上期月报PgSQL · 特性分析 · Write-Ahead Logging机制浅析中简单介绍了PostgreSQL中WAL机制，其中讲到如果是创建checkpoint会触发刷新xlog日志页到磁盘，本文主要分析下PostgreSQL中checkpoint机制。
checkpoint又名检查点，一般checkpoint会将某个时间点之前的脏数据全部刷新到磁盘，以实现数据的一致性与完整性。目前各个流行的关系型数据库都具备checkpoint功能，其主要目的是为了缩短崩溃恢复时间，以Oracle为例，在进行数据恢复时，会以最近的checkpoint为参考点执行事务前滚。而在WAL机制的浅析中，也提过PostgreSQL在崩溃恢复时会以最近的checkpoint为基础，不断应用这之后的WAL日志。
在xlog.h文件中，有如下代码对checkpoint进行了相应的分类：
/* * OR-able request flag bits for checkpoints. The "cause" bits are used only * for logging purposes. Note: the flags must be defined so that it's * sensible to OR together request flags arising from different requestors. */ /* These directly affect the behavior of CreateCheckPoint and subsidiaries */ #define CHECKPOINT_IS_SHUTDOWN 0x0001 /* Checkpoint is for shutdown */ #define CHECKPOINT_END_OF_RECOVERY 0x0002 /* Like shutdown checkpoint, * but issued at end of WAL * recovery */ #define CHECKPOINT_IMMEDIATE 0x0004 /* Do it without delays */ #define CHECKPOINT_FORCE 0x0008 /* Force even if no activity */ /* These are important to RequestCheckpoint */ #define CHECKPOINT_WAIT 0x0010 /* Wait for completion */ /* These indicate the cause of a checkpoint request */ #define CHECKPOINT_CAUSE_XLOG 0x0020 /* XLOG consumption */ #define CHECKPOINT_CAUSE_TIME 0x0040 /* Elapsed time */ #define CHECKPOINT_FLUSH_ALL 0x0080 /* Flush all pages, including those * belonging to unlogged tables */也就是说，以下几种情况会触发数据库操作系统做检查点操作：
超级用户（其他用户不可）执行CHECKPOINT命令数据库shutdown数据库recovery完成XLOG日志量达到了触发checkpoint阈值周期性地进行checkpoint需要刷新所有脏页为了能够周期性的创建检查点，减少崩溃恢复时间，同时合并I/O，PostgreSQL提供了辅助进程checkpointer。它会对不断检测周期时间以及上面的XLOG日志量阈值是否达到，而周期时间以及XLOG日志量阈值可以通过参数来设置大小，接下来介绍下与checkpoints相关的参数。
当PostgreSQL触发checkpoint发生的条件后，会调用CreateCheckPoint函数创建具体的检查点，具体过程如下：
遍历所有的数据buffer，将脏页块状态从BM_DIRTY改为BM_CHECKPOINT_NEEDED，表示这些脏页将要被checkpoint刷新到磁盘调用CheckPointGuts函数将共享内存中的脏页刷出到磁盘生成新的Checkpoint 记录写入到XLOG中更新控制文件、共享内存里XlogCtl的检查点相关成员、检查点的统计信息结构PostgreSQL 控制文件pg_control里存储的数据是一个ControlFileData结构，具体如下：
typedefstruct ControlFileData { uint64 system_identifier; uint32 pg_control_version; /*PG_CONTROL_VERSION */ uint32 catalog_version_no; /* seecatversion.h */ DBState state; /* see enum above */ pg_time_t time; /* time stamp of last pg_control update */ XLogRecPtr checkPoint; /* 最近一次创建checkpoint的LSN*/ XLogRecPtr prevCheckPoint; /* 最近一次之前创建checkpoint的LSN */ /*由于一个检查点的时间比较长，所以有可能系统在所有页面写完之前崩溃，这样磁盘上的检查点可能是不完全的，因此将最后一个完全检查点位置写在prevCheckPoint上*/ CheckPoint checkPointCopy; /* 最近一次checkpoint对应的CheckPoint对象 */ XLogRecPtr minRecoveryPoint; TimeLineID minRecoveryPointTLI; XLogRecPtr backupStartPoint; XLogRecPtr backupEndPoint; bool backupEndRequired; ......