Postgresql源码75notify与listen执行流程分析

菜鸟笔记 2022-08-26

相关
《Postgresql源码（60）事务系统总结》
《Postgresql源码（75）notify与listen执行流程分析》

顺着看事务提交时发现PG有异步消息队列的功能，这里试着分析总结。

0 总结速查

两句话总结：

  • notify将msg追加到slru消息队列，发信号通知。
  • listen注册监听人backend到监听队列，每个监听者消费，并自己记录消费位置。

Listen监听：

  • CommitTransaction->PreCommit_Notifybackend在事务提交时执行listen，把自己注册进入AsyncQueueControl->backend数组中的一个位置。
  • 在数组中表示自己已在监听队列中，且在监听队列的结构会记录自己当前消费到的位置。
  • 一个后端进程占用队列一个位置，多次执行Listen不会占用新的位置，同一个backend+db，只能使用一个位置。
  • 监听队列是SLRU结构，所以指向监听队列的指针为{page, offset}。

在这里插入图片描述

notify通知：

  • DDL记录通知信息（不通知）。
  • CommitTransaction --> PreCommit_Notify事务提交时将记录的notify追加到消息队列。
  • CommitTransaction --> AtCommit_Notify事务提交时kill sigusr1通知其他进程。

消息队列：

  • 使用通用SLRU结构，参考之前写过的SLRU页面分析（CLOG、SUBTRANS等）。
  • 总控结构AsyncQueueControl->head端新增，AsyncQueueControl->tail端消费。
  • 消息队列虽然使用SLRU结构，但不保证持久化，只是在内存页面不够用的时候，用LRU换出到磁盘。和CLOG不同，CLOG在checkpoint时fsync刷盘，消息队列不在CheckPointGuts中。

    在这里插入图片描述

1 背景

Listen：

  1. 监听语句如果在事务内，listen执行后不能拿到通知信息，必须等待事务提交；注意事务提交后，会拿到所有listen语句后的通知。
  2. 监听必须在notify之前，如果notify时没有监听，消息收不到。
  3. 监听如果在psql执行，只在任何语句执行完时收到通知，如没有语句执行不会收到通知。
  4. 监听如果使用API，例如libpq的PQnotifies函数，可以立即收到通知进行处理。

Notify：

  1. 通知语句的事务必须提交才会生效。
  2. 通知是异步的，记录在队列中，每次监听会收到队列中累加的所有消息，PG保证收到的顺序和发送顺序一致。

2 使用案例

2.1 PSQL

-- session 1
postgres=# listen ch1;
LISTEN

-- session 2
postgres=# listen ch1;
LISTEN

-- session 3
postgres=# notify ch1;
NOTIFY
postgres=# notify ch1;
NOTIFY

-- session 1
postgres=# select 1;
 ?column? 
----------
        1
(1 row)

Asynchronous notification "ch1" received from server process with PID 1837.
Asynchronous notification "ch1" received from server process with PID 1837.

-- session 2
postgres=# select 1;
 ?column? 
----------
        1
(1 row)

Asynchronous notification "ch1" received from server process with PID 1837.
Asynchronous notification "ch1" received from server process with PID 1837.

2.2 LIBPQ使用案例

https://www.postgresql.org/docs/14/libpq-example.html#LIBPQ-EXAMPLE-2

3 内核代码分析

3.1 listen监听

先放总结

  • backend在事务提交时执行listen，把自己注册进入AsyncQueueControl->backend数组中的一个位置。

  • 在数组中表示自己已在监听队列中，且在监听队列的结构会记录自己当前消费到的位置。

  • 一个后端进程占用队列一个位置，多次执行Listen不会占用新的位置，同一个backend+db，只能使用一个位置。

  • 监听队列是SLRU结构，所以指向监听队列的指针为{page, offset}。

在这里插入图片描述

Async_Listen进入位置

exec_simple_query
  PortalRun
    PortalRunMulti
      PortalRunUtility
        ProcessUtility
          standard_ProcessUtility
            Async_Listen
              queue_listen

listen属于DDL，也是跟着事务提交才会生效，所以函数调用嵌在事务系统中。

listen调用Async_Listen登记Listen信息，只把action（三种类型：listen、unlisten、unlisten all）记录在pendingActions中。

