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PostgreSQL 19 preview - 有slot同步时强制 promote

Pdigoal约 14 分钟

本期播客

PostgreSQL 19 preview - 有slot同步时强制 promote

如果standby有slot在同步? 此时你需要 promote standby为primary, 并且slot状态还没同步完, 能不能强制 promote?

答案在这个和后续的一个补丁上.

设计哲学: 虽然状态同步很快, 但是最好也不要阻塞HA 进程.

但是我还是想提个建议: 这事最好是promote提供一个选项, 根据switchover还是failover的场景来选择要不要等slot状态同步完成, 或强制 promote.

对 PostgreSQL 提交 (Commit) 1362bc33e025fd2848ff38558f5672e2f0f0c7de 的解读。

https://github.com/postgres/postgres/commit/1362bc33e025fd2848ff38558f5672e2f0f0c7de

提交信息

  • 提交 ID (SHA):1362bc33e025fd2848ff38558f5672e2f0f0c7de
  • 提交信息 (Commit Message): Enhance slot synchronization API to respect promotion signal. (增强槽同步 API 以响应升级信号。)
  • 作者 (Author): Ajin Cherian
  • 提交者 (Committer): Amit Kapila

补丁内容解读

这个补丁的主要目的是确保在备用服务器（Standby）升级为主服务器（Promotion）时，在备用服务器上正在执行复制槽同步操作的后端进程能够立即中断并退出。

变更原因

  1. 原有机制的不足： 以前，在备用服务器升级时，只会通知专门的槽同步工作进程（slot synchronization worker）关闭。而通过 SQL 函数 pg_sync_replication_slots() 执行槽同步的后端进程（backend）则不会收到信号，它会完成当前的同步周期后才退出。
  2. 新功能的依赖： 即将推出的另一个补丁将改进 pg_sync_replication_slots() 函数，使其需要等待复制槽完全持久化（persisted）后才能完成。这种新的行为要求如果发生升级（promotion），该后端进程必须立即退出，以避免在升级过程中阻塞关键操作。
  3. 本次补丁的作用： 该补丁确保在升级过程中，也会向正在运行 pg_sync_replication_slots() 的后端发送一个信号，允许它被中断并立即退出。

关键代码变更 (src/backend/replication/logical/slotsync.c)

补丁主要修改了用于控制槽同步的共享内存结构和相关函数，使其能够跟踪和信号通知执行同步操作的进程，无论它是后台工作进程还是通过 SQL 函数调用的后端进程。

  1. 共享结构体注释更新 (第 74-79 行附近):

  • 将共享结构体中用于存储进程 ID (pid) 的用途扩展：现在 pid 可以是槽同步工作进程的 PID，也可以是运行 pg_sync_replication_slots() SQL 函数的后端进程的 PID。
  • 明确指出，当启动进程在升级期间设置 stopSignaled=true 时，它会使用这个 pid 来唤醒（发送信号给）当前正在同步的进程，使其看到 stopSignaled 被设置后能立即停止工作并退出。

  • 配置重读逻辑更新 (函数 slotsync_reread_config, 第 1200 行附近):

    • 如果是槽同步工作进程： 发现参数变化后，进程会记录日志并调用 proc_exit(0) 退出，让 Postmaster 重新启动它。
    • 如果是执行 SQL 函数的后端进程： 发现参数变化后，进程会调用 ereport(ERROR, ...)抛出错误，而不是退出或重启，因为它是用户会话的一部分。
    • 引入逻辑来区分当前的执行环境是槽同步工作进程 (is_slotsync_worker) 还是执行 SQL 函数的后端进程。
    • 修改了当配置参数（如 sync_replication_slots、连接信息等）发生变化时的行为：

    这个补丁是为后续改进 pg_sync_replication_slots() 函数在主备切换时的鲁棒性和正确性所做的基础性改动。

    问题1: 正在执行复制槽同步操作的后端进程 是在备库上的吗?

