元数据与系统表

系统表是整个 PostgreSQL 数据库存储体系中最重要的一部分数据，它们用来组织管理PostgreSQL 的数据空间。它们本质也是一个个表对象，相比于普通表来说，系统表存储的是元数据。

元数据（Metadata）可以理解为描述数据的数据，使数据更容易理解，查找，管理和使用，比如，用户创建的表有 create table t1(c1 int, c2 text)两种列类型，这一些类型 int, text 会被单独存放在 pg_type的系统表中，同时 c1, c2 列名字则会被存放在 pg_attribute的系统表中，并和 pg_type 形成关联。表名t1会被存在pg_class系统表中。

OID

Oid 在 PostgreSQL 中被用来描述一个个数据表的逻辑对象，比如 Relation, type, attr, namespace等等，每创建一个对象都会为其分配一个属于自己的标识(Oid)。PG 也会通过 Oid 来在不同的数据表之间建立关联，也就是说有一些对象是全局唯一的(pg_class 表的oid)。但是因为 Oid 是 unsigned int，所以当对象的数量超过42亿之后可能会有回卷，所以PG 对Oid的划分有一些自己的定义，比如预留16383 个Oid 作为全局唯一的对象标识，其他的都是给用户表使用，允许发生回卷。

接下来看看 PostgreSQL 内部非常重要的一些系统表，以及它们之间的关系模型，从而更好的帮助我们理解创建的一个用户表是如何被组织管理的。

主要系统表

pg_class（表及与表类似结构的数据库对象信息）

用于存储表及与表类似结构的数据库对象信息，包含索引、序列、视图、复合数据类型、TOAST表等。每一个对象都在pg_class中表示为一个元组。

代码路径：

src/include/catalog/pg_class.h

// 因为过多，简单挑几个关键信息如下，pg_class 的唯一标识 
CATALOG(pg_class,1259,RelationRelationId)
{
    Oid         oid; // 当前表对象在 pg_class 的唯一标识，pg_class会以oid 为主键建索引，方便查找
    NameData    relname; // relation 名字
    Oid         relnamespace; // 所处的 pg_namespace oid，用来和 pg_namespace系统表建立关联
    Oid         reltype; // 对象类型，用于和pg_type系统表建立关联
    ...
    Oid         relam; // am 类型，比如是heap or 其他的，也是和 pg_amthod 建立管理
    ...
    Oid         relfilenode; // 当前对象的物理文件名，pg 内部文件名都是以数字存在。
    ...
    char        relpersistence; // 该对象的存储类型， 'p' 表示永久，即基本持久化类型; 
                                //'u' 表示 unlogged，不写wal.
                                // 't' 表示临时表，session 级别的生命周期
    char        relkind; // 该对象的类型，'r'=普通表，'i'=索引，'v'=视图, 't'=toast 大value， 'c'=符合类型 等
    int16       relnatts; // 该对象的属性列的个数
    ...
}

可以看到通过 create type map as (string varchar, int_1 int); create table map_test (id int, value map); 创建的表在 pg_class 中存储的属性信息有两个，一个是类型 map 的属性信息，一个是表 map_test的属性信息。

postgres=# create type map as (string varchar, int_1 int); 
CREATE TYPE
postgres=# create table map_test (id int, value map); 
CREATE TABLE
//复合类型 map 的属性信息
postgres=# select oid,relname,relnamespace,reltype,relam,relfilenode,relpersistence,relkind,relnatts from pg_class where relname='map';
  oid  | relname | relnamespace | reltype | relam | relfilenode | relpersistence | relkind | relnatts 
-------+---------+--------------+---------+-------+-------------+----------------+---------+----------
 16396 | map     |         2200 |   16398 |     0 |       16396 | p              | c       |        2
(1 row)