其中，minRecoveryPoint和minRecoveryPointTLI确定数据库启动前，如果做归档恢复，我们必须恢复到的最小检查点。其中minRecoveryPoint指向该检查点对应的LSN位置，minRecoveryPointTLI指向该检查点对应的时间线。其具体的用法，我们将在之后的PostgreSQL崩溃恢复中分析，这里我们主要分析下PostgreSQL中的时间线概念。
PostgreSQL中WAL日志段名称，由时间线ID、日志ID、段ID的八位16进制数依次构成。例如：
00000001000000010000008F时间线TimeLineID逻辑日志ID段ID其中时间线是作为日志段名称的一部分，用来标识数据库归档恢复后产生的一系列新的WAL记录。在每次归档恢复完成后，都会产生一个新的时间线和新的WAL日志段。时间线可以理解为平行时空中的各个平行宇宙，我们完全可以恢复到某个时间点，重开一条时间线，继续进行数据操作，这样就可以实现完全的PTIR。
在PostgreSQL中，一个新的时间线产生，系统伴随它会建立一个以“新TimeLineID+.history”命名的“时间线历史”文件(timeline history)，它是一个类似于txt的文件，其中包含所有在当前时间线以前的时间线，同时记录了每个时间线开始时的第一个WAL段，这样数据库恢复时，通过读取时间线历史文件文件，根据目标时间点可以快速找到正确的日志段文件。如果上一次恢复是恢复到具体某时刻，在时间线历史文件中还会记录该时间线对应的具体时刻。
在PITR恢复时，无需扫描所有WAL日志文件，而是通过时间线直接定位某个WAL段，再从该WAL段中找到符合该时间点的日志记录，这样就大大提高了效率。同时数据库恢复时，默认是沿着基备份开始时的时间点进行，即利用从基备份完成后产生的第一个日志段文件做恢复，如果想恢复到指定时间点(时间线)，需要在recovery.conf配置文件中设置目标时间线(target timeline ID)，但是target timeline ID不能指定为基备份以前的时间线。
CheckPointGuts函数将共享内存里的数据刷出并文件同步到磁盘，具体定义如下：
staticvoid CheckPointGuts(XLogRecPtrcheckPointRedo,int flags) { CheckPointCLOG(); CheckPointSUBTRANS(); CheckPointMultiXact(); CheckPointPredicate(); CheckPointRelationMap(); CheckPointBuffers(flags); /* performs all required fsyncs */ /* We deliberately delay 2PC checkpointingas long as possible */ CheckPointTwoPhase(checkPointRedo); }可以看出，CheckPointGuts根据不同的缓存类型，把clog、subtrans、multixact、predicate、relationmap、buffer（数据文件）和twophase相应缓存分别调用不同的方法，将缓存刷到磁盘中：
提交事务日志管理器的方法CheckPointClog子事务日志管理器的方法CheckPointSUBTRANS多事务日志管理器的方法CheckPointMultiXact支持序列化事务隔离级别的谓词锁模块的方法CheckPointPredicate目录/系统表到文件节点映射模块的方法CheckPointRelationMap缓存管理器的方法CheckPointBuffers两阶段提交模块的方法CheckPointTwoPhase其中，前四个函数最后都调用了SLRU模块的SimpleLruFlush（简单最近最少使用）方法，把相应的共享内存数据写到磁盘，并通过调用pg_fsync方法把相应文件刷到磁盘上对应文件。
后二个函数没有使用SLRU算法，直接调用pg_fsync方法把相应文件刷到磁盘上对应文件。
而目录/系统表到文件节点映射模块的方法CheckPointRelationMap，会将共享内存里系统表和对应物理文件映射的map文件刷到磁盘。
至此，我们大体了解了checkpoint的用法和整个实现过程，但是还需要对一些特别的地方做出说明。
每个检查点后，第一次数据页的变化会导致整个页面会被记录在XLOG日志中检查点的开销比较高，可以用checkpoint_warning自检，相应调大checkpoint_segments检查点的位置保存在文件 pg_control，pg_control文件被损坏可能会导致数据库不可用其中，如果pg_control文件损坏，在数据库崩溃恢复时可能出现一些问题，这些问题我们将在分析PostgreSQL数据库崩溃恢复时具体分析。