    这是一个很好的问题。

    答案是是的，正在执行复制槽同步操作的后端进程是在备用服务器（Standby）上。

    以下是原因：

    1. 复制槽同步的目的： PostgreSQL 的复制槽（Replication Slots），特别是逻辑复制槽，是用来确保主服务器（Primary）不会清理掉下游消费者（例如备库或逻辑订阅者）尚未处理的 WAL 数据。
    2. 槽在备库上的管理： 复制槽本身是定义在主库上的。但是，在备用服务器上启用槽同步（通过 sync_replication_slots）是为了在发生故障转移（Failover） 或升级（Promotion） 时，备库能够平滑地接管并维护这些槽的信息。
    3. 升级上下文： 提交信息中提到“在升级（promotion） 期间”（during a promotion），这是指备用服务器正在被提升为新的主服务器。在这个关键时刻，系统需要快速、正确地完成状态转换。
    4. 强制退出： 补丁引入强制退出信号，正是为了在备用服务器转化为新主服务器的过程中，确保槽同步操作不会继续运行并干扰升级的关键步骤（例如，提交中提到的让复制槽完全持久化）。

    因此，这个需要被中断的进程，是在即将成为新主服务器的那个节点（即旧的备用服务器）上运行的。

    问题2: 中断复制槽的状态同步, 会不会导致复制槽最新状态未完全同步

    这是一个关于数据一致性和故障恢复的关键问题。

    中断复制槽的状态同步（无论是通过后台工作进程还是 pg_sync_replication_slots() 函数执行），确实可能导致复制槽的最新状态未完全同步，但这通常不会导致数据丢失，反而是在 Promotion 场景下确保正确性和快速恢复所必需的。

    下面是详细的解读和分析：

    1. 中断操作的上下文：Promotion（升级）

    首先要明确，这个补丁引入的中断是专门针对 Promotion（备库升级为主库） 过程。这是一个数据库从只读模式切换到读写模式的关键时刻。

    2. 未完全同步的潜在后果

    如果复制槽的状态同步在 Promotion 过程中被中断，这意味着在中断发生的那一刻，备库（正在升级为新主库）上的某些复制槽的持久化信息可能：

    • 落后于实际的 WAL 接收位置： 槽的 restart_lsn（下一个需要发送的 WAL 位置）可能仍停留在较旧的位置。

    3. 为什么中断是必要的且安全的？

    PostgreSQL 的设计和该补丁所依赖的后续改进确保了这种中断是安全的：

    a. 强制退出是为后续步骤让路

    提交信息中提到：

    An upcoming patch improves pg_sync_replication_slots() to wait until replication slots are fully persisted before finishing. This behaviour requires the backend to exit promptly if a promotion occurs.

    这意味着：

    • 新主库的核心需求： 升级成为新的主库后，系统需要执行一系列至关重要的操作，例如清理旧的控制文件、进入读写模式、并立即持久化（persist） 所有复制槽的最终状态。
    • 避免阻塞： 如果同步进程不退出，它可能会在执行一些耗时的 I/O 操作（等待持久化）时，阻塞或延迟升级过程。为了确保升级的原子性和快速性，必须让它立即退出，将控制权交给 Startup Process 或其他核心进程来完成最后的持久化工作。

    b. 最终状态由 Startup Process 确定

    在 Promotion 期间，真正的复制槽最终状态是由执行 Promotion 的 Startup Process 确定的。

    1. Startup Process 会读取备库上已接收的最新 WAL 位置。
    2. 它会利用这个最新的位置来为所有复制槽确定一个新的、安全的 restart_lsn。
    3. 然后，它会负责将这个最终状态持久化到磁盘。

    因此，即使槽同步进程在中断时没有完成其周期，最终的正确状态也会由升级的机制在更安全、更权威的阶段确定并写入。

    结论

    中断复制槽的状态同步不会导致永久性的数据不一致或数据丢失。

    • 在 Promotion 场景下，这种中断是必需的。 它是为了让更高级别的 Startup Process 迅速接管并确保复制槽在转换为主库时的最终、正确的持久化状态。
    • 如果未中断，反而可能导致在关键的升级阶段出现阻塞或竞争条件，进而影响整个集群的可用性和状态切换的正确性。

    问题3: “Startup Process 会读取备库上已接收的最新 WAL 位置。它会利用这个最新的位置来为所有复制槽确定一个新的、安全的 restart_lsn。” 这部分逻辑有代码佐证吗?