//表map_test的属性信息
postgres=# select oid,relname,relnamespace,reltype,relam,relfilenode,relpersistence,relkind,relnatts from pg_class where relname='map_test';
  oid  | relname  | relnamespace | reltype | relam | relfilenode | relpersistence | relkind | relnatts 
-------+----------+--------------+---------+-------+-------------+----------------+---------+----------
 16399 | map_test |         2200 |   16401 |     0 |       16399 | p              | r       |        2
(1 row)

pg_type（数据类型信息）

用于存储数据类型信息。基本数据类型和枚举类型由CREATE TYPE创建，域类型由CREATE DOMAIN创建，复合数据类型在表创建时自动创建。pg_type中每一个元组对应一个数据类型。比如上面的 create table map_test (id int, value map); 建表过程中用到的类型 int 以及复合类型 map 都会被存储到 pg_type中，而列名字 id 以及 value 则会被存储的pg_attribute 系统表中，这个后面会说。

接下来看看pg_type 的定义 pg_type.h，挑选几个简略定义如下:

// pg_type的 固有对象 标识是1247
CATALOG(pg_type,1247,TypeRelationId)
{
    Oid         oid; // 类型oid
    NameData    typname; // 类型名字
    ...
    int16       typlen; // 该类型的长度，对于变长类型则一直是-1，如果是-2则是以null 终止的c字符串。
    ...
    char        typtype; // 该类型的基础类型。 'b'=基本类型，'c'=复合类型, 'd'=域类型, 'e'=枚举类型等
}

比如对于我们前面通过 create type map as (string varchar, int_1 int); 创建的类型，可以从 pg_type中看到其信息如下

postgres=# select oid,typname,typlen,typtype from pg_type where typname='map';
  oid  | typname | typlen | typtype 
-------+---------+--------+---------
 16398 | map     |     -1 | c
(1 row)

pg_attribute(表的属性信息)

用于存储表的属性信息。对于数据库中表的每个属性都有一个元组。在 pg_class中我们看到的是这个表对象的列的个数，但是具体每一个列都是什么类型，名字是什么，长度是多少，是第几列等这样的列的描述信息则是会存储在 pg_attribute 系统表中。其基本类型定义如下pg_attribute.h：

CATALOG(pg_attribute,1249) BKI_BOOTSTRAP BKI_WITHOUT_OIDS BKI_ROWTYPE_OID(75) BKI_SCHEMA_MACRO
{
    Oid         attrelid; // 该列属于哪一个关系对象，关系对象的oid （一个数据库只能有一个关系对象的名字）
    NameData    attname; // 该列的名称
    Oid         atttypid; // 该列的类型， 指向 pg_type的一条类型
    ...
    int16       attlen; // 该列的长度，同 pg_type中的 typlen，加速读取attr信息。
    int16       attnum; // 该列的index，是 attrelid 的第几列。
    ...
}

比如我们查看前面创建的 test_map（create table map_test (id int, value map);）表的列描述信息如下：

可以看到 pg_attribute 还为 map_test 默认分配了一些默认不可见的属性列，用作 extension 时查看更细粒度的tuple信息。用户自己创建的两列 id 和 value 则是有自己的typeid信息，可以从 pg_type 中看到其定义。

pg_namespace（命名空间）

用于存储命名空间，PostgreSQL的名字空间层次是：数据库.模式.表.属性。pg_namespace中每一个元组都对应一个名字空间。

代码路径：(src/backend/catalog/pg_namespace.h)

CATALOG(pg_namespace,2615)
{
    NameData    nspname;//命名空间
    Oid            nspowner;//命名空间所有者的oid

#ifdef CATALOG_VARLEN            /* variable-length fields start here */
    aclitem        nspacl[1];
#endif
} FormData_pg_namespace;

查询命名空间，返回"pg_namespace"表的所有行和列，其中包含命名空间的详细信息：

//如命名空间的名称、所属数据库的OID(对象标识符）以及其他相关属性。
postgres=# select * from pg_namespace;
      nspname       | nspowner |           nspacl           
--------------------+----------+----------------------------
 pg_toast           |       10 | 
 pg_oracle          |       10 | 
 pg_temp_1          |       10 | 
 pg_toast_temp_1    |       10 | 
 pg_catalog         |       10 | {tbase=UC/tbase,=U/tbase}
 public             |       10 | {tbase=UC/tbase,=UC/tbase}
 information_schema |       10 | {tbase=UC/tbase,=U/tbase}
(7 rows)

pg_tablespace（表空间）

用于存储表空间信息，将表放置在不同的表空间有助于实施磁盘文件布局。数据库在逻辑上分成多个存储单元，称作表空间。表空间用作把逻辑上相关的结构放在一起。数据库逻辑上是由一个或多个表空间组成。初始化的时候，会自动创建pg_default和pg_global两个表空间。
pg_tablespace在整个数据集簇里只有一份，也就是说同一个数据集簇内的所有数据库共享一个pg_tablespace表，而不是每个数据库都有自己的pg_tablespace表。pg_tablespace中每一个元组都对应一个表空间。

