checkpoint又名檢查點，一般checkpoint會將某個時間點之前的髒資料全部重新整理到磁碟，以實現資料的一致性與完整性。目前各個流行的關係型資料庫都具備checkpoint功能，其主要目的是為了縮短崩潰恢復時間，以Oracle為例，在進行資料恢復時，會以最近的checkpoint為參考點執行事務前滾。而在WAL機制的淺析中，也提過PostgreSQL在崩潰恢復時會以最近的checkpoint為基礎，不斷應用這之後的WAL日誌。

檢查點發生時機

在xlog.h檔案中，有如下程式碼對checkpoint進行了相應的分類：

/*
 * 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 */

也就是說，以下幾種情況會觸發資料庫作業系統做檢查點操作：

1. 超級使用者（其他使用者不可）執行CHECKPOINT命令
2. 資料庫shutdown
3. 資料庫recovery完成
4. XLOG日誌量達到了觸發checkpoint閾值
5. 週期性地進行checkpoint
6. 需要重新整理所有髒頁

為了能夠週期性的建立檢查點，減少崩潰恢復時間，同時合併I/O，PostgreSQL提供了輔助程序checkpointer。它會對不斷檢測週期時間以及上面的XLOG日誌量閾值是否達到，而週期時間以及XLOG日誌量閾值可以通過引數來設定大小，接下來介紹下與checkpoints相關的引數。

與檢查點相關引數

• checkpoint_segments
  • WAL log的最大數量，系統預設值是3。超過該數量的WAL日誌，會自動觸發checkpoint。
• checkpoint_timeout
  • 系統自動執行checkpoint之間的最大時間間隔。系統預設值是5分鐘。
• checkpoint_completion_target
  • 該引數表示checkpoint的完成時間佔兩次checkpoint時間間隔的比例，系統預設值是0.5,也就是說每個checkpoint需要在checkpoints間隔時間的50%內完成。
• checkpoint_warning
  • 系統預設值是30秒，如果checkpoints的實際發生間隔小於該引數，將會在server log中寫入寫入一條相關資訊。可以通過設定為0禁用。

建立檢查點具體過程

CreateCheckPoint具體過程

當PostgreSQL觸發checkpoint發生的條件後，會呼叫CreateCheckPoint函式建立具體的檢查點，具體過程如下：

1. 遍歷所有的資料buffer，將髒頁塊狀態從BM_DIRTY改為BM_CHECKPOINT_NEEDED，表示這些髒頁將要被checkpoint重新整理到磁碟
2. 呼叫CheckPointGuts函式將共享記憶體中的髒頁刷出到磁碟
3. 生成新的Checkpoint 記錄寫入到XLOG中
4. 更新控制檔案、共享記憶體裡XlogCtl的檢查點相關成員、檢查點的統計資訊結構

PostgreSQL 控制檔案pg_control裡儲存的資料是一個ControlFileData結構，具體如下：

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;		/* 最近一次建立checkpoint的LSN*/
        XLogRecPtr	prevCheckPoint; /* 最近一次之前建立checkpoint的LSN */
        /*由於一個檢查點的時間比較長，所以有可能系統在所有頁面寫完之前崩潰，這樣磁碟上的檢查點可能是不完全的，因此將最後一個完全檢查點位置寫在prevCheckPoint上*/

	CheckPoint	checkPointCopy; /* 最近一次checkpoint對應的CheckPoint物件 */

	XLogRecPtr	minRecoveryPoint;
	TimeLineID	minRecoveryPointTLI;
	XLogRecPtr	backupStartPoint;
	XLogRecPtr	backupEndPoint;
	bool		backupEndRequired;
   ......

其中，minRecoveryPoint和minRecoveryPointTLI確定資料庫啟動前，如果做歸檔恢復，我們必須恢復到的最小檢查點。其中minRecoveryPoint指向該檢查點對應的LSN位置，minRecoveryPointTLI指向該檢查點對應的時間線。其具體的用法，我們將在之後的PostgreSQL崩潰恢復中分析，這裡我們主要分析下PostgreSQL中的時間線概念。

PostgreSQL中WAL日誌段名稱，由時間線ID、日誌ID、段ID的八位16進位制數依次構成。例如：

其中時間線是作為日誌段名稱的一部分，用來標識資料庫歸檔恢復後產生的一系列新的WAL記錄。在每次歸檔恢復完成後，都會產生一個新的時間線和新的WAL日誌段。時間線可以理解為平行時空中的各個平行宇宙，我們完全可以恢復到某個時間點，重開一條時間線，繼續進行資料操作，這樣就可以實現完全的PTIR。

在PostgreSQL中，一個新的時間線產生，系統伴隨它會建立一個以“新TimeLineID+.history”命名的“時間線歷史”檔案(timeline history)，它是一個類似於txt的檔案，其中包含所有在當前時間線以前的時間線，同時記錄了每個時間線開始時的第一個WAL段，這樣資料庫恢復時，通過讀取時間線歷史檔案檔案，根據目標時間點可以快速找到正確的日誌段檔案。如果上一次恢復是恢復到具體某時刻，在時間線歷史檔案中還會記錄該時間線對應的具體時刻。

在PITR恢復時，無需掃描所有WAL日誌檔案，而是通過時間線直接定位某個WAL段，再從該WAL段中找到符合該時間點的日誌記錄，這樣就大大提高了效率。同時資料庫恢復時，預設是沿著基備份開始時的時間點進行，即利用從基備份完成後產生的第一個日誌段檔案做恢復，如果想恢復到指定時間點(時間線)，需要在recovery.conf配置檔案中設定目標時間線(target timeline ID)，但是target timeline ID不能指定為基備份以前的時間線。

CheckPointGuts函式

CheckPointGuts函式將共享記憶體裡的資料刷出並檔案同步到磁碟，具體定義如下：

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根據不同的快取型別，把clog、subtrans、multixact、predicate、relationmap、buffer（資料檔案）和twophase相應快取分別呼叫不同的方法，將快取刷到磁碟中：

• 提交事務日誌管理器的方法CheckPointClog
• 子事務日誌管理器的方法CheckPointSUBTRANS
• 多事務日誌管理器的方法CheckPointMultiXact
• 支援序列化事務隔離級別的謂詞鎖模組的方法CheckPointPredicate
• 目錄/系統表到檔案節點對映模組的方法CheckPointRelationMap
• 快取管理器的方法CheckPointBuffers
• 兩階段提交模組的方法CheckPointTwoPhase

其中，前四個函式最後都呼叫了SLRU模組的SimpleLruFlush（簡單最近最少使用）方法，把相應的共享記憶體資料寫到磁碟，並通過呼叫pg_fsync方法把相應檔案刷到磁碟上對應檔案。

後二個函式沒有使用SLRU演算法，直接呼叫pg_fsync方法把相應檔案刷到磁碟上對應檔案。

而目錄/系統表到檔案節點對映模組的方法CheckPointRelationMap，會將共享記憶體裡系統表和對應物理檔案對映的map檔案刷到磁碟。

總結

至此，我們大體瞭解了checkpoint的用法和整個實現過程，但是還需要對一些特別的地方做出說明。

• 每個檢查點後，第一次資料頁的變化會導致整個頁面會被記錄在XLOG日誌中
• 檢查點的開銷比較高，可以用checkpoint_warning自檢，相應調大checkpoint_segments
• 檢查點的位置儲存在檔案 pg_control，pg_control檔案被損壞可能會導致資料庫不可用

其中，如果pg_control檔案損壞，在資料庫崩潰恢復時可能出現一些問題，這些問題我們將在分析PostgreSQL資料庫崩潰恢復時具體分析。