = false;
   ereport(WARNING,
     (errmsg("canceling wait for synchronous replication due to user request"),
      errdetail("The transaction has already committed locally, but might not have been replicated to the standby.")));
   SyncRepCancelWait();
   break;
  } 

// 如果postgres主进程挂了，进入退出流程。
  if (!PostmasterIsAlive())
  {
   ProcDiePending = true;
   whereToSendOutput = DestNone;
   SyncRepCancelWait();
   break;
  } 

// 等待wal sender来修改对应的latch
  /*
   * Wait on latch. Any condition that should wake us up will set the
   * latch, so no need for timeout.
   */
  WaitLatch(&MyProc->procLatch, WL_LATCH_SET | WL_POSTMASTER_DEATH, -1);

注意用户进入等待状态后，只有主动cancel , 或者kill(terminate) , 或者主进程die才能退出无限的等待状态。后面会讲到如何将同步级别降级为异步。

前面提到了，用户端需要等待LATCH的释放信号。

那么谁来给它这个信号了，是wal sender进程，源码和解释如下 :

src/backend/replication/walsender.c

StartReplication 

WalSndLoop 

ProcessRepliesIfAny 

ProcessStandbyMessage 

ProcessStandbyReplyMessage
 if (!am_cascading_walsender) // 非级联流复制节点，那么它将调用SyncRepReleaseWaiters修改backend process等待队列中它们对应的 latch。
  SyncRepReleaseWaiters();
SyncRepReleaseWaiters @ src/backend/replication/syncrep.c
/*
 * Update the LSNs on each queue based upon our latest state. This
 * implements a simple policy of first-valid-standby-releases-waiter.
 *
 * Other policies are possible, which would change what we do here and what
 * perhaps also which information we store as well.
 */
void
SyncRepReleaseWaiters(void)
{
...
  // 释放满足条件的等待队列
 /*
  * Set the lsn first so that when we wake backends they will release up to
  * this location.
  */
 if (walsndctl->lsn[SYNC_REP_WAIT_WRITE] < MyWalSnd->write)
 {
  walsndctl->lsn[SYNC_REP_WAIT_WRITE] = MyWalSnd->write;
  numwrite = SyncRepWakeQueue(false, SYNC_REP_WAIT_WRITE);
 }
 if (walsndctl->lsn[SYNC_REP_WAIT_FLUSH] < MyWalSnd->flush)
 {
  walsndctl->lsn[SYNC_REP_WAIT_FLUSH] = MyWalSnd->flush;
  numflush = SyncRepWakeQueue(false, SYNC_REP_WAIT_FLUSH);
 }
...

SyncRepWakeQueue @ src/backend/replication/syncrep.c

/*
 * Walk the specified queue from head. Set the state of any backends that
 * need to be woken, remove them from the queue, and then wake them.
 * Pass all = true to wake whole queue; otherwise, just wake up to
 * the walsender's LSN.
 *
 * Must hold SyncRepLock.
 */
static int
SyncRepWakeQueue(bool all, int mode)
{ 

...
 while (proc) // 修改对应的backend process 的latch
 {
  /*
   * Assume the queue is ordered by LSN
   */
  if (!all && walsndctl->lsn[mode] < proc->waitLSN)
   return numprocs; 

  /*
   * Move to next proc, so we can delete thisproc from the queue.
   * thisproc is valid, proc may be NULL after this.
   */
  thisproc = proc;
  proc = (PGPROC *) SHMQueueNext(&(WalSndCtl->SyncRepQueue[mode]),
          &(proc->syncRepLinks),
          offsetof(PGPROC, syncRepLinks)); 

  /*
   * Set state to complete; see SyncRepWaitForLSN() for discussion of
   * the various states.
   */
  thisproc->syncRepState = SYNC_REP_WAIT_COMPLETE; // 满足条件时，改成SYNC_REP_WAIT_COMPLETE
....

如何设置事务可靠性级别

PostgreSQL 支持在会话中设置事务的可靠性级别。

off 表示commit 时不需要等待wal 持久化。

local 表示commit 是只需要等待本地数据库的wal 持久化。

remote_write 表示commit 需要等待本地数据库的wal 持久化，同时需要等待sync standby节点wal write buffer完成(不需要持久化)。

on 表示commit 需要等待本地数据库的wal 持久化，同时需要等待sync standby节点wal持久化。

提醒一点， synchronous_commit 的任何一种设置，都不影响wal日志持久化必须先于shared buffer脏数据持久化。 所以不管你怎么设置，都不好影响数据的一致性。

synchronous_commit = off # synchronization level;
       # off, local, remote_write, or on 

如何实现同步复制降级

从前面的代码解析可以得知，如果 backend process 进入了等待循环，只接受几种信号降级。 并且降级后会告警，表示本地wal已持久化，但是sync standby节点不确定wal有没有持久化。

如果你只配置了1个standby，并且将它配置为同步流复制节点。一旦出现网络抖动，或者sync standby节点故障，将导致同步事务进入等待状态。

怎么降级呢？

方法1.

修改配置文件并重置

$ vi postgresql.conf
synchronous_commit = local
$ pg_ctl reload 

然后cancel 所有query .

postgres=# select pg_cancel_backend(pid) from pg_stat_activity where pid<>pg_backend_pid(); 

收到这样的信号，表示事务成功提交，同时表示WAL不知道有没有同步到sync standby。

WARNING: canceling wait for synchronous replication due to user request
DETAIL: The transaction has already committed locally, but might not have been replicated to the standby.
COMMIT
postgres=# show synchronous_commit ;
 synchronous_commit
--------------------
 off
(1 row) 

同时它会读到全局变量synchronous_commit 已经是 local了。

这样就完成了降级的动作。

方法2.

方法1的降级需要对已有的正在等待wal sync的pid使用cancel进行处理，有点不人性化。

可以通过修改代码的方式，做到更人性化。

SyncRepWaitForLSN for循环中，加一个判断，如果发现全局变量sync commit变成local, off了，则告警并退出。这样就不需要人为的去cancel query了.

WARNING: canceling wait for synchronous replication due to user request

DETAIL: The transaction has already committed locally, but might not have been replicated to the standby.

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持我们。如有错误或未考虑完全的地方，望不吝赐教。