《PostgreSQL 指南：内幕探索》之基础备份与时间点恢复（上）
导读：最近电子工业出版社博文视点出版了《PostgreSQL指南：内幕探索》，日前「数据和云」公众号推荐了这本书并赠送了五本，百多位用户参与，几十条留言未能放出，为了让大家更好地学习开源数据PostgreSQL，经出版社官方授权，刊载本书部分章节内容以飨读者，本文节选了第十章《基本备份与时间点恢复》10.1-10.2。
在线数据库备份大致可分为逻辑备份和物理备份两类，它们各自都有优点和缺点。逻辑备份有一个缺点，即执行需要花费大量的时间。特别是对于大型数据库而言，需要花费很长时间进行备份，而从备份数据中恢复数据库可能需要更长的时间。相反，物理备份可以在相对较短的时间内备份和恢复大型数据库，因此在实际系统中，其是一个非常重要且实用的功能。
在PostgreSQL中，自8.0版本开始提供了在线的全量物理备份，整个数据库集簇（即物理备份数据）的运行时快照被称为基础备份。
PostgreSQL还在8.0版中引入了时间点恢复（Point-In-Time Recovery，PITR）。这一功能可以将数据库恢复至任意时间点，这通过使用一个基础备份和由持续归档生成的归档日志来实现。例如，即使你犯了一个严重的错误（如TRUNCATE所有的表），此功能还可以将数据库恢复至错误发生之前的时刻。
本文描述了以下主题：
基础备份
时间点恢复（PITR）的工作原理
时间线与时间线历史文件
时间点恢复与时间线历史文件
在7.4或更低版本中，PostgreSQL仅支持逻辑备份（全量逻辑备份、部分逻辑备份和数据导出）。
基础备份
使用底层命令进行基本备份的标准过程上图所示，具体步骤如下：
发出pg_start_backup命令。
使用你想用的归档命令获取数据库集簇的快照。
发出pg_stop_backup命令。
这个简单的过程对于DBA来说很容易操作，因为它不需要特殊工具，只需要常用工具（如复制命令或类似的归档工具）来创建基本备份。此外，在此过程中，不需要获取表上的锁，所有用户都可以在不受备份操作影响的情况下发起查询。相对于其他开源的关系型数据库，这是一个巨大的优势。
更简单的方式是使用pg_basebackup命令来做基础备份，不过在其内部也是使用这些底层命令来工作的。
这些命令对显然是理解PITR的关键点之一，我们将在后续章节中探讨它们。
pg_start_backup和pg_stop_backup命令的定义在src/backend/access/transam/xlogfuncs.c中。
pg_start_backup
pg_start_backup开始为制作基础备份进行准备工作。恢复过程从重做点开始，因此pg_start_backup必须执行检查点，以便在制作基础备份的开始时刻显式创建一个重做点。此外，这次检查点的位置必须保存在非pg_control的其他文件中，因为在备份期间可能会执行多次常规检查点。
pg_start_backup执行下列4个操作：
强制进入整页写入模式。
切换到当前的WAL段文件（8.4或更高版本）。
执行检查点。
创建backup_label文件 —— 该文件创建于基本目录顶层中，包含有关该基本备份本身的关键信息，如检查点的检查点位置。
第3个和第4个操作是该命令的核心。第1和第2个操作是为了更可靠地恢复数据库集簇。
备份标签backup_label文件包含以下7个项目：
检查点位置 —— 该命令所创建检查点的LSN位置。
WAL开始位置——这不是给PITR用的，而是为第11章描述的流复制准备的。它被命名为START WAL LOCATION，因为复制模式下的备用服务器在初始启动时只读取一次该值。
备份方法——这是用于进行此基本备份的方法，如pg_start_backup或pg_basebackup。
备份来源 —— 说明此备份是从主库还是备库拉取。
开始时间 —— 这是执行pg_start_backup时的时间戳。
备份标签 —— 这是pg_start_backup中指定的标签。
开始时间线 —— 这是备份开始的时间线，为了进行正常的检查，在版本11.0中被引入。
备份标签
一个9.6版本中备份标签的实际例子如下所示：
postgres> cat /usr/local/pgsql/data/backup_label START WAL LOCATION: 0/9000028 (file 000000010000000000000009) CHECKPOINT LOCATION: 0/9000060 BACKUP METHOD: pg_start_backup BACKUP FROM: master START TIME: 2018-7-9 11:45:19 GMT LABEL: Weekly Backup
可以想象，当使用此基础备份恢复数据库时，PostgreSQL从backup_label文件中取出检查点位置CHECKPOINTLOCATION，接着从归档日志中的合适位置读取检查点记录，然后从检查点记录中获取重做点的位置，最后从重做点开始进行恢复。
pg_stop_backup
pg_stop_backup执行以下5个操作以完成备份：
如果pg_start_backup打开了整页写入，那么关闭整页写入。
写入一条备份结束的XLOG记录。
切换WAL段文件。
创建一个备份历史记录文件 —— 此文件包含backup_label文件的内容，以及已执行pg_stop_backup的时间戳。
删除backup_label文件 —— 从基础备份恢复需要backup_label文件，不过一旦被复制，原始的数据库集簇就不需要该文件了。
备份历史文件的命名方法如下所示：
{WAL段文件名}.{基础备份开始时的偏移量}.backup