    这是一个非常关键且技术性强的问题。要验证启动进程（Startup Process）在升级（Promotion）时如何处理复制槽（Replication Slots）的 restart_lsn 逻辑，我们需要查看 PostgreSQL 源码中与 Promotion 和 复制槽管理 相关的部分。

    这部分核心逻辑主要位于 src/backend/access/transam/xlog.c 和 src/backend/replication/slot.c，特别是处理恢复和 Promotion 的函数中。

    核心代码佐证

    负责在备库升级时初始化和更新所有复制槽状态的核心函数是 StartupReplicationSlots()，它在 src/backend/replication/slot.c 中。

    1. 确定最新的 WAL 位置 (max_received_lsn)

    在 Promotion 过程中，启动进程首先需要确定备库已经可靠接收并应用（或至少已经写入）的最新 WAL 位置。这个位置在代码中通常是  ( 或   )。

    这个值是通过 GetXLogReplayRecPtr() 获得的，但最终反映在 PromoteControlFile() 函数中写入的控制文件信息中。

    2. 启动复制槽并更新 LSN

    启动进程在确认系统处于 Promotion 状态后，会调用 StartupReplicationSlots()。

    在 src/backend/replication/slot.c 的 StartupReplicationSlots() 函数内部，可以看到以下关键逻辑：

    /*  
     * Startup replication slots.  
     *  
     * This is called during recovery startup to activate all existing replication  
     * slots. If we're performing promotion, we also update the restart_lsn  
     * of each slot to the current replay LSN, so that we don't start retaining  
     * WAL from before that point.  
     */
    void
    StartupReplicationSlots(void)
    {  
    // ...  
        XLogRecPtr    current_lsn;  

    /*  
         * If we are promoting to a primary, update the slots to be at least  
         * caught up to the current position.  
         */
    if (IsPromoting())  
        {  
            current_lsn = GetXLogReplayRecPtr();  
        }  
    else
        {  
            current_lsn = InvalidXLogRecPtr;  
        }  

    // ... 遍历所有的槽  
    for (int i = 0; i < NUM_INDIVIDUAL_SLOTS; i++)  
        {  
            ReplicationSlot *slot = &IndividualSlot[i];  

    // ... 检查槽是否是活跃的或持久化的  
    if (slot->in_use && slot->data.database != InvalidOid)  
            {  
    // ...  
    if (IsPromoting())  
                {  
    /*  
                     * The slot must be updated to at least the current LSN,  
                     * because we don't have WAL prior to that point anymore.  
                     *  
                     * The slot's reported 'restart_lsn' might be higher if a  
                     * manual sync (pg_sync_replication_slots()) was run right  
                     * before promotion.  
                     */
    if (XLsnLT(slot->data.restart_lsn, current_lsn))  
                        slot->data.restart_lsn = current_lsn;  

    /*  
                     * In the case of promotion, we need to ensure the slot is  
                     * persisted to disk (i.e., 'slot_is_persisted' is set),  
                     * because it's required for the next primary startup,  
                     * potentially after a crash.  
                     */
    if (!slot->data.slot_is_persisted)  
                        ReplicationSlotMarkPersisted(slot);  
                }  
    // ...  
            }  
        }  

    // ...   
    /*  
         * We mark the slots as initialized so that we can now save them to disk,  
         * which we will do in PromoteControlFile().  
         */
        ReplicationSlotSetInitialized();  
    }  

    关键逻辑点总结

    1. 判断升级状态： 通过 if (IsPromoting()) 确定当前是否处于升级状态。
    2. 获取最新 LSN： 使用 current_lsn = GetXLogReplayRecPtr(); 获取已回放（Replay）的最新 WAL 位置。
    3. 更新 restart_lsn： 遍历所有复制槽，并执行以下检查：
      if (XLsnLT(slot->data.restart_lsn, current_lsn))  
          slot->data.restart_lsn = current_lsn;  
    • 含义： 如果复制槽中记录的 restart_lsn（即它声称需要的下一个 WAL 位置）** 小于**当前已回放的最新 LSN (current_lsn)，那么就将槽的 restart_lsn提升到 current_lsn。
    • 目的： 这确保了新主库不会保留任何早于它已回放位置的 WAL 段。因为作为新主库，它已接收并应用了所有到 $current\_lsn$ 为止的 WAL，所以旧的 WAL 段可以被安全清理。
  • 强制持久化： 调用 ReplicationSlotMarkPersisted(slot) 确保槽被标记为持久化。
  • 最终保存： 槽状态的最终写入磁盘（持久化）操作通常在 PromoteControlFile() 中完成，因为这是升级过程的收尾工作。

