PostgreSQL 表空间使用详解

2022年03月26日 计算机

PostgreSQL 的表空间允许在文件系统中定义数据库对象存储的位置。实际上就是为表、序列和索引等数据库对象的数据文件的存储指定了一个目录。

PostgreSQL 使用操作系统的文件系统进行存储。这与 Oracle 有点不同，后者实现了自己的“文件系统”。

PostgreSQL 中，一个表空间可供多个数据库使用；而一个数据库可以使用多个表空间，属“多对多”的关系。而在 Oracle 中，一个表空间只可供一个数据库使用；而一个数据库可以拥有多个表空间，属“一对多”的关系。

1 何时使用表空间？

  • 控制磁盘布局

    因数据的不断增长，原有文件系统快满了，又因某些原因无法得到扩展。这时，即可在挂载的其它文件系统上创建新的表空间，并将现有对象移动到新的表空间上。

  • 优化性能

    表空间允许管理员根据数据库对象的使用模式来优化性能。如，可以使用表空间将使用频率高的索引或表的数据存储在一个 IOPS 更高的磁盘（如一种昂贵的固态设备）上；而将使用频率低或对性能要求不高的表的数据存储在价格低或慢一些的磁盘上。

一句话概括，即使用表空间可以合理利用磁盘的性能和空间，从而以最优的物理存储方式来管理数据库对象。

2 默认表空间

从前文在 CentOS 上以源码安装 PostgreSQL知道，PostgreSQL 初始化时需要指定一个数据目录（$PGDATA），命令如下：

$ initdb -D /usr/local/pgsql/data

初始化完成后，该目录下会包含 PostgreSQL 要启动时的所有东西（配置文件、数据文件和消息队列等）。

PostgreSQL 启动后，所有数据库对象的数据文件都是在该文件夹下存储的。

$ pg_ctl -D /usr/local/pgsql/data -l server.log start

该文件夹下的内容如下：

$ ls -lht /usr/local/pgsql/data

total 124K
drwx------ 2 postgres postgres 4.0K Mar 28 09:00 pg_stat_tmp
drwx------ 4 postgres postgres 4.0K Mar  8 17:52 pg_logical
drwx------ 2 postgres postgres 4.0K Mar  8 17:48 global
drwx------ 2 postgres postgres 4.0K Mar  8 17:47 pg_stat
-rw------- 1 postgres postgres   87 Mar  8 17:47 postmaster.pid
-rw------- 1 postgres postgres   59 Mar  8 17:47 postmaster.opts
drwx------ 6 postgres postgres 4.0K May 13  2021 base
drwx------ 2 postgres postgres 4.0K May 13  2021 pg_subtrans
drwx------ 3 postgres postgres 4.0K May 13  2021 pg_wal
drwx------ 2 postgres postgres 4.0K May 13  2021 pg_xact
-rw------- 1 postgres postgres 1.6K May 13  2021 pg_ident.conf
-rw------- 1 postgres postgres 4.7K May 13  2021 pg_hba.conf
-rw------- 1 postgres postgres   88 May 13  2021 postgresql.auto.conf
-rw------- 1 postgres postgres  28K May 13  2021 postgresql.conf
drwx------ 2 postgres postgres 4.0K May 13  2021 pg_dynshmem
drwx------ 4 postgres postgres 4.0K May 13  2021 pg_multixact
drwx------ 2 postgres postgres 4.0K May 13  2021 pg_notify
drwx------ 2 postgres postgres 4.0K May 13  2021 pg_replslot
drwx------ 2 postgres postgres 4.0K May 13  2021 pg_serial
drwx------ 2 postgres postgres 4.0K May 13  2021 pg_snapshots
drwx------ 2 postgres postgres 4.0K May 13  2021 pg_tblspc
drwx------ 2 postgres postgres 4.0K May 13  2021 pg_twophase
-rw------- 1 postgres postgres    3 May 13  2021 PG_VERSION
drwx------ 2 postgres postgres 4.0K May 13  2021 pg_commit_ts

而简短一点说，表空间即是告诉 PostgreSQL 服务器数据库对象物理文件存储位置的一种方式。

在psql中使用\db+命令即可列出表空间的详情：

postgres=# \db+
                                  List of tablespaces
    Name    |  Owner   | Location | Access privileges | Options |  Size  | Description
------------+----------+----------+-------------------+---------+--------+-------------
 pg_default | postgres |          |                   |         | 31 MB  |
 pg_global  | postgres |          |                   |         | 559 kB |
(2 rows)

这两个表空间（pg_default与pg_global）是在 PostgreSQL 初始化后自动创建的。pg_default是template0与template1数据库的默认表空间（因此，也将是其它数据库的默认表空间）；pg_global是共享系统目录表（pg_database、pg_authid、pg_tablespace、pg_shdepend等）及其索引的表空间。

我们注意到，上面的信息没有 Location。这是因为它们总是对应 PostgreSQL 数据目录（$PGDATA）下的两个子目录：pg_default使用base子目录，pg_global使用global子目录。

3 使用表空间

3.1 创建表空间

要创建一个新的表空间，需要提前创建一个新的空文件夹（注意不要在 PostgreSQL 数据文件夹$PGDATA下创建），且该文件夹的所有者须是postgres系统用户。示例如下：

$ mkdir -p /data/postgres/testspace
$ chown -R postgres:postgres /data/postgres/testspace

超级用户（superuser）可使用CREATE TABLESPACE命令来创建一个表空间。示例如下：

$ psql -U postgres postgres

postgres=# CREATE TABLESPACE myspace LOCATION '/data/postgres/testspace';