时间点恢复（PITR）的工作原理
下图展示了PITR的基本概念。PITR模式下的PostgreSQL会在基础备份上重放归档日志中的WAL数据，从pg_start_backup创建的重做点开始，恢复到你想要的位置为止。在PostgreSQL中，想要恢复到的位置被称为恢复目标。
PITR是如下这样工作的。假设你在GMT时间2018-07-1612:05:00犯了错误，那么就应该删掉当前的数据库集簇，并使用之前制作的基础备份恢复一个新的，然后创建一个recovery.conf文件，并在其中将recovery_target_time参数配置为犯错误的时间点，在本例中，也就是12:05 GMT。recovery.conf文件如下所示：
# Place archivelogs under /mnt/server/archivedir directory.restore_command = 'cp /mnt/server/archivedir/%f %p'recovery_target_time = "2018-7-16 12:05 GMT"
在PostgreSQL启动的时候，如果数据库集簇中存在recovery.conf和backup_label文件，就会进入恢复模式。
PITR过程几乎与常规恢复过程一模一样，唯一的区别只有以下两点：
从哪里读取WAL段/归档日志？
正常恢复模式 —— 来自基础目录下的pg_xlog子目录（在10.0或更高版本中为pg_wal子目录）。
PITR模式 —— 来自配置参数archive_command中设置的归档目录。
从哪里读取检查点位置？
正常恢复模式 —— 来自pg_control文件。
PITR模式 —— 来自backup_label文件。
PITR流程概述如下：
为了找到重做点，PostgreSQL使用内部函数read_backup_label从backup_label文件中读取CHECKPOINTLOCATION的值。
PostgreSQL从recovery.conf中读取一些参数值，在此例中为restore_command和recovery_target_time。
PostgreSQL开始从重做点重放WAL数据，重做点的位置可以简单地从CHECKPOINT LOCATION的值中获得。PostgreSQL执行参数restore_command中配置的命令，将归档日志从归档区域复制到临时区域，并从中读取WAL数据，复制到临时区域中的日志文件会在使用后被删除。
在本例中，因为参数recovery_target_time被设置为该时间戳，所以PostgreSQL从重做点读取并重放WAL数据，直到时间戳2018-7-1612:05:00为止。如果recovery.conf中没有配置恢复目标，则PostgreSQL将重放至归档日志的末尾。
当恢复过程完成时，会在pg_xlog子目录（在10.0或更高版本中为pg_wal子目录）中创建时间线历史文件，如00000002.history。如果启用了日志归档功能，则还会在归档目录中创建相同的命名文件。接下来各节会介绍此文件的内容和作用。
提交和中止操作的记录包含每个操作完成时的时间戳（两个操作的XLOG数据部分分别在xl_xact_commit和xl_xact_abort中定义）。因此，如果将目标时间设置为参数recovery_target_time，只要PostgreSQL重放提交或中止操作的XLOG记录，就可以选择是否继续恢复。当重放每个动作的XLOG记录时，PostgreSQL会比较目标时间和记录中写入的每个时间戳，如果时间戳超过目标时间，PITR过程就会完成。
typedef structxl_xact_commit
{
TimestampTzxact_time; /* 提交时间 */
uint32 xinfo; /* 信息标记位 */
int nrels; /* RelFileNodes的数量 */
int nsubxacts; /* 子事务XIDs的数量 */
int nmsgs; /* 共享失效消息的数量 */
Oid dbId; /* MyDatabaseId, 数据库oid */
Oid tsId; /* MyDatabaseTableSpace, 表空间oid */
/* 在提交时需要丢弃的RelFileNode(s)数组*/
RelFileNode xnodes[1]; /* 变长数组 */
/* 紧接着已提交的子事务XIDs数组 */
/* 紧接着共享失效消息的数组 */
} xl_xact_commit;
typedef structxl_xact_abort
{
TimestampTz xact_time; /* 中止时间 */
int nrels; /* RelFileNodes的数量 */
int nsubxacts; /* 子事务XIDs的数量 */
/* 在中止时需要丢弃的RelFileNode(s)数组*/
RelFileNode xnodes[1]; /* 变长数组 */
/* 紧接着已提交的子事务XIDs数组 */
} xl_xact_abort;
函数read_backup_label定义于src/backend/access/transam/xlog.c中。结构xl_xact_commit和xl_xact_abort定义于src/backend/access/transam/xlog.c中。
为什么可以用一般归档工具做基础备份？
尽管数据库集簇可能是不一致的，但恢复过程是使数据库集簇达成一致状态的过程。由于PITR是基于恢复过程的，所以即使基础备份是一堆不一致的文件，它也可以恢复数据库集簇。因此，我们可以在没有文件系统快照功能或其他特殊工具的情况下，使用一般归档工具做基础备份。