]> granicus.if.org Git - postgresql/blob - src/backend/access/transam/README
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[postgresql] / src / backend / access / transam / README
1 src/backend/access/transam/README
2
3 The Transaction System
4 ======================
5
6 PostgreSQL's transaction system is a three-layer system.  The bottom layer
7 implements low-level transactions and subtransactions, on top of which rests
8 the mainloop's control code, which in turn implements user-visible
9 transactions and savepoints.
10
11 The middle layer of code is called by postgres.c before and after the
12 processing of each query, or after detecting an error:
13
14                 StartTransactionCommand
15                 CommitTransactionCommand
16                 AbortCurrentTransaction
17
18 Meanwhile, the user can alter the system's state by issuing the SQL commands
19 BEGIN, COMMIT, ROLLBACK, SAVEPOINT, ROLLBACK TO or RELEASE.  The traffic cop
20 redirects these calls to the toplevel routines
21
22                 BeginTransactionBlock
23                 EndTransactionBlock
24                 UserAbortTransactionBlock
25                 DefineSavepoint
26                 RollbackToSavepoint
27                 ReleaseSavepoint
28
29 respectively.  Depending on the current state of the system, these functions
30 call low level functions to activate the real transaction system:
31
32                 StartTransaction
33                 CommitTransaction
34                 AbortTransaction
35                 CleanupTransaction
36                 StartSubTransaction
37                 CommitSubTransaction
38                 AbortSubTransaction
39                 CleanupSubTransaction
40
41 Additionally, within a transaction, CommandCounterIncrement is called to
42 increment the command counter, which allows future commands to "see" the
43 effects of previous commands within the same transaction.  Note that this is
44 done automatically by CommitTransactionCommand after each query inside a
45 transaction block, but some utility functions also do it internally to allow
46 some operations (usually in the system catalogs) to be seen by future
47 operations in the same utility command.  (For example, in DefineRelation it is
48 done after creating the heap so the pg_class row is visible, to be able to
49 lock it.)
50
51
52 For example, consider the following sequence of user commands:
53
54 1)              BEGIN
55 2)              SELECT * FROM foo
56 3)              INSERT INTO foo VALUES (...)
57 4)              COMMIT
58
59 In the main processing loop, this results in the following function call
60 sequence:
61
62      /  StartTransactionCommand;
63     /       StartTransaction;
64 1) <        ProcessUtility;             << BEGIN
65     \       BeginTransactionBlock;
66      \  CommitTransactionCommand;
67
68     /   StartTransactionCommand;
69 2) /        ProcessQuery;               << SELECT ...
70    \        CommitTransactionCommand;
71     \       CommandCounterIncrement;
72
73     /   StartTransactionCommand;
74 3) /        ProcessQuery;               << INSERT ...
75    \        CommitTransactionCommand;
76     \       CommandCounterIncrement;
77
78      /  StartTransactionCommand;
79     /   ProcessUtility;                 << COMMIT
80 4) <            EndTransactionBlock;
81     \   CommitTransactionCommand;
82      \      CommitTransaction;
83
84 The point of this example is to demonstrate the need for
85 StartTransactionCommand and CommitTransactionCommand to be state smart -- they
86 should call CommandCounterIncrement between the calls to BeginTransactionBlock
87 and EndTransactionBlock and outside these calls they need to do normal start,
88 commit or abort processing.
89
90 Furthermore, suppose the "SELECT * FROM foo" caused an abort condition. In
91 this case AbortCurrentTransaction is called, and the transaction is put in
92 aborted state.  In this state, any user input is ignored except for
93 transaction-termination statements, or ROLLBACK TO <savepoint> commands.
94
95 Transaction aborts can occur in two ways:
96
97 1) system dies from some internal cause  (syntax error, etc)
98 2) user types ROLLBACK
99
100 The reason we have to distinguish them is illustrated by the following two
101 situations:
102
103         case 1                                  case 2
104         ------                                  ------
105 1) user types BEGIN                     1) user types BEGIN
106 2) user does something                  2) user does something
107 3) user does not like what              3) system aborts for some reason
108    she sees and types ABORT                (syntax error, etc)
109
110 In case 1, we want to abort the transaction and return to the default state.
111 In case 2, there may be more commands coming our way which are part of the
112 same transaction block; we have to ignore these commands until we see a COMMIT
113 or ROLLBACK.
114
115 Internal aborts are handled by AbortCurrentTransaction, while user aborts are
116 handled by UserAbortTransactionBlock.  Both of them rely on AbortTransaction
117 to do all the real work.  The only difference is what state we enter after
118 AbortTransaction does its work:
119
120 * AbortCurrentTransaction leaves us in TBLOCK_ABORT,
121 * UserAbortTransactionBlock leaves us in TBLOCK_ABORT_END
122
123 Low-level transaction abort handling is divided in two phases:
124 * AbortTransaction executes as soon as we realize the transaction has
125   failed.  It should release all shared resources (locks etc) so that we do
126   not delay other backends unnecessarily.
