操作系统中的文件
数据库的本质其实就是用来存储数据的，所以免不了和文件系统、存储进行交互，万丈高楼平地起，存储一般是一个数据库的最底层，Postgres 在存储的文件管理方面也有很多的设计与抽象。
在操作系统层面，提供了一些文件操作相关的系统调用（fopen、fclose、fsync 等），我们作为上层使用者，可以直接通过 C 语言库进行调用即可（Postgres 使用 C 语言编写）。
具体和文件系统的交互我们并不关心，操作系统打开文件之后，会在进程的控制块中维护一些打开文件的相关信息，并返回一个文件描述符，后续我们与文件的交互都通过文件描述符进行。
操作系统能够打开多少文件，是有限制的，一个是系统级限制，指的是在内核中可以打开多少文件，可以通过命令 sysctl fs.file-max 查看。另一个是用户级限制，为了不让某个进程打开太多的文件，进而消耗所有的资源，对单个进程能打开文件也有限制，可以通过 ulimit -n 命令查看。
Postgres 的 VFD 作用
Postgres 数据库在运行的过程当中，可能会打开非常多的文件，比如数据表对应的文件，元数据表文件，以及一些在 SQL 运行时打开的临时文件，例如排序、哈希表所需的文件。
所以有非常大的概率超过单个进程打开文件数量的限制，为了解决这个问题，Postgres 设计了 VFD（虚拟文件描述符）机制，主要是将实际的操作系统文件描述符维护到一个 LRU 缓存中，通过切换打开的方式，规避了进程打开文件数量的限制。
如果一个进程打开的文件数目达到了限制，则暂时关闭最久未使用的文件，保存其状态，待下次重新打开。
VFD 的基本工作方式
Postgres 主要通过一个进程私有的数组来维护 VFD，名为 VfdCache。
/*
* Virtual File Descriptor array pointer and size. This grows as
* needed. 'File' values are indexes into this array.
* Note that VfdCache[0] is not a usable VFD, just a list header.
*/
static Vfd *VfdCache;
VfdCache 数组的第一个元素不存储任何数据，仅作为头部使用，下面是 vfdCache 的初始化逻辑，会在 backend 进程启动的时候调用，大致的逻辑就是为 VfdCache 数组分配内存。
/*
* InitFileAccess --- initialize this module during backend startup
*
* This is called during either normal or standalone backend start.
* It is *not* called in the postmaster.
*
* Note that this does not initialize temporary file access, that is
* separately initialized via InitTemporaryFileAccess().
*/
void
InitFileAccess(void)
{
Assert(SizeVfdCache == 0); /* call me only once */
/* initialize cache header entry */
VfdCache = (Vfd *) malloc(sizeof(Vfd));
if (VfdCache == NULL)
ereport(FATAL,
(errcode(ERRCODE_OUT_OF_MEMORY),
errmsg("out of memory")));
MemSet((char *) &(VfdCache[0]), 0, sizeof(Vfd));
VfdCache->fd = VFD_CLOSED;
SizeVfdCache = 1;
}
如果需要打开一个文件，那么会首先在 VfdCache 数组中查找空闲的虚拟文件描述符，主要是通过 nextFree 指针进行查找，如果当前没有空闲的 vfd 了，那么会启动扩容机制，初始情况下，VfdCache size 是 32，每次扩容为原来的 2 倍。
Vfd 扩容和分配的逻辑都在方法 AllocateVfd 中。
static File
AllocateVfd(void)
{
Index i;
File file;
DO_DB(elog(LOG, "AllocateVfd. Size %zu", SizeVfdCache));
Assert(SizeVfdCache > 0); /* InitFileAccess not called? */
if (VfdCache[0].nextFree == 0)
{
/*
* The free list is empty so it is time to increase the size of the
* array. We choose to double it each time this happens. However,
* there's not much point in starting *real* small.
*/
Size newCacheSize = SizeVfdCache * 2;
Vfd *newVfdCache;
if (newCacheSize < 32)
newCacheSize = 32;
/*
* Be careful not to clobber VfdCache ptr if realloc fails.
*/
newVfdCache = (Vfd *) realloc(VfdCache, sizeof(Vfd) * newCacheSize);
if (newVfdCache == NULL)
ereport(ERROR,
(errcode(ERRCODE_OUT_OF_MEMORY),
errmsg("out of memory")));
VfdCache = newVfdCache;
/*
* Initialize the new entries and link them into the free list.