定义在pg_tablespace.h中：

CATALOG(pg_tablespace,1213) BKI_SHARED_RELATION
{
    NameData    spcname;        /*表空间名字 */
    Oid            spcowner;        /* 表空间的所有者的oid */

#ifdef CATALOG_VARLEN            /* variable-length fields start here */
    aclitem        spcacl[1];        /* access permissions */
    text        spcoptions[1];    /* per-tablespace options */
#endif
} FormData_pg_tablespace;

查询表空间：

pg_database（数据库信息）

用于存储当前数据集簇中数据库的信息，是一个在整个集簇范围内共享的系统表。pg_database中每一个元组都对应集簇中的一个数据库。

代码路径：src/include/catalog/pg_database.h

postgres=# select * from pg_database;
  datname  | datdba | encoding | datcollate |  datctype  | datistemplate | datallowconn | datconnlimit | datlastsysoid | datfrozenxi
d | datminmxid | dattablespace |           datacl           
-----------+--------+----------+------------+------------+---------------+--------------+--------------+---------------+------------
--+------------+---------------+----------------------------
 postgres  |     10 |        6 | en_US.utf8 | en_US.utf8 | f             | t            |           -1 |         13368 |            
3 |          1 |          1663 | 
 template1 |     10 |        6 | en_US.utf8 | en_US.utf8 | t             | t            |           -1 |         13368 |            
3 |          1 |          1663 | {=c/tbase,tbase=CTc/tbase}
 template0 |     10 |        6 | en_US.utf8 | en_US.utf8 | t             | f            |           -1 |         13368 |            
3 |          1 |          1663 | {=c/tbase,tbase=CTc/tbase}
(3 rows)

//数据库信息
postgres=# \l
                             List of databases
   Name    | Owner | Encoding |  Collate   |   Ctype    | Access privileges 
-----------+-------+----------+------------+------------+-------------------
 postgres  | tbase | UTF8     | en_US.utf8 | en_US.utf8 | 
 template0 | tbase | UTF8     | en_US.utf8 | en_US.utf8 | =c/tbase         +
           |       |          |            |            | tbase=CTc/tbase
 template1 | tbase | UTF8     | en_US.utf8 | en_US.utf8 | =c/tbase         +
           |       |          |            |            | tbase=CTc/tbase
(3 rows)

pg_index(索引)

用于存储索引的具体信息。

postgres=# select * from pg_index limit 5;
 indexrelid | indrelid | indnatts | indisunique | indisprimary | indisexclusion | indimmediate | indisclustered | indisvalid | indcheck
xmin | indisready | indislive | indisreplident | indkey | indcollation | indclass  | indoption | indexprs | indpred 
------------+----------+----------+-------------+--------------+----------------+--------------+----------------+------------+---------
-----+------------+-----------+----------------+--------+--------------+-----------+-----------+----------+---------
       2831 |     2830 |        2 | t           | t            | f              | t            | f              | t          | f       
     | t          | t         | f              | 1 2    | 0 0          | 1981 1978 | 0 0       |          | 
       2833 |     2832 |        2 | t           | t            | f              | t            | f              | t          | f       
     | t          | t         | f              | 1 2    | 0 0          | 1981 1978 | 0 0       |          | 
       2835 |     2834 |        2 | t           | t            | f              | t            | f              | t          | f       
     | t          | t         | f              | 1 2    | 0 0          | 1981 1978 | 0 0       |          | 
       2837 |     2836 |        2 | t           | t            | f              | t            | f              | t          | f       
     | t          | t         | f              | 1 2    | 0 0          | 1981 1978 | 0 0       |          | 
       2839 |     2838 |        2 | t           | t            | f              | t            | f              | t          | f       
     | t          | t         | f              | 1 2    | 0 0          | 1981 1978 | 0 0       |          | 
(5 rows)