127 * CleanupTransaction executes when we finally see a user COMMIT
128   or ROLLBACK command; it cleans things up and gets us out of the transaction
129   completely.  In particular, we mustn't destroy TopTransactionContext until
130   this point.
131
132 Also, note that when a transaction is committed, we don't close it right away.
133 Rather it's put in TBLOCK_END state, which means that when
134 CommitTransactionCommand is called after the query has finished processing,
135 the transaction has to be closed.  The distinction is subtle but important,
136 because it means that control will leave the xact.c code with the transaction
137 open, and the main loop will be able to keep processing inside the same
138 transaction.  So, in a sense, transaction commit is also handled in two
139 phases, the first at EndTransactionBlock and the second at
140 CommitTransactionCommand (which is where CommitTransaction is actually
141 called).
142
143 The rest of the code in xact.c are routines to support the creation and
144 finishing of transactions and subtransactions.  For example, AtStart_Memory
145 takes care of initializing the memory subsystem at main transaction start.
146
147
148 Subtransaction Handling
149 -----------------------
150
151 Subtransactions are implemented using a stack of TransactionState structures,
152 each of which has a pointer to its parent transaction's struct.  When a new
153 subtransaction is to be opened, PushTransaction is called, which creates a new
154 TransactionState, with its parent link pointing to the current transaction.
155 StartSubTransaction is in charge of initializing the new TransactionState to
156 sane values, and properly initializing other subsystems (AtSubStart routines).
157
158 When closing a subtransaction, either CommitSubTransaction has to be called
159 (if the subtransaction is committing), or AbortSubTransaction and
160 CleanupSubTransaction (if it's aborting).  In either case, PopTransaction is
161 called so the system returns to the parent transaction.
162
163 One important point regarding subtransaction handling is that several may need
164 to be closed in response to a single user command.  That's because savepoints
165 have names, and we allow to commit or rollback a savepoint by name, which is
166 not necessarily the one that was last opened.  Also a COMMIT or ROLLBACK
167 command must be able to close out the entire stack.  We handle this by having
168 the utility command subroutine mark all the state stack entries as commit-
169 pending or abort-pending, and then when the main loop reaches
170 CommitTransactionCommand, the real work is done.  The main point of doing
171 things this way is that if we get an error while popping state stack entries,
172 the remaining stack entries still show what we need to do to finish up.
173
174 In the case of ROLLBACK TO <savepoint>, we abort all the subtransactions up
175 through the one identified by the savepoint name, and then re-create that
176 subtransaction level with the same name.  So it's a completely new
177 subtransaction as far as the internals are concerned.
178
179 Other subsystems are allowed to start "internal" subtransactions, which are
180 handled by BeginInternalSubtransaction.  This is to allow implementing
181 exception handling, e.g. in PL/pgSQL.  ReleaseCurrentSubTransaction and
182 RollbackAndReleaseCurrentSubTransaction allows the subsystem to close said
183 subtransactions.  The main difference between this and the savepoint/release
184 path is that we execute the complete state transition immediately in each
185 subroutine, rather than deferring some work until CommitTransactionCommand.
186 Another difference is that BeginInternalSubtransaction is allowed when no
187 explicit transaction block has been established, while DefineSavepoint is not.
188
189
190 Transaction and Subtransaction Numbering
191 ----------------------------------------
192
193 Transactions and subtransactions are assigned permanent XIDs only when/if
194 they first do something that requires one --- typically, insert/update/delete
195 a tuple, though there are a few other places that need an XID assigned.
196 If a subtransaction requires an XID, we always first assign one to its
197 parent.  This maintains the invariant that child transactions have XIDs later
198 than their parents, which is assumed in a number of places.
199
200 The subsidiary actions of obtaining a lock on the XID and and entering it into
201 pg_subtrans and PG_PROC are done at the time it is assigned.
202
203 A transaction that has no XID still needs to be identified for various
204 purposes, notably holding locks.  For this purpose we assign a "virtual
205 transaction ID" or VXID to each top-level transaction.  VXIDs are formed from
206 two fields, the backendID and a backend-local counter; this arrangement allows
207 assignment of a new VXID at transaction start without any contention for
208 shared memory.  To ensure that a VXID isn't re-used too soon after backend
209 exit, we store the last local counter value into shared memory at backend
210 exit, and initialize it from the previous value for the same backendID slot
211 at backend start.  All these counters go back to zero at shared memory
212 re-initialization, but that's OK because VXIDs never appear anywhere on-disk.
