PostgreSQL TOAST 技术理解

TOAST 是“ The Oversized-Attribute Storage Technique ”的缩写，主要用于存储一个大字段的值。要理解 TOAST ，我们要先理解页（ BLOCK ）的概念。在 PG 中，页是数据在文件存储中的基本单位，其大小是固定的且只能在编译期指定，之后无法修改，默认的大小为8 KB 。同时，PG 不允许一行数据跨页存储，那么对于超长的行数据，PG 就会启动 TOAST ，具体就是采用压缩和切片的方式。如果启用了切片，实际数据存储在另一张系统表的多个行中，这张表就叫 TOAST 表，这种存储方式叫行外存储。

在深入细节之前，我们要先了解，在 PG 中每个表字段有四种 TOAST 的策略：

• PLAIN ：避免压缩和行外存储。只有那些不需要 TOAST 策略就能存放的数据类型允许选择（例如 int 类型），而对于 text 这类要求存储长度超过页大小的类型，是不允许采用此策略的
• EXTENDED ：允许压缩和行外存储。一般会先压缩，如果还是太大，就会行外存储
• EXTERNA ：允许行外存储，但不许压缩。类似字符串这种会对数据的一部分进行操作的字段，采用此策略可能获得更高的性能，因为不需要读取出整行数据再解压。
• MAIN ：允许压缩，但不许行外存储。不过实际上，为了保证过大数据的存储，行外存储在其它方式（例如压缩）都无法满足需求的情况下，作为最后手段还是会被启动。因此理解为：尽量不使用行外存储更贴切。 现在我们通过实际操作来研究 TOAST 的细节：

首先创建一张 blog 表：

postgres=# create table blog(id int, title text, content text);
CREATE TABLE
postgres=# \d+ blog;
                          Table "public.blog"
 Column  |  Type   | Modifiers | Storage  | Stats target | Description 
---------+---------+-----------+----------+--------------+-------------
 id      | integer |           | plain    |              | 
 title   | text    |           | extended |              | 
 content | text    |           | extended |              |

可以看到，interger 默认 TOAST 策略为 plain ，而 text 为 extended 。PG 资料告诉我们，如果表中有字段需要 TOAST ，那么系统会自动创建一张 TOAST 表负责行外存储，那么这张表在哪里？

postgres=# select relname,relfilenode,reltoastrelid from pg_class where relname='blog';
 relname | relfilenode | reltoastrelid 
---------+-------------+---------------
 blog    |       16441 |         16444
(1 row)

通过上诉语句，我们查到 blog 表的 oid 为16441，其对应 TOAST 表的 oid 为16444（关于 oid 和 pg_class 的概念，请参考PG官方文档），那么其对应 TOAST 表名则为： pg_toast.pg_toast_16441（注意这里是 blog 表的 oid ），我们看下其定义：

postgres=# \d+ pg_toast.pg_toast_16441;
TOAST table "pg_toast.pg_toast_16441"
   Column   |  Type   | Storage 
------------+---------+---------
 chunk_id   | oid     | plain
 chunk_seq  | integer | plain
 chunk_data | bytea   | plain

TOAST 表有3个字段：

• chunk_id ：用来表示特定 TOAST 值的 OID ，可以理解为具有同样 chunk_id 值的所有行组成原表（这里的 blog ）的 TOAST 字段的一行数据
• chunk_seq ：用来表示该行数据在整个数据中的位置
• chunk_data ：实际存储的数据。

现在我们来实际验证下:

postgres=# insert into blog values(1, 'title', '0123456789');
INSERT 0 1
postgres=# select * from blog;
 id | title |  content   
----+-------+------------
  1 | title | 0123456789
(1 row)

postgres=# select * from pg_toast.pg_toast_16441;
 chunk_id | chunk_seq | chunk_data 
----------+-----------+------------
(0 rows)

可以看到因为 content 只有10个字符，所以没有压缩，也没有行外存储。然后我们使用如下 SQL 语句增加 content 的长度，每次增长1倍，同时观察 content 的长度，看看会发生什么情况？

postgres=# update blog set content=content||content where id=1;
UPDATE 1
postgres=# select id,title,length(content) from blog;
 id | title | length 
----+-------+--------
  1 | title |     20
(1 row)
postgres=# select * from pg_toast.pg_toast_16441;
 chunk_id | chunk_seq | chunk_data 
----------+-----------+------------
(0 rows)

反复执行如上过程，直到 pg_toast_16441 表中有数据：

postgres=# select id,title,length(content) from blog;
 id | title | length 
----+-------+--------
  1 | title | 327680
(1 row)

postgres=# select chunk_id,chunk_seq,length(chunk_data) from pg_toast.pg_toast_16441;
 chunk_id | chunk_seq | length 
----------+-----------+--------
    16439 |         0 |   1996
    16439 |         1 |   1773
(2 rows)

可以看到，直到 content 的长度为327680时（已远远超过页大小 8K），对应 TOAST 表中才有了2行数据，且长度都是略小于2K，这是因为 extended 策略下，先启用了压缩，然后才使用行外存储。

下面我们将 content 的 TOAST 策略改为 EXTERNA ，以禁止压缩。

postgres=# alter table blog alter content set storage external;
ALTER TABLE
postgres=# \d+ blog;
                          Table "public.blog"
 Column  |  Type   | Modifiers | Storage  | Stats target | Description 
---------+---------+-----------+----------+--------------+-------------
 id      | integer |           | plain    |              | 
 title   | text    |           | extended |              | 
 content | text    |           | external |              |

然后我们再插入一条数据：

postgres=# insert into blog values(2, 'title', '0123456789');
INSERT 0 1
postgres=# select id,title,length(content) from blog;
 id | title | length 
----+-------+--------
  1 | title | 327680
  2 | title |     10
(2 rows)

然后重复以上步骤，直到TOAST表中产生新的行：

postgres=# update blog set content=content||content where id=2;
UPDATE 1
postgres=# select id,title,length(content) from blog;
 id | title | length 
----+-------+--------
  2 | title |   2560
  1 | title | 327680
(2 rows)

postgres=# select chunk_id,chunk_seq,length(chunk_data) from pg_toast.pg_toast_16441;
 chunk_id | chunk_seq | length 
----------+-----------+--------
    16447 |         0 |   1996
    16447 |         1 |   1773
    16448 |         0 |   1996
    16448 |         1 |    564
(4 rows)

这次我们看到当 content 长度达到2560（按照官方文档，应该是超过2KB左右）， TOAST 表中产生了新的2条 chunk_id 为16448的行，且2行数据的 chunk_data 的长度之和正好等于2560。通过以上操作得出以下结论：

• 如果策略允许压缩，则TOAST优先选择压缩。
• 不管是否压缩，一旦数据超过2KB左右，就会启用行外存储。
• 修改TOAST策略，不会影响现有数据的存储方式。