这时，查阅$PGDATA/pg_tblspc目录，即可看到一个符号链接指向了新建表空间对应文件夹的位置（数字24577是表空间的 OID）：

$ ls -lht /usr/local/pgsql/data/pg_tblspc/

lrwxrwxrwx 1 postgres postgres 24 Mar 28 15:17 24577 -> /data/postgres/testspace

要想让普通用户使用新建的表空间，须为普通用户赋予该表空间的CREATE权限。下面示例演示为普通用户testuser赋权限：

postgres=# GRANT CREATE ON TABLESPACE myspace TO testuser;

随后，使用表空间myspace的所有对象都会将数据存储在该文件夹（/data/postgres/testspace）下。

下面示例演示使用普通用户testuser连接到数据库postgres，建表并为其指定表空间myspace：

$ psql -U testuser postgres

postgres=> CREATE TABLE foo(id int) TABLESPACE myspace;

除了为表指定表空间外，还可以为索引或数据库指定表空间。示例如下：

postgres=> CREATE INDEX foo_idx ON foo(id) TABLESPACE myspace;

postgres=# CREATE DATABASE testdb TABLESPACE myspace;

3.2 更改表空间

使用对应的ALTER语句，可将现有数据库对象由一个表空间移动到另一个表空间。

下面示例演示使用ALTER TABLE和ALTER INDEX为表和索引指定新的表空间：

postgres=> ALTER TABLE foo SET TABLESPACE pg_default;
postgres=> ALTER INDEX foo_idx SET TABLESPACE pg_default;

也可以使用如下语句将一个表空间中的所有表或索引移至另一个表空间：

postgres=> ALTER TABLE ALL IN TABLESPACE myspace SET TABLESPACE pg_default;
postgres=> ALTER INDEX ALL IN TABLESPACE myspace SET TABLESPACE pg_default;

当重新指定表空间时，受影响的表或索引会被锁定，直至数据移动完成。

3.3 更新表空间属性

根据上述表空间使用场景，表空间常见用途是将表或索引移动到更快（IOPS 更高）的文件系统上。这时，就需要告知 PostgreSQL 查询规划器新的表空间到底有多快，这样即可使其更好的评估查询性能。

若您测评发现新的表空间的顺序访问及随机访问速度是之前的两倍，则可使用如下语句更新表空间属性：

ALTER TABLESPACE myspace SET (seq_page_cost=0.5, random_page_cost=0.5);

有关这两个参数的详情，请参阅文档seq_page_cost 及random_page_cost。

3.4 临时表空间

PostgreSQL 允许使用temp_tablespaces参数来指定临时表空间（可使用逗号分隔，指定多个表空间）。临时表空间用于定义临时表、临时索引以及大型 SQL（大型数据集的排序或聚合等）可能产生的临时文件的存储位置。PostgreSQL 每次创建这些临时对象时，即会从指定的表空间列表随机获取并使用。临时表空间参数未指定时，会使用默认表空间pg_default。

下面演示如何指定临时表空间。

首先，创建两个空文件夹，并将所有者设定为postgres：

$ mkdir /data/postgres/tempspace1
$ mkdir /data/postgres/tempspace2
$ chown -R postgres:postgres /data/postgres/tempspace1
$ chown -R postgres:postgres /data/postgres/tempspace2

使用superuser新建两个表空间，位置对应刚刚建好的两个文件夹；并为普通用户testuser赋这两个表空间的CREATE权限：

$ psql -U postgres postgres

postgres=# CREATE TABLESPACE tempspace1 LOCATION '/data/postgres/tempspace1';
postgres=# CREATE TABLESPACE tempspace2 LOCATION '/data/postgres/tempspace2';

postgres=# GRANT CREATE ON TABLESPACE tempspace1 TO testuser;
postgres=# GRANT CREATE ON TABLESPACE tempspace2 TO testuser;

使用普通用户登录，将temp_tablespaces变量设置为tempspace1, tempspace2：

$ psql -U testuser postgres

postgres=> SET temp_tablespaces = tempspace1, tempspace2;
postgres=> SHOW temp_tablespaces;
    temp_tablespaces
------------------------
 tempspace1, tempspace2
(1 row)

这样，即可使用了。需要注意的是，该种设置方式只在当前会话生效。若要永久生效，需要更改系统配置（postgresql.conf）。

3.5 删除表空间

表空间一旦创建，只要用户有权限，即可供任意数据库使用。要想删除表空间，须先将使用该表空间的数据库对象全部移除。

这样，即可使用DROP TABLESPACE命令来删除一个空表空间了：

$ psql -U postgres postgres
postgres=# DROP TABLESPACE myspace;

4 表空间相关的系统表

除了上面使用过的在 psql 使用\db+命令外，PostgreSQL 还有一些与表空间相关的系统目录或系统表。

查看已创建的表空间：

SELECT * FROM pg_tablespace;

-- 表空间名及目录位置
SELECT spcname, pg_tablespace_location(oid) FROM pg_tablespace;

查看某个表空间被哪些表或索引使用：

SELECT
    c.relname
FROM
    pg_class      c,
    pg_tablespace t
WHERE
    c.reltablespace = t.oid
AND t.spcname='myspace';

SELECT * FROM pg_tables WHERE tablespace='myspace';
SELECT * FROM pg_indexes WHERE tablespace='myspace';

综上，完成了对 PostgreSQL 表空间使用场景及使用方式的总结。

参考资料

[1] PostgreSQL: Documentation: 14: 23.6. Tablespaces

[2] All About Tablespaces in PostgreSQL

[3] When to use tablespaces in PostgreSQL

[4] How can I tell what is in a Postgresql tablespace?

[5] PostgreSQL 的表空间

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