213
214 Internally, a backend needs a way to identify subtransactions whether or not
215 they have XIDs; but this need only lasts as long as the parent top transaction
216 endures.  Therefore, we have SubTransactionId, which is somewhat like
217 CommandId in that it's generated from a counter that we reset at the start of
218 each top transaction.  The top-level transaction itself has SubTransactionId 1,
219 and subtransactions have IDs 2 and up.  (Zero is reserved for
220 InvalidSubTransactionId.)  Note that subtransactions do not have their
221 own VXIDs; they use the parent top transaction's VXID.
222
223
224 Interlocking Transaction Begin, Transaction End, and Snapshots
225 --------------------------------------------------------------
226
227 We try hard to minimize the amount of overhead and lock contention involved
228 in the frequent activities of beginning/ending a transaction and taking a
229 snapshot.  Unfortunately, we must have some interlocking for this, because
230 we must ensure consistency about the commit order of transactions.
231 For example, suppose an UPDATE in xact A is blocked by xact B's prior
232 update of the same row, and xact B is doing commit while xact C gets a
233 snapshot.  Xact A can complete and commit as soon as B releases its locks.
234 If xact C's GetSnapshotData sees xact B as still running, then it had
235 better see xact A as still running as well, or it will be able to see two
236 tuple versions - one deleted by xact B and one inserted by xact A.  Another
237 reason why this would be bad is that C would see (in the row inserted by A)
238 earlier changes by B, and it would be inconsistent for C not to see any
239 of B's changes elsewhere in the database.
240
241 Formally, the correctness requirement is "if a snapshot A considers
242 transaction X as committed, and any of transaction X's snapshots considered
243 transaction Y as committed, then snapshot A must consider transaction Y as
244 committed".
245
246 What we actually enforce is strict serialization of commits and rollbacks
247 with snapshot-taking: we do not allow any transaction to exit the set of
248 running transactions while a snapshot is being taken.  (This rule is
249 stronger than necessary for consistency, but is relatively simple to
250 enforce, and it assists with some other issues as explained below.)  The
251 implementation of this is that GetSnapshotData takes the ProcArrayLock in
252 shared mode (so that multiple backends can take snapshots in parallel),
253 but ProcArrayEndTransaction must take the ProcArrayLock in exclusive mode
254 while clearing MyProc->xid at transaction end (either commit or abort).
255
256 ProcArrayEndTransaction also holds the lock while advancing the shared
257 latestCompletedXid variable.  This allows GetSnapshotData to use
258 latestCompletedXid + 1 as xmax for its snapshot: there can be no
259 transaction >= this xid value that the snapshot needs to consider as
260 completed.
261
262 In short, then, the rule is that no transaction may exit the set of
263 currently-running transactions between the time we fetch latestCompletedXid
264 and the time we finish building our snapshot.  However, this restriction
265 only applies to transactions that have an XID --- read-only transactions
266 can end without acquiring ProcArrayLock, since they don't affect anyone
267 else's snapshot nor latestCompletedXid.
268
269 Transaction start, per se, doesn't have any interlocking with these
270 considerations, since we no longer assign an XID immediately at transaction
271 start.  But when we do decide to allocate an XID, GetNewTransactionId must
272 store the new XID into the shared ProcArray before releasing XidGenLock.
273 This ensures that all top-level XIDs <= latestCompletedXid are either
274 present in the ProcArray, or not running anymore.  (This guarantee doesn't
275 apply to subtransaction XIDs, because of the possibility that there's not
276 room for them in the subxid array; instead we guarantee that they are
277 present or the overflow flag is set.)  If a backend released XidGenLock
278 before storing its XID into MyProc, then it would be possible for another
279 backend to allocate and commit a later XID, causing latestCompletedXid to
280 pass the first backend's XID, before that value became visible in the
281 ProcArray.  That would break GetOldestXmin, as discussed below.
282
283 We allow GetNewTransactionId to store the XID into MyProc->xid (or the
284 subxid array) without taking ProcArrayLock.  This was once necessary to
285 avoid deadlock; while that is no longer the case, it's still beneficial for
286 performance.  We are thereby relying on fetch/store of an XID to be atomic,
287 else other backends might see a partially-set XID.  This also means that
288 readers of the ProcArray xid fields must be careful to fetch a value only
289 once, rather than assume they can read it multiple times and get the same
290 answer each time.  (Use volatile-qualified pointers when doing this, to
291 ensure that the C compiler does exactly what you tell it to.)