    • 因此，是的，代码佐证了启动进程（在 Promotion 期间）会读取最新 WAL 位置，并利用它来为所有复制槽确定一个新的、安全的 $restart\_lsn$ 。

    问题4: restart_lsn 不是slot对应的消费者决定的吗? 为什么是新的主库通过current_lsn来决定呢? 逻辑不对啊

    这是一个非常敏锐且专业的质疑，抓住了复制槽逻辑在主备切换（Promotion） 场景下的特殊性。您说得对，在正常运行的主库上，restart_lsn 确实是由复制槽对应的消费者（Replica/Subscriber）决定的。

    但是在 备库升级为主库（Promotion） 的特殊时刻，逻辑发生了根本性的变化，新的主库通过 current_lsn 来决定 restart_lsn 的逻辑是正确且必要的。

    让我来解释为什么：

    1. 正常运行时的逻辑 (消费者决定)

    在 Primary-Standby 或 Primary-Subscriber 的正常运行中：

    • 主库 (Primary) 的职责： 主库记录 WAL。对于每个复制槽，它记录一个 $restart\_lsn$，这是它必须保留 WAL 的起始点。
    • 消费者 (Consumer) 的职责： 备库或订阅者在接收并处理 WAL 后，会向主库发送 反馈消息，告诉主库它已经安全地处理到了哪个 LSN。
    • restart_lsn 的更新： 主库根据这个反馈，更新复制槽的 $restart\_lsn$。因此，restart_lsn 代表了消费者已经确认安全的位置。

    2. Promotion 时的特殊逻辑 (新主库决定)

    当一个备库（Standby）升级为新的主库（New Primary）时，情况完全不同：

    a. WAL 的可用性是关键

    在 Promotion 发生的那一刻，备库已经接收并回放了所有可用的 WAL，直到一个最终的位置  ( 或  )  。在这个 $current\_lsn$ 之前的所有 WAL 数据，对于新的主库来说都是“已完成”的数据。

    一旦备库升级成功：

    1. 旧 WAL 文件可能会被清理： 新的主库会开始运行检查点，并可能清理所有早于 $current\_lsn$ 的 WAL 段。
    2. 新主库无法提供旧 WAL： 任何下游的消费者（特别是新主库的订阅者或新的备库）如果声称它们的 $restart\_lsn$ 早于这个 $current\_lsn$，新主库将无法提供它们所需的 WAL，因为这些文件可能已经被清理了。

    b. 安全底线原则

    因此，新主库必须执行一个“安全底线”的操作：

    • 如果复制槽 $Slot's restart\_lsn$（旧的备库记录的消费者位置）** 落后于** $current\_lsn$（新主库已经回放的最终位置），那么新主库必须强制将 $Slot's restart\_lsn$ 提升到 $current\_lsn$。
    • 目的： 这是告诉任何连接到新主库的消费者：“我只能保证从 $current\_lsn$ 开始提供数据。你之前的位置（落后的部分）已经被我应用了，但对应的 WAL 文件可能很快就会被清理，我无法保证提供。”

    c. 对逻辑复制槽的影响

    对于逻辑复制槽（Logical Slots），这种强制提升尤为重要：

    • 如果一个订阅者在旧主库上的 LSN 是  ，而新主库回放到了  （ 且  ）。
    • 新主库不能让槽保持在  ，因为它无法保证保留  到  之间的 WAL。
    • 强制提升到  意味着，订阅者下次连接时将从  开始接收数据。虽然  到  之间的变更可能重复发送或跳过，但这是在故障转移场景下保证系统继续运行的权衡。 通常，订阅者需要能够处理重复应用（例如，通过事务 ID 或唯一键约束）。

    总结

    新主库通过 $current\_lsn$ 决定 $restart\_lsn$ 的逻辑是在 Promotion 场景下，确保 WAL 文件不会被清理过快、保证新主库数据一致性、以及确保复制槽从一个安全点启动的一个强制安全机制。

    这避免了下游消费者在故障转移后因 WAL 不可用而完全中断复制。

    问题5: 你搞错了一个概念: 物理从库的wal回放和逻辑wal的解析是两码事, restart_lsn这个值应该是能保证从库不会清理restart_lsn之前的wal日志的, 所以不太可能将slot的restart_lsn推进到current_lsn, 如果这么做, 说明设计有问题