在这里插入图片描述

在语句结尾的事务状态机流转函数中，如果是事务提交状态，会走入CommitTransaction进行事务提交的具体工作。

在这里插入图片描述

在事务提交时，调用PreCommit_Notify函数：

void
PreCommit_Notify(void)
{
    ...
	if (pendingActions != NULL)
	{
		foreach(p, pendingActions->actions)
		{
			ListenAction *actrec = (ListenAction *) lfirst(p);

			switch (actrec->action)
			{
				case LISTEN_LISTEN:
					Exec_ListenPreCommit();
					break;
				case LISTEN_UNLISTEN:
					/* there is no Exec_UnlistenPreCommit() */
					break;
				case LISTEN_UNLISTEN_ALL:
					/* there is no Exec_UnlistenAllPreCommit() */
					break;
			}
		}
	}

异步队列的数据结构

typedef struct AsyncQueueControl
{
	QueuePosition head;			/* head points to the next free location */
	QueuePosition tail;			/* tail must be <= the queue position of every
								 * listening backend */
	int			stopPage;		/* oldest unrecycled page; must be <=
								 * tail.page */
	BackendId	firstListener;	/* id of first listener, or InvalidBackendId */
	TimestampTz lastQueueFillWarn;	/* time of last queue-full msg */
	QueueBackendStatus backend[FLEXIBLE_ARRAY_MEMBER];
	/* backend[0] is not used; used entries are from [1] to [MaxBackends] */
} AsyncQueueControl;

typedef struct QueueBackendStatus
{
	int32		pid;			/* either a PID or InvalidPid */
	Oid			dboid;			/* backend's database OID, or InvalidOid */
	BackendId	nextListener;	/* id of next listener, or InvalidBackendId */
	QueuePosition pos;			/* backend has read queue up to here */
} QueueBackendStatus;

typedef struct QueuePosition
{
	int			page;			/* SLRU page number */
	int			offset;			/* byte offset within page */
} QueuePosition;

static AsyncQueueControl *asyncQueueControl;

#define QUEUE_HEAD					(asyncQueueControl->head)
#define QUEUE_TAIL					(asyncQueueControl->tail)
#define QUEUE_STOP_PAGE				(asyncQueueControl->stopPage)
#define QUEUE_FIRST_LISTENER		(asyncQueueControl->firstListener)
#define QUEUE_BACKEND_PID(i)		(asyncQueueControl->backend[i].pid)
#define QUEUE_BACKEND_DBOID(i)		(asyncQueueControl->backend[i].dboid)
#define QUEUE_NEXT_LISTENER(i)		(asyncQueueControl->backend[i].nextListener)
#define QUEUE_BACKEND_POS(i)		(asyncQueueControl->backend[i].pos)

完成监听过程

注意拿到的消费起点位置是：max（控制结构记录的TAIL，其他所有进程消费到的最新位置）

Exec_ListenPreCommit
  if (amRegisteredListener)
    return;

	head = QUEUE_HEAD;
	max = QUEUE_TAIL;
	prevListener = InvalidBackendId;
	for (BackendId i = QUEUE_FIRST_LISTENER; i > 0; i = QUEUE_NEXT_LISTENER(i))
	{
		if (QUEUE_BACKEND_DBOID(i) == MyDatabaseId)
		    // 拿到消费位置，从全局信息取QUEUE_TAIL，或从每个backend消费到的最大位置取。
			max = QUEUE_POS_MAX(max, QUEUE_BACKEND_POS(i));
		/* Also find last listening backend before this one */
		if (i < MyBackendId)
			prevListener = i;
	}
	QUEUE_BACKEND_POS(MyBackendId) = max;
	QUEUE_BACKEND_PID(MyBackendId) = MyProcPid;
	QUEUE_BACKEND_DBOID(MyBackendId) = MyDatabaseId;
	// 后插入监听队列
	if (prevListener > 0)
	{
		QUEUE_NEXT_LISTENER(MyBackendId) = QUEUE_NEXT_LISTENER(prevListener);
		QUEUE_NEXT_LISTENER(prevListener) = MyBackendId;
	}
	else
	{
		QUEUE_NEXT_LISTENER(MyBackendId) = QUEUE_FIRST_LISTENER;
		QUEUE_FIRST_LISTENER = MyBackendId;
	}
	LWLockRelease(NotifyQueueLock);