292
293 Another important activity that uses the shared ProcArray is GetOldestXmin,
294 which must determine a lower bound for the oldest xmin of any active MVCC
295 snapshot, system-wide.  Each individual backend advertises the smallest
296 xmin of its own snapshots in MyProc->xmin, or zero if it currently has no
297 live snapshots (eg, if it's between transactions or hasn't yet set a
298 snapshot for a new transaction).  GetOldestXmin takes the MIN() of the
299 valid xmin fields.  It does this with only shared lock on ProcArrayLock,
300 which means there is a potential race condition against other backends
301 doing GetSnapshotData concurrently: we must be certain that a concurrent
302 backend that is about to set its xmin does not compute an xmin less than
303 what GetOldestXmin returns.  We ensure that by including all the active
304 XIDs into the MIN() calculation, along with the valid xmins.  The rule that
305 transactions can't exit without taking exclusive ProcArrayLock ensures that
306 concurrent holders of shared ProcArrayLock will compute the same minimum of
307 currently-active XIDs: no xact, in particular not the oldest, can exit
308 while we hold shared ProcArrayLock.  So GetOldestXmin's view of the minimum
309 active XID will be the same as that of any concurrent GetSnapshotData, and
310 so it can't produce an overestimate.  If there is no active transaction at
311 all, GetOldestXmin returns latestCompletedXid + 1, which is a lower bound
312 for the xmin that might be computed by concurrent or later GetSnapshotData
313 calls.  (We know that no XID less than this could be about to appear in
314 the ProcArray, because of the XidGenLock interlock discussed above.)
315
316 GetSnapshotData also performs an oldest-xmin calculation (which had better
317 match GetOldestXmin's) and stores that into RecentGlobalXmin, which is used
318 for some tuple age cutoff checks where a fresh call of GetOldestXmin seems
319 too expensive.  Note that while it is certain that two concurrent
320 executions of GetSnapshotData will compute the same xmin for their own
321 snapshots, as argued above, it is not certain that they will arrive at the
322 same estimate of RecentGlobalXmin.  This is because we allow XID-less
323 transactions to clear their MyProc->xmin asynchronously (without taking
324 ProcArrayLock), so one execution might see what had been the oldest xmin,
325 and another not.  This is OK since RecentGlobalXmin need only be a valid
326 lower bound.  As noted above, we are already assuming that fetch/store
327 of the xid fields is atomic, so assuming it for xmin as well is no extra
328 risk.
329
330
331 pg_clog and pg_subtrans
332 -----------------------
333
334 pg_clog and pg_subtrans are permanent (on-disk) storage of transaction related
335 information.  There is a limited number of pages of each kept in memory, so
336 in many cases there is no need to actually read from disk.  However, if
337 there's a long running transaction or a backend sitting idle with an open
338 transaction, it may be necessary to be able to read and write this information
339 from disk.  They also allow information to be permanent across server restarts.
340
341 pg_clog records the commit status for each transaction that has been assigned
342 an XID.  A transaction can be in progress, committed, aborted, or
343 "sub-committed".  This last state means that it's a subtransaction that's no
344 longer running, but its parent has not updated its state yet.  It is not
345 necessary to update a subtransaction's transaction status to subcommit, so we
346 can just defer it until main transaction commit.  The main role of marking
347 transactions as sub-committed is to provide an atomic commit protocol when
348 transaction status is spread across multiple clog pages. As a result, whenever
349 transaction status spreads across multiple pages we must use a two-phase commit
350 protocol: the first phase is to mark the subtransactions as sub-committed, then
351 we mark the top level transaction and all its subtransactions committed (in
352 that order).  Thus, subtransactions that have not aborted appear as in-progress
353 even when they have already finished, and the subcommit status appears as a
354 very short transitory state during main transaction commit.  Subtransaction
355 abort is always marked in clog as soon as it occurs.  When the transaction
356 status all fit in a single CLOG page, we atomically mark them all as committed
357 without bothering with the intermediate sub-commit state.
358
359 Savepoints are implemented using subtransactions.  A subtransaction is a
360 transaction inside a transaction; its commit or abort status is not only
361 dependent on whether it committed itself, but also whether its parent
362 transaction committed.  To implement multiple savepoints in a transaction we
363 allow unlimited transaction nesting depth, so any particular subtransaction's
364 commit state is dependent on the commit status of each and every ancestor
365 transaction.
366
367 The "subtransaction parent" (pg_subtrans) mechanism records, for each
368 transaction with an XID, the TransactionId of its parent transaction.  This
369 information is stored as soon as the subtransaction is assigned an XID.
370 Top-level transactions do not have a parent, so they leave their pg_subtrans
371 entries set to the default value of zero (InvalidTransactionId).
372
373 pg_subtrans is used to check whether the transaction in question is still
374 running --- the main Xid of a transaction is recorded in the PGPROC struct,
375 but since we allow arbitrary nesting of subtransactions, we can't fit all Xids
376 in shared memory, so we have to store them on disk.  Note, however, that for
377 each transaction we keep a "cache" of Xids that are known to be part of the
378 transaction tree, so we can skip looking at pg_subtrans unless we know the
379 cache has been overflowed.  See storage/ipc/procarray.c for the gory details.