postgres=# select * from pg_class where oid =2831;
       relname       | relnamespace | reltype | reloftype | relowner | relam | relfilenode | reltablespace | relpages | reltuples | rel
allvisible | reltoastrelid | relhasindex | relisshared | relpersistence | relkind | relnatts | relchecks | relhasoids | relhaspkey | re
lhasrules | relhastriggers | relhassubclass | relrowsecurity | relforcerowsecurity | relispopulated | relreplident | relispartition | r
elhasextent | relpartkind | relparent | relfrozenxid | relminmxid | relacl | reloptions | relpartbound 
---------------------+--------------+---------+-----------+----------+-------+-------------+---------------+----------+-----------+----
-----------+---------------+-------------+-------------+----------------+---------+----------+-----------+------------+------------+---
----------+----------------+----------------+----------------+---------------------+----------------+--------------+----------------+--
------------+-------------+-----------+--------------+------------+--------+------------+--------------
 pg_toast_2604_index |           99 |       0 |         0 |       10 |   403 |        2831 |             0 |        1 |         0 |    
         0 |             0 | f           | f           | p              | i       |        2 |         0 | f          | f          | f 
          | f              | f              | f              | f                   | t              | n            | f              | f
            |             |         0 |            0 |          0 |        |            | 
(1 row)

主要系统表：

系统表 pg_namespace 用于存储命名空间
pg_tablespace 存储表空间信息，将表放置在不同的表空间有助于实施磁盘文件布局。
pg_database中存放了当前数据集簇中数据库的信息，它也是一个在整个集簇范围内共亭的系统表.
pg_c1ass 存储表及与表类似结构的数据库对象信息，包含索引、序列、视图、复合数据类型、 TOAST 表等。
pg_type存储数据类型信息
pg_attribute 存储表的属性信息，对于数据库中表的每个属性都有一个元组。
pg_index 存储索引的具体信息

关键系统表之间的相互依赖关系

pg_namespace表中的命名空间OID 与pg_class表中的命名空间OID相关联，用于确定表所属的命名空间。

pg_class表中的表OID与pg_attribute表中的表OID相关联，用于确定每个表的列信息。

pg_class表中的表OID与pg_index表中的表OID相关联，用于确定每个表的索引信息。

系统表初始化

在PostgreSQL数据库安装完后，需要先进行初始化数据库操作（initdb），生成模板数据库和相应的目录、文件信息，系统表即在此阶段生成。而用户数据库及其系统表都是从模板数据库进行复制生成的。

系统表的访问

由于系统表保存了数据库的所有元数据，所以系统运行时对系统表的访问是非常频繁的。为了提高系统性能，在内存中建立了共享的系统表CACHE，使用 Hash 函数和 Hash 表提高查询效率。

PG 的 cache 体系主要有三种:

syscache，缓存系统表数据
relcache，缓存一个表关系relation 的完整数据(包括用户表的)
plancache，缓存planstmt，加速一个query对同一个planstmt 的访问

代码路径：src/backend/utils/cache/

主要介绍的是前两种：

SysCache（`CatCache` ）

SysCache介绍

代码路径：src/include/utils/catcache.h

缓存系统表数据，也叫 CatCache catalog cache，catcache中存放最近访问过的系统表缓存。
从实现上看SysCache就是一个数组，数组的长度为预定义的系统表的个数。在PG 8.4.1中实现了54个系统表，因此SysCache数组具有54个元素。每个元素的数据结构为CatCache，该结构体内使用Hash来存储被缓存的系统表元组，每个系统表唯一地对应一个SysCache数组中的CatCache结构。
在Postgres进程初始化时（在InitProgres中），将会对SysCache进行初始化。SysCache的初始化实际上是填充SysCache数组中每个元素的CatCache结构的过程，主要任务是将査找系统表元组的关键字信息写入SysCache数组元素中。这样通过指定的关键字可以快速定位到系统表元组的存储位置。
CatCache的数据结构如下：
在SysCache.c文件中已经将所有系统表的CatCache信息存储在一个名为cacheinfo的静态数组中，每个系统表的CatCache信息用一个数组元素来描述，其数据类型为cachedesc：

struct cachedesc
{
        Oid                        reloid;                        /* OID of the relation being cached */
        Oid                        indoid;                        /* OID of index relation for this cache */
        int                        nkeys;                        /* # of keys needed for cache lookup */
        int                        key[4];                        /* attribute numbers of key attrs */
        int                        nbuckets;                /* number of hash buckets for this cache */
};

