PostgreSQLのアーキテクチャー概要
PostgreSQLには、用途や環境に応じて様々な構成を組み、最適なパフォーマンスで動作させられるよう、設定ファイルpostgresql.confに多くのパラメーターが存在します。そのパラメーターを正しく設定し調整を行うためには、PostgreSQLのアーキテクチャーを理解する必要があります。ここでは、押さえておきたい、PostgreSQLの基本的なアーキテクチャーについて説明します。なお、この記事で対象にしているPostgreSQLのバージョンは9.5以降です。
1. PostgreSQLの基本構成
PostgreSQLの基本的な構成について説明します。はじめに、主なプロセス、メモリー、および、ファイルについての構成図を示します。
PostgreSQLを構成する主なプロセス、メモリー、ファイルについて、その用語と概要を説明します。
リスナープロセス
クライアントからリスナープロセスへ接続要求が行われると、リスナープロセスがサーバープロセスを生成し、クライアントとのセッションを確立します。PostgreSQLではマスターサーバープロセスとも呼ばれます。
サーバープロセス
サーバープロセスは、クライアントとのセッションごとに作成されます。PostgreSQLではバックエンドプロセスとも呼ばれます。サーバープロセスは、発行されたSQLの解析と実行を行います。その際の処理用のワークバッファーとして、サーバープロセスごとに確保されたプロセスメモリーを使います。プロセスメモリーは、セッション単位に確保されるため、接続数分のメモリーを消費します。なお、テーブルやインデックスのデータ更新は、データファイルから読み込まれてキャッシュされた共有メモリー上で行います。
共有メモリー
共有メモリーには、「共有バッファー」、「WALバッファー」などの領域があります。共有バッファーには、「空き領域マップ」と「可視性マップ」も含まれます。それぞれの概要を以下に示します。
共有バッファー（shared_buffers）
ディスク上にあるテーブルやインデックスのデータを、ブロック単位で共有メモリー上にキャッシュするための領域です。データファイルは、複数の8,192バイトのブロックで構成されおり、この単位でキャッシュします（OSのシステムキャッシュを経由します）。PostgreSQLのサーバープロセスは、共有バッファー上のテーブルやインデックスのデータにアクセスすることで、ディスクI/Oを削減しパフォーマンスを向上させます。共有バッファーに読み込まれたブロックは、「ページ」と呼びます。なお、各種技術文書では、「ページ」のことを「ブロック」や「バッファー」と表現されることもあります。
WALバッファー（wal_buffers）
PostgreSQLに更新要求があると、トランザクションの更新ログである先行書き込みログ（WAL：Write Ahead Logging）をWALバッファーに書き込みます。その後、トランザクションがコミットされたとき、あるいは、書き込むべきWALの量がWALバッファーのサイズを超えたときに、WALバッファー内のレコードをトランザクションログ（WAL）ファイルに書き出します。
空き領域マップ
テーブルデータのブロック単位に、レコード（タプル、行とも言います）の空き領域情報を管理します。INSERTやUPDATE時に、空き領域マップが参照され、利用可能な領域を見つけて新しいレコードを挿入します。共有メモリー上の空き領域マップは、VACUUMごとに更新してファイルに書き出し、PostgreSQLの再起動時に読み込まれます。テーブルの1ブロック（ページ）ごとに1バイトの領域を使用します。データファイル上は、“テーブルのファイル名_fsm”というファイル名でテーブルファイルと同じディレクトリー内に格納されます。
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注1：SQLを実行する際に内部で実行される、テーブルデータの検索方式の1つです。
ワーカープロセス
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バックグラウンドライター
共有バッファー内の空き領域を空けるため、共有バッファー内で更新されたダーティページ（注2）を、少しずつデータファイルに書き出します。
WALライター
WALバッファー（wal_buffers）内のWALレコードをWALファイルに書き出します。
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統計情報コレクター
データベースの活動状況に関する情報を統計情報として定期的に収集します。収集した結果は、システムビュー（pg_stat_***）を参照することで確認できます。
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ロガー
PostgreSQLのサーバーログを、サーバーログファイルへ書き出します。
注2：共有バッファー内でデータの更新が行われ、ファイルへの書き出しが必要になったページです。
データファイル（テーブル、インデックス）
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トランザクションログ（WAL）ファイル
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アーカイブログファイル
WALファイルを別の領域へアーカイブしておくためのファイルです。
サーバーログファイル
PostgreSQLのサーバーログを書き出すためのファイルです。
2. PostgreSQLの主なアーキテクチャー
PostgreSQLの基本的なアーキテクチャーについて説明します。
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3. 参考情報
PostgreSQLのアーキテクチャーと、設定ファイルpostgresql.confの重要なパラメーターとの関係や注意点を示します。なお、図9の赤字のキーワードは、postgresql.confの実際のパラメーター名です。
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以上、PostgreSQLの主なアーキテクチャーについて説明しました。機能、および、設定ファイルのパラメーターの詳細については、PostgreSQLのマニュアルを参照してください。
2021年3月12日公開
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