380
381 slru.c is the supporting mechanism for both pg_clog and pg_subtrans.  It
382 implements the LRU policy for in-memory buffer pages.  The high-level routines
383 for pg_clog are implemented in transam.c, while the low-level functions are in
384 clog.c.  pg_subtrans is contained completely in subtrans.c.
385
386
387 Write-Ahead Log Coding
388 ----------------------
389
390 The WAL subsystem (also called XLOG in the code) exists to guarantee crash
391 recovery.  It can also be used to provide point-in-time recovery, as well as
392 hot-standby replication via log shipping.  Here are some notes about
393 non-obvious aspects of its design.
394
395 A basic assumption of a write AHEAD log is that log entries must reach stable
396 storage before the data-page changes they describe.  This ensures that
397 replaying the log to its end will bring us to a consistent state where there
398 are no partially-performed transactions.  To guarantee this, each data page
399 (either heap or index) is marked with the LSN (log sequence number --- in
400 practice, a WAL file location) of the latest XLOG record affecting the page.
401 Before the bufmgr can write out a dirty page, it must ensure that xlog has
402 been flushed to disk at least up to the page's LSN.  This low-level
403 interaction improves performance by not waiting for XLOG I/O until necessary.
404 The LSN check exists only in the shared-buffer manager, not in the local
405 buffer manager used for temp tables; hence operations on temp tables must not
406 be WAL-logged.
407
408 During WAL replay, we can check the LSN of a page to detect whether the change
409 recorded by the current log entry is already applied (it has been, if the page
410 LSN is >= the log entry's WAL location).
411
412 Usually, log entries contain just enough information to redo a single
413 incremental update on a page (or small group of pages).  This will work only
414 if the filesystem and hardware implement data page writes as atomic actions,
415 so that a page is never left in a corrupt partly-written state.  Since that's
416 often an untenable assumption in practice, we log additional information to
417 allow complete reconstruction of modified pages.  The first WAL record
418 affecting a given page after a checkpoint is made to contain a copy of the
419 entire page, and we implement replay by restoring that page copy instead of
420 redoing the update.  (This is more reliable than the data storage itself would
421 be because we can check the validity of the WAL record's CRC.)  We can detect
422 the "first change after checkpoint" by noting whether the page's old LSN
423 precedes the end of WAL as of the last checkpoint (the RedoRecPtr).
424
425 The general schema for executing a WAL-logged action is
426
427 1. Pin and exclusive-lock the shared buffer(s) containing the data page(s)
428 to be modified.
429
430 2. START_CRIT_SECTION()  (Any error during the next three steps must cause a
431 PANIC because the shared buffers will contain unlogged changes, which we
432 have to ensure don't get to disk.  Obviously, you should check conditions
433 such as whether there's enough free space on the page before you start the
434 critical section.)
435
436 3. Apply the required changes to the shared buffer(s).
437
438 4. Mark the shared buffer(s) as dirty with MarkBufferDirty().  (This must
439 happen before the WAL record is inserted; see notes in SyncOneBuffer().)
440
441 5. Build a WAL log record and pass it to XLogInsert(); then update the page's
442 LSN and TLI using the returned XLOG location.  For instance,
443
444                 recptr = XLogInsert(rmgr_id, info, rdata);
445
446                 PageSetLSN(dp, recptr);
447                 PageSetTLI(dp, ThisTimeLineID);
448
449 6. END_CRIT_SECTION()
450
451 7. Unlock and unpin the buffer(s).
452
453 XLogInsert's "rdata" argument is an array of pointer/size items identifying
454 chunks of data to be written in the XLOG record, plus optional shared-buffer
455 IDs for chunks that are in shared buffers rather than temporary variables.
456 The "rdata" array must mention (at least once) each of the shared buffers
457 being modified, unless the action is such that the WAL replay routine can
458 reconstruct the entire page contents.  XLogInsert includes the logic that
459 tests to see whether a shared buffer has been modified since the last
460 checkpoint.  If not, the entire page contents are logged rather than just the
461 portion(s) pointed to by "rdata".
462
463 Because XLogInsert drops the rdata components associated with buffers it
464 chooses to log in full, the WAL replay routines normally need to test to see
465 which buffers were handled that way --- otherwise they may be misled about
466 what the XLOG record actually contains.  XLOG records that describe multi-page
467 changes therefore require some care to design: you must be certain that you
468 know what data is indicated by each "BKP" bit.  An example of the trickiness
469 is that in a HEAP_UPDATE record, BKP(1) normally is associated with the source
470 page and BKP(2) is associated with the destination page --- but if these are
471 the same page, only BKP(1) would have been set.
472
473 For this reason as well as the risk of deadlocking on buffer locks, it's best
474 to design WAL records so that they reflect small atomic actions involving just
475 one or a few pages.  The current XLOG infrastructure cannot handle WAL records
476 involving references to more than four shared buffers, anyway.