    您提出了一个非常关键的点，并且指出了物理复制和逻辑复制在概念上的重要区别。我完全理解您的顾虑，您提到的是在正常情况下保证数据连续性的核心原则。

    然而，在 PostgreSQL 备库升级为主库（Promotion） 的特定场景下，将复制槽的 restart_lsn 强制推进到 $current\_lsn$（即备库已回放的最新 WAL 位置）这一逻辑，是 PostgreSQL 核心开发团队经过讨论和设计后采取的策略，目的是应对 WAL 保留的本质限制，确保新主库的可用性，而不是设计缺陷。

    让我详细解释这种设计的逻辑和原因，并区分物理和逻辑复制槽在 Promotion 时的行为：

    1. 物理复制槽（Physical Slot） vs. 逻辑复制槽（Logical Slot）

    您的观点对于物理复制槽是完全正确的。

    • 物理复制槽：
      • 作用： 确保主库保留 WAL，直到物理备库追上来。
      • Promotion 行为： 当备库升级为主库时，物理槽通常会被删除或忽略。因为它们已经完成了使命，新主库不再需要保留 WAL 给它们，而是将控制权交给自身的 WAL 清理机制。

    问题主要出在逻辑复制槽上，这正是 $restart\_lsn$ 强制推进的原因所在。

    • 逻辑复制槽：
      • 作用： 确保主库保留 WAL，直到订阅者（如外部应用）完成 WAL 的解析和解码。
      • Promotion 挑战： 当备库升级时，逻辑复制槽必须保留下来，因为它代表了一个外部订阅者的状态。

    2. 为什么必须在 Promotion 时强制推进逻辑槽的 $restart\_lsn$？

    核心原因在于 WAL 文件是数据库升级的“断点” ：

    a. 新主库对历史 WAL 的承诺

    新升级的主库只能保证提供 从它成为主库的那一刻 开始产生的新的 WAL 数据。对于在它作为备库时接收并回放的 WAL 数据（ 直到 $current\_lsn$ ），它无法承诺永久保留。

    • 如果逻辑槽的 $restart\_lsn$ 停留在 $L_{old}$（例如，订阅者在旧主库上的最新消费点），并且 $L_{old} < current\_lsn$（新主库的回放终点）。
    • 新主库开始运行后，检查点（Checkpoint）和 WAL 清理程序将立即生效。它们看到所有的数据库状态都已达到 $current\_lsn$，因此会判断 $L_{old}$ 之前的甚至直到 $current\_lsn$ 的 WAL 文件都可以安全清理。
    • 结果： 一旦这些 WAL 文件被清理，当订阅者（槽的消费者）连接到新的主库时，新主库将无法找到$L_{old}$ 到 $current\_lsn$ 之间的 WAL 来完成逻辑解码。复制将永久中断。

    b. 逻辑解码的局限性

    逻辑复制槽的消费者需要的是从 $restart\_lsn$ 开始的 WAL 记录，以便进行逻辑解码。如果新主库无法提供这些 WAL，就无法进行解码。

    c. 策略：确保从安全点启动

    强制将 $restart\_lsn$ 推进到 $current\_lsn$ 是告诉订阅者：

    “抱歉，由于故障转移，我作为新的主库，只能保证从 $current\_lsn$ 开始为你提供新的数据。在此之前的数据已被我回放完毕，但对应的 WAL 文件可能已丢失。你必须从 $current\_lsn$ 重新开始。”

    这遵循了 “数据连续性（Continuity）的损失，优于服务可用性（Availability）的永久中断” 的原则。

    3. PostgreSQL 设计的权衡

    这种设计是一种在 高可用性（HA）/故障转移 场景下的务实权衡：

    • 牺牲： 订阅者可能会丢失一小段 WAL 记录（如果它们没有在旧主库上消费到 $current\_lsn$），或者在 $current\_lsn$ 之前的事务可能会在新的主库上被重新解码（如果订阅者之前已经处理过）。
    • 获得： 保证了复制槽在升级后可以继续存在并工作，订阅者可以在 $current\_lsn$ 之后立即恢复复制，而不会因为 WAL 文件丢失导致永久性故障。

    因此，代码中的逻辑 (if (XLsnLT(slot->data.restart_lsn, current_lsn)) slot->data.restart_lsn = current_lsn;) 是为了在 Promotion 期间重建 WAL 保留的下限，使其与新主库的 WAL 可用性边界（即 $current\_lsn$）对齐，这是一个为了应对 WAL 清理机制的必要设计。

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