*/
for (i = SizeVfdCache; i < newCacheSize; i++)
{
MemSet((char *) &(VfdCache[i]), 0, sizeof(Vfd));
VfdCache[i].nextFree = i + 1;
VfdCache[i].fd = VFD_CLOSED;
}
VfdCache[newCacheSize - 1].nextFree = 0;
VfdCache[0].nextFree = SizeVfdCache;
/*
* Record the new size
*/
SizeVfdCache = newCacheSize;
}
file = VfdCache[0].nextFree;
VfdCache[0].nextFree = VfdCache[file].nextFree;
return file;
}
拿到虚拟文件描述符之后，会调用 C 库函数 open 实际去打开文件，并且将一些文件状态维护到 Vfd 结构体中，这个结构体主要存储的是虚拟文件描述符的一些信息，也就是存储到 VfdCache 数组中的结构。
typedef struct vfd
{
int fd; /* current FD, or VFD_CLOSED if none */
unsigned short fdstate; /* bitflags for VFD's state */
ResourceOwner resowner; /* owner, for automatic cleanup */
File nextFree; /* link to next free VFD, if in freelist */
File lruMoreRecently; /* doubly linked recency-of-use list */
File lruLessRecently;
off_t fileSize; /* current size of file (0 if not temporary) */
char *fileName; /* name of file, or NULL for unused VFD */
/* NB: fileName is malloc'd, and must be free'd when closing the VFD */
int fileFlags; /* open(2) flags for (re)opening the file */
mode_t fileMode; /* mode to pass to open(2) */
} Vfd;
Vfd 结构体中，主要通过 nextFree、lruMoreRecently、lruLessRecently 指针将 vfd 维护到不同的队列里面。
每次新打开一个文件，都会将该 vfd 通过 lruMoreRecently 和 lruLessRecently 指针，维护这个双向链表，每次关闭一个 VfdCache 中的文件，都会将其从链表中删除。
每次查找空闲的 VfdCache 的时候，都会通过 nextFree 链表进行查找。
img
以访问文件为例，首先会判断文件是否打开，如果没有打开的话，则打开文件并且将其放到最近使用的链表中。
主要的逻辑在函数 LruInsert 中，在实际打开文件之前，会尝试关闭最久未使用的文件。
然后会通过系统调用打开文件，并且获取到实际的文件描述符（fd），将其保存到 vfdP 结构中。
static int
LruInsert(File file)
{
Vfd *vfdP;
Assert(file != 0);
DO_DB(elog(LOG, "LruInsert %d (%s)",
file, VfdCache[file].fileName));
vfdP = &VfdCache[file];
if (FileIsNotOpen(file))
{
/* Close excess kernel FDs. */
ReleaseLruFiles();
/*
* The open could still fail for lack of file descriptors, eg due to
* overall system file table being full. So, be prepared to release
* another FD if necessary...
*/
vfdP->fd = BasicOpenFilePerm(vfdP->fileName, vfdP->fileFlags,
vfdP->fileMode);
if (vfdP->fd < 0)
{
DO_DB(elog(LOG, "re-open failed: %m"));
return -1;
}
else
{
++nfile;
}
}
/*
* put it at the head of the Lru ring
*/
Insert(file);
return 0;
}
如果文件已经是打开状态，那么会先从链表中删除，然后将其插入到最近使用的链表中。将 Vfd 加入到链表中，代码如下，可以看到主要是通过维护 lruMoreRecently 和 lruLessRecently 这两个指针，将当前 vfd 加入到链表的头部。
static void
Insert(File file)
{
Vfd *vfdP;
Assert(file != 0);
DO_DB(elog(LOG, "Insert %d (%s)",
file, VfdCache[file].fileName));
DO_DB(_dump_lru());
vfdP = &VfdCache[file];
vfdP->lruMoreRecently = 0;
vfdP->lruLessRecently = VfdCache[0].lruLessRecently;
VfdCache[0].lruLessRecently = file;
VfdCache[vfdP->lruLessRecently].lruMoreRecently = file;
DO_DB(_dump_lru());
}
而 Delete 方法则描述的是将一个 vfd 从链表中删除。
static void
Delete(File file)
{
Vfd *vfdP;
Assert(file != 0);
DO_DB(elog(LOG, "Delete %d (%s)",
file, VfdCache[file].fileName));
DO_DB(_dump_lru());
vfdP = &VfdCache[file];
VfdCache[vfdP->lruLessRecently].lruMoreRecently = vfdP->lruMoreRecently;
VfdCache[vfdP->lruMoreRecently].lruLessRecently = vfdP->lruLessRecently;
DO_DB(_dump_lru());
}
小结
Postgres 中的 VFD，即虚拟文件描述符，主要是为了能够规避操作系统中最大打开文件数的限制，采用切换打开的方式，维护了一个链表，将最近打开的文件维护到链表头部，最久未使用的文件放置到链表尾部。
访问文件的时候，会从 VfdCache 数组中查找空闲的虚拟文件描述符，如果找到的话，则直接使用，否则分配新的 VfdCache 空间。
在打开文件的时候，会尝试关闭最久未使用的文件，将位置留给最新打开的文件。
通过这种方式，Postgres 可以打开远超过系统和进程限制的文件数量，是一个非常精妙的设计。
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