477
478 In the case where the WAL record contains enough information to re-generate
479 the entire contents of a page, do *not* show that page's buffer ID in the
480 rdata array, even if some of the rdata items point into the buffer.  This is
481 because you don't want XLogInsert to log the whole page contents.  The
482 standard replay-routine pattern for this case is
483
484         buffer = XLogReadBuffer(rnode, blkno, true);
485         Assert(BufferIsValid(buffer));
486         page = (Page) BufferGetPage(buffer);
487
488         ... initialize the page ...
489
490         PageSetLSN(page, lsn);
491         PageSetTLI(page, ThisTimeLineID);
492         MarkBufferDirty(buffer);
493         UnlockReleaseBuffer(buffer);
494
495 In the case where the WAL record provides only enough information to
496 incrementally update the page, the rdata array *must* mention the buffer
497 ID at least once; otherwise there is no defense against torn-page problems.
498 The standard replay-routine pattern for this case is
499
500         if (record->xl_info & XLR_BKP_BLOCK_n)
501                 << do nothing, page was rewritten from logged copy >>;
502
503         buffer = XLogReadBuffer(rnode, blkno, false);
504         if (!BufferIsValid(buffer))
505                 << do nothing, page has been deleted >>;
506         page = (Page) BufferGetPage(buffer);
507
508         if (XLByteLE(lsn, PageGetLSN(page)))
509         {
510                 /* changes are already applied */
511                 UnlockReleaseBuffer(buffer);
512                 return;
513         }
514
515         ... apply the change ...
516
517         PageSetLSN(page, lsn);
518         PageSetTLI(page, ThisTimeLineID);
519         MarkBufferDirty(buffer);
520         UnlockReleaseBuffer(buffer);
521
522 As noted above, for a multi-page update you need to be able to determine
523 which XLR_BKP_BLOCK_n flag applies to each page.  If a WAL record reflects
524 a combination of fully-rewritable and incremental updates, then the rewritable
525 pages don't count for the XLR_BKP_BLOCK_n numbering.  (XLR_BKP_BLOCK_n is
526 associated with the n'th distinct buffer ID seen in the "rdata" array, and
527 per the above discussion, fully-rewritable buffers shouldn't be mentioned in
528 "rdata".)
529
530 Due to all these constraints, complex changes (such as a multilevel index
531 insertion) normally need to be described by a series of atomic-action WAL
532 records.  What do you do if the intermediate states are not self-consistent?
533 The answer is that the WAL replay logic has to be able to fix things up.
534 In btree indexes, for example, a page split requires insertion of a new key in
535 the parent btree level, but for locking reasons this has to be reflected by
536 two separate WAL records.  The replay code has to remember "unfinished" split
537 operations, and match them up to subsequent insertions in the parent level.
538 If no matching insert has been found by the time the WAL replay ends, the
539 replay code has to do the insertion on its own to restore the index to
540 consistency.  Such insertions occur after WAL is operational, so they can
541 and should write WAL records for the additional generated actions.
542
543
544 Write-Ahead Logging for Filesystem Actions
545 ------------------------------------------
546
547 The previous section described how to WAL-log actions that only change page
548 contents within shared buffers.  For that type of action it is generally
549 possible to check all likely error cases (such as insufficient space on the
550 page) before beginning to make the actual change.  Therefore we can make
551 the change and the creation of the associated WAL log record "atomic" by
552 wrapping them into a critical section --- the odds of failure partway
553 through are low enough that PANIC is acceptable if it does happen.
554
555 Clearly, that approach doesn't work for cases where there's a significant
556 probability of failure within the action to be logged, such as creation
557 of a new file or database.  We don't want to PANIC, and we especially don't
558 want to PANIC after having already written a WAL record that says we did
559 the action --- if we did, replay of the record would probably fail again
560 and PANIC again, making the failure unrecoverable.  This means that the
561 ordinary WAL rule of "write WAL before the changes it describes" doesn't
562 work, and we need a different design for such cases.
563
564 There are several basic types of filesystem actions that have this
565 issue.  Here is how we deal with each:
566
567 1. Adding a disk page to an existing table.
568
569 This action isn't WAL-logged at all.  We extend a table by writing a page
570 of zeroes at its end.  We must actually do this write so that we are sure
571 the filesystem has allocated the space.  If the write fails we can just
572 error out normally.  Once the space is known allocated, we can initialize
573 and fill the page via one or more normal WAL-logged actions.  Because it's
574 possible that we crash between extending the file and writing out the WAL
575 entries, we have to treat discovery of an all-zeroes page in a table or
576 index as being a non-error condition.  In such cases we can just reclaim
577 the space for re-use.
578
579 2. Creating a new table, which requires a new file in the filesystem.