3.2 notify通知

第一步：DDL记录通知信息（不通知）

Async_Notify
  // 拼接 Notification n = {channel_len = 3, payload_len = 0, data = 0x2a0ab84 "ch1"}
  // 挂在 pendingNotifies->events后 = list_make1(n)

第二步：PreCommit_Notify事务提交时append to 消息队列

CommitTransaction --> PreCommit_Notify --> asyncQueueAddEntries

static ListCell *
asyncQueueAddEntries(ListCell *nextNotify)
{
	AsyncQueueEntry qe;
	QueuePosition queue_head;
	int			pageno;
	int			offset;
	int			slotno;

	/* We hold both NotifyQueueLock and NotifySLRULock during this operation */
	LWLockAcquire(NotifySLRULock, LW_EXCLUSIVE);

SLRU标准接口拿消息队列页面SimpleLruZeroPage

	queue_head = QUEUE_HEAD;
	pageno = QUEUE_POS_PAGE(queue_head);
	if (QUEUE_POS_IS_ZERO(queue_head))
		slotno = SimpleLruZeroPage(NotifyCtl, pageno);
	else
		slotno = SimpleLruReadPage(NotifyCtl, pageno, true,
								   InvalidTransactionId);

使用slru标准结构，会刷脏落盘。

	NotifyCtl->shared->page_dirty[slotno] = true;

	while (nextNotify != NULL)
	{
		Notification *n = (Notification *) lfirst(nextNotify);

		/* Construct a valid queue entry in local variable qe */
		asyncQueueNotificationToEntry(n, &qe);

		offset = QUEUE_POS_OFFSET(queue_head);

当前页面能装得下，可以把nextNotify指向下一条了。

		if (offset + qe.length <= QUEUE_PAGESIZE)
		{
			/* OK, so advance nextNotify past this item */
			nextNotify = lnext(pendingNotifies->events, nextNotify);
		}

当前页面装不下，length把剩下的装满，dboid=InvalidOid用于标记无效。

		else
		{
			qe.length = QUEUE_PAGESIZE - offset;
			qe.dboid = InvalidOid;
			qe.data[0] = '\0';	/* empty channel */
			qe.data[1] = '\0';	/* empty payload */
		}

拷贝qe到消息队列中：

typedef struct AsyncQueueEntry
{
	int			length;			/* total allocated length of entry */
	Oid			dboid;			/* sender's database OID */
	TransactionId xid;			/* sender's XID */
	int32		srcPid;			/* sender's PID */
	char		data[NAMEDATALEN + NOTIFY_PAYLOAD_MAX_LENGTH];
} AsyncQueueEntry;

开始拷贝

		memcpy(NotifyCtl->shared->page_buffer[slotno] + offset,
			   &qe,
			   qe.length);

推进head指针

		/* Advance queue_head appropriately, and detect if page is full */
		if (asyncQueueAdvance(&(queue_head), qe.length))
		{
			...
		}
	}

控制结构记录head指针asyncQueueControl->head = queue_head

	/* Success, so update the global QUEUE_HEAD */
	QUEUE_HEAD = queue_head;

	LWLockRelease(NotifySLRULock);

	return nextNotify;
}

第三步：AtCommit_Notify事务提交时通知其他进程

AtCommit_Notify
  SignalBackends
    // 查询asyncQueueControl->backend监听数组，找到监听者
    // 例如两个监听者： 
    // count = 2
    // p pids[0] = 15446
    // p pids[1] = 23101

    // SendProcSignal(15446, PROCSIG_NOTIFY_INTERRUPT)
    // SendProcSignal(23101, PROCSIG_NOTIFY_INTERRUPT)

第四步：（监听进程）被信号SIGUSR1中断，进入procsignal_sigusr1_handler

procsignal_sigusr1_handler
  if (CheckProcSignal(PROCSIG_NOTIFY_INTERRUPT))
    HandleNotifyInterrupt()；

HandleNotifyInterrupt函数配置标志位后就退出。notifyInterruptPending = true;

等流程走到信号处理函数在做处理。

listennotify数据库数据库监听监听

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