原创 Rishabh Agarwal 2025-03-10 07:15 广东
Postgres的「事务ID环绕」是罪魁祸首？！
一个20亿次的旧事务把我的数据库击溃了？！
要理解这种现象的成因，我们需要深入PostgreSQL事务的内部机制。了解这些机制后，我们才能讨论问题本身以及如何避免它。
一、元组、MVCC与事务ID
如果你之前接触过关系型数据库，应该已经知道：事务（Transaction）是一组数据库操作的逻辑单元（Unit of Work, UoW），这些操作要么全部提交，要么全部回滚。
用户对数据库的任何操作（显式或隐式）都发生在一个事务中。
为了实现隔离性（ACID中的I），PostgreSQL采用了**多版本并发控制（Multi-Version Concurrency Control, MVCC）**模型。顾名思义，该模型通过维护数据对象的多个版本来确保事务间的数据隔离性。
MVCC的原理同样适用于数据库表的行。PostgreSQL会为同一逻辑行维护多个版本，这些不同版本在PostgreSQL术语中被称为「元组（tuples）」。
元组是行的某个具体状态；每次更新行都会为同一逻辑行生成一个新元组。
作为软件工程师，我们通常不会注意到这一点。但现在既然知道了元组的存在，不妨快速检查一下数据库中「存活元组」和「死亡元组」的数量。
简单来说，存活元组是当前或未来事务可能修改或访问的元组，其余均为死亡元组。
SELECT n_live_tup, n_dead_tup, relname FROM pg_stat_all_tables;PostgreSQL为每个事务分配两个ID——虚拟事务ID（VXID）和事务ID（XID）。这些ID用于决定哪些元组对事务可见。
事务ID（XID）可以唯一标识所有PostgreSQL数据库中的事务，并用于判断元组的可见性。
每个元组的头部包含xmin和xmax字段。xmin是创建该元组的事务XID，xmax是更新或删除该元组的事务XID。如果某元组是行的最新状态，其xmax值为0，PostgreSQL会忽略它。
*可通过以下SQL查询查看元组的xmin和xmax值：
SELECT xmin, xmax, * FROM <table_name>;注意：返回的数据仅对当前活动事务可见。
PostgreSQL结合xmin、xmax及其他信息，决定某个事务中应显示哪个版本的元组。
到目前为止都理解了吗？很好，我们继续！
二、XID的限制与「猝死」
PostgreSQL的事务ID（XID）是32位无符号整数，理论上有约40亿（2³²）个唯一XID。虽然这看起来很多，但对数据密集型应用来说，可能在几个月内就会耗尽这些XID。
XID按1递增分配。当达到2³²时，XID会从0重新开始循环！这个完整的循环周期称为一个「纪元（epoch）」。
实际上，XID 0、1、2被保留用于特殊用途，因此循环实际从XID 3开始。
如前所述，PostgreSQL通过MVCC维护行的多个版本（元组），而这些元组包含xmin和xmax值。但XID循环后，新事务会分配到更小的XID，导致xmin较大的元组突然不可见！
此时，所有数据似乎都凭空消失了！这种现象被称为「猝死（sudden death）」。
三、PostgreSQL如何应对「猝死」
理论上，PostgreSQL将2³²个XID分为两半，每半约20亿个。当前事务的XID（例如my_xid）到my_xid + 2³¹属于前一半，其余属于后一半。注意：加法运算基于模2³²。
来源：Wikibooks
分割点并非固定，而是随着当前XID动态移动。当前事务的前半部分XID属于「未来」，后半部分属于「过去」。
基于此，元组可见性逻辑如下：
if my_xid < 2³¹:return tuples with (xmin < my_xid or xmin > my_xid + 2³¹)else:return tuples with (xmin < my_xid and xmin > my_xid + 2³¹)
注意：实际实现更复杂，此处仅为简化讨论。
分割XID范围后，当前事务可用的未来XID约为20亿个。但剩下的20亿个旧XID对应的数据会如何？这些数据对当前事务不可见。当启动下一个事务时，循环边界向前移动一位，导致最旧的XID（第20亿个）从「过去」变为「未来」。
过去的XID被提升为未来可用
假设数据库中仍存在对应20亿次旧事务的元组，这些原本可见的元组会突然不可见，仿佛从未被修改过！这将导致严重的数据不一致。
为防止这种情况，PostgreSQL会检查是否存在xmin超过20亿的元组。一旦发现，数据库将立即进入只读模式，禁止写入，直到处理完这些元组。
但如何确保这些元组被及时处理？答案是「清理（Vacuuming）」！
PostgreSQL通过「冻结（freezing）」机制解决这一问题，该机制是清理过程的一部分。
当某个元组被认为足够旧（无活跃事务会修改它）时，其xmin会被标记为特殊值，标识为「冻结」。冻结的元组在比较时被视为「远古数据」，始终可见。
清理可通过手动执行或自动清理守护进程（auto-vacuum）完成。无论哪种方式，必须确保20亿次以上的旧事务元组被冻结，否则可能导致灾难性后果。
你可能会问：「既然有后台进程自动处理，为何还需要担心？」
虽然后台进程能分担工作，但仍需合理配置自动清理阈值。若数据库负载高，需冻结的元组数量庞大，清理进程可能仅在阈值极高时触发。此时，进程可能无法及时冻结所有元组，最终导致数据库崩溃。
因此，深刻理解PostgreSQL的清理机制和自动清理配置至关重要。否则，20亿次旧交易真的会让你的数据库宕机！
作者丨Rishabh Agarwal 编译丨Rio
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