580
581 We try to create the file, and if successful we make a WAL record saying
582 we did it.  If not successful, we can just throw an error.  Notice that
583 there is a window where we have created the file but not yet written any
584 WAL about it to disk.  If we crash during this window, the file remains
585 on disk as an "orphan".  It would be possible to clean up such orphans
586 by having database restart search for files that don't have any committed
587 entry in pg_class, but that currently isn't done because of the possibility
588 of deleting data that is useful for forensic analysis of the crash.
589 Orphan files are harmless --- at worst they waste a bit of disk space ---
590 because we check for on-disk collisions when allocating new relfilenode
591 OIDs.  So cleaning up isn't really necessary.
592
593 3. Deleting a table, which requires an unlink() that could fail.
594
595 Our approach here is to WAL-log the operation first, but to treat failure
596 of the actual unlink() call as a warning rather than error condition.
597 Again, this can leave an orphan file behind, but that's cheap compared to
598 the alternatives.  Since we can't actually do the unlink() until after
599 we've committed the DROP TABLE transaction, throwing an error would be out
600 of the question anyway.  (It may be worth noting that the WAL entry about
601 the file deletion is actually part of the commit record for the dropping
602 transaction.)
603
604 4. Creating and deleting databases and tablespaces, which requires creating
605 and deleting directories and entire directory trees.
606
607 These cases are handled similarly to creating individual files, ie, we
608 try to do the action first and then write a WAL entry if it succeeded.
609 The potential amount of wasted disk space is rather larger, of course.
610 In the creation case we try to delete the directory tree again if creation
611 fails, so as to reduce the risk of wasted space.  Failure partway through
612 a deletion operation results in a corrupt database: the DROP failed, but
613 some of the data is gone anyway.  There is little we can do about that,
614 though, and in any case it was presumably data the user no longer wants.
615
616 In all of these cases, if WAL replay fails to redo the original action
617 we must panic and abort recovery.  The DBA will have to manually clean up
618 (for instance, free up some disk space or fix directory permissions) and
619 then restart recovery.  This is part of the reason for not writing a WAL
620 entry until we've successfully done the original action.
621
622
623 Asynchronous Commit
624 -------------------
625
626 As of PostgreSQL 8.3 it is possible to perform asynchronous commits - i.e.,
627 we don't wait while the WAL record for the commit is fsync'ed.
628 We perform an asynchronous commit when synchronous_commit = off.  Instead
629 of performing an XLogFlush() up to the LSN of the commit, we merely note
630 the LSN in shared memory.  The backend then continues with other work.
631 We record the LSN only for an asynchronous commit, not an abort; there's
632 never any need to flush an abort record, since the presumption after a
633 crash would be that the transaction aborted anyway.
634
635 We always force synchronous commit when the transaction is deleting
636 relations, to ensure the commit record is down to disk before the relations
637 are removed from the filesystem.  Also, certain utility commands that have
638 non-roll-backable side effects (such as filesystem changes) force sync
639 commit to minimize the window in which the filesystem change has been made
640 but the transaction isn't guaranteed committed.
641
642 Every wal_writer_delay milliseconds, the walwriter process performs an
643 XLogBackgroundFlush().  This checks the location of the last completely
644 filled WAL page.  If that has moved forwards, then we write all the changed
645 buffers up to that point, so that under full load we write only whole
646 buffers.  If there has been a break in activity and the current WAL page is
647 the same as before, then we find out the LSN of the most recent
648 asynchronous commit, and flush up to that point, if required (i.e.,
649 if it's in the current WAL page).  This arrangement in itself would
650 guarantee that an async commit record reaches disk during at worst the
651 second walwriter cycle after the transaction completes.  However, we also
652 allow XLogFlush to flush full buffers "flexibly" (ie, not wrapping around
653 at the end of the circular WAL buffer area), so as to minimize the number
654 of writes issued under high load when multiple WAL pages are filled per
655 walwriter cycle.  This makes the worst-case delay three walwriter cycles.
656
657 There are some other subtle points to consider with asynchronous commits.
658 First, for each page of CLOG we must remember the LSN of the latest commit
659 affecting the page, so that we can enforce the same flush-WAL-before-write
660 rule that we do for ordinary relation pages.  Otherwise the record of the
661 commit might reach disk before the WAL record does.  Again, abort records
662 need not factor into this consideration.
663
664 In fact, we store more than one LSN for each clog page.  This relates to
665 the way we set transaction status hint bits during visibility tests.
666 We must not set a transaction-committed hint bit on a relation page and
667 have that record make it to disk prior to the WAL record of the commit.
668 Since visibility tests are normally made while holding buffer share locks,
669 we do not have the option of changing the page's LSN to guarantee WAL
670 synchronization.  Instead, we defer the setting of the hint bit if we have
671 not yet flushed WAL as far as the LSN associated with the transaction.
672 This requires tracking the LSN of each unflushed async commit.  It is
673 convenient to associate this data with clog buffers: because we will flush
674 WAL before writing a clog page, we know that we do not need to remember a
675 transaction's LSN longer than the clog page holding its commit status
676 remains in memory.  However, the naive approach of storing an LSN for each
677 clog position is unattractive: the LSNs are 32x bigger than the two-bit
678 commit status fields, and so we'd need 256K of additional shared memory for
679 each 8K clog buffer page.  We choose instead to store a smaller number of
680 LSNs per page, where each LSN is the highest LSN associated with any
681 transaction commit in a contiguous range of transaction IDs on that page.
682 This saves storage at the price of some possibly-unnecessary delay in
683 setting transaction hint bits.
684
685 How many transactions should share the same cached LSN (N)?  If the
686 system's workload consists only of small async-commit transactions, then
687 it's reasonable to have N similar to the number of transactions per
688 walwriter cycle, since that is the granularity with which transactions will
689 become truly committed (and thus hintable) anyway.  The worst case is where
690 a sync-commit xact shares a cached LSN with an async-commit xact that
691 commits a bit later; even though we paid to sync the first xact to disk,
692 we won't be able to hint its outputs until the second xact is sync'd, up to
693 three walwriter cycles later.  This argues for keeping N (the group size)
694 as small as possible.  For the moment we are setting the group size to 32,
695 which makes the LSN cache space the same size as the actual clog buffer
696 space (independently of BLCKSZ).
697
698 It is useful that we can run both synchronous and asynchronous commit
699 transactions concurrently, but the safety of this is perhaps not
700 immediately obvious.  Assume we have two transactions, T1 and T2.  The Log
701 Sequence Number (LSN) is the point in the WAL sequence where a transaction
702 commit is recorded, so LSN1 and LSN2 are the commit records of those
703 transactions.  If T2 can see changes made by T1 then when T2 commits it
704 must be true that LSN2 follows LSN1.  Thus when T2 commits it is certain
705 that all of the changes made by T1 are also now recorded in the WAL.  This
706 is true whether T1 was asynchronous or synchronous.  As a result, it is
707 safe for asynchronous commits and synchronous commits to work concurrently
708 without endangering data written by synchronous commits.  Sub-transactions
709 are not important here since the final write to disk only occurs at the
710 commit of the top level transaction.
711
712 Changes to data blocks cannot reach disk unless WAL is flushed up to the
713 point of the LSN of the data blocks.  Any attempt to write unsafe data to
714 disk will trigger a write which ensures the safety of all data written by
715 that and prior transactions.  Data blocks and clog pages are both protected
716 by LSNs.
717
718 Changes to a temp table are not WAL-logged, hence could reach disk in
719 advance of T1's commit, but we don't care since temp table contents don't
720 survive crashes anyway.
721
722 Database writes made via any of the paths we have introduced to avoid WAL
723 overhead for bulk updates are also safe.  In these cases it's entirely
724 possible for the data to reach disk before T1's commit, because T1 will
725 fsync it down to disk without any sort of interlock, as soon as it finishes
726 the bulk update.  However, all these paths are designed to write data that
727 no other transaction can see until after T1 commits.  The situation is thus
728 not different from ordinary WAL-logged updates.
729
730 Transaction Emulation during Recovery
731 -------------------------------------
732
733 During Recovery we replay transaction changes in the order they occurred.
734 As part of this replay we emulate some transactional behaviour, so that
735 read only backends can take MVCC snapshots. We do this by maintaining a
736 list of XIDs belonging to transactions that are being replayed, so that
737 each transaction that has recorded WAL records for database writes exist
738 in the array until it commits. Further details are given in comments in
739 procarray.c.
740
741 Many actions write no WAL records at all, for example read only transactions.
742 These have no effect on MVCC in recovery and we can pretend they never
743 occurred at all. Subtransaction commit does not write a WAL record either
744 and has very little effect, since lock waiters need to wait for the
745 parent transaction to complete.
746
747 Not all transactional behaviour is emulated, for example we do not insert
748 a transaction entry into the lock table, nor do we maintain the transaction
749 stack in memory. Clog entries are made normally. Multitrans is not maintained
750 because its purpose is to record tuple level locks that an application has
751 requested to prevent write locks. Since write locks cannot be obtained at all,
752 there is never any conflict and so there is no reason to update multitrans.
753 Subtrans is maintained during recovery but the details of the transaction
754 tree are ignored and all subtransactions reference the top-level TransactionId
755 directly. Since commit is atomic this provides correct lock wait behaviour
756 yet simplifies emulation of subtransactions considerably.
757
758 Further details on locking mechanics in recovery are given in comments
759 with the Lock rmgr code.