为了便于查找， SysCache 中的 CatCache 通过其 cc_next 字段构成了一个单向链表，其头部用全

局变量CacheHdr 记录（数据结构为catcacheheader）：

typedef struct catcacheheader
{
    slist_head    ch_caches;        //指向 CatCache 链表的头部
    int            ch_ntup;        //所有CatCache中缓存元组的总数
} CatCacheHeader;

SysCache初始化

第一阶段：PG 在初始化 backend进程时会通过 InitPostgres --> InitCatalogCache 完成对 SysCache 的初始化，并建立由CacheHdr记录的CatCache链表，这里 SysCache 是一个 CatCache 结构的数组。InitCatalogCache函数中对SysCache的初始化主要分为以下几个步骤：
- 根据cacheinfo为SysCache数组分配空间，这里将SysCache的长度设置为和cacheinfo数组相同。
- 循环调用InitCatcache函数根据cacheinfo中的每一个元素生成CatCache结构并放入SysCache数组的对应位置中。InitCatcache每调用一次将处理一个cachedesc结构。该函数根据cachedesc中要求的Hash桶的数量为即将建立的CatCache结构分配内存，并根据cachedesc结构中的信息填充CatCache的各个字段。最后将生成的CatCache链接在CacheHdr所指向的链表的头部。
第二阶段：调用函数RelationCacheInitializePhase2（负责RelCache的初始化）进行第二阶段初始化，该函数调用InitCatcachePhase2。InitCatcachePhase2将依次完善SysCache数组中的CatCache结构，主要是根据对应的系统表填充CatCache结构中的元组描述符(cc_tupledesc)、系统表名(cc_relname)、查找关键字的相关字段(cc_hashfunc、cc_isname、cc_skey)等。
SysCache数组初始化后，CatCache内是没有任何元组的，但是随着系统运行，对于系统表元组的访问，其中的系统表元组也会逐渐增多。

RelCache

RelCache 介绍

RelCache 中包含所有最近访问过的表的模式信息(包含系统表的信息) 。RelCache 的管理比 SysCache 要简单许多，原因在于大多数时候 RelCache 中存储的 RelationData 的结构是不变的，因此 PG仅用一个 Hash 表管理RelCache 。对 RelCache 的查找、插入、删除、修改等操作也非常简单。当需要打开一个表时，首先在 RelCache 中寻找该表的 RelationData 结构，如果没有找到，则创建该结构并加入到 RelCache 中。
RelCache 中存放的不是元组，而是 RelationData 数据结构：

RelCache初始化

与SysCache 的初始化类似， RelCache 的初始化同样也在 lnitPostgres 函数中进行，同样分为两个阶段: RelationCachelnitialize 和RelationCacheInitializePhase2。

第一阶段：InitPostgres会调用函数RelationCachelnitialize对ReiCache进行第一阶段初始化，该函数将为该进程创建一个Hash表，其Hash键为表的OID,并设置Hash函数为oid_hash。Hash表的创建在函数hash_create中实现，该函数将创建一个标准Hash表结构体HTAB。
第二阶段：在完成了 Hash表的创建后，InitPostgres将调用RelationCachelnitializePhase进人第二阶段的初始化。该函数将必要的系统表和系统表索引的模式信息加人到RelCache中，这个过程通过函数RelationCacheInitializePhase2 来实现。这个阶段会确保 pg_class、pg_attribute、pg_proc、pg_type 四个系统表及相关索引的模式信息被加入到RelCache。在PostgreSQL中，使用一个文件pgJntemaLinit来记录系统表RelationData结构体，若该文件存在且未损坏，则将其内容直接读人RelCache中。否则，分别建立 pg_class、pg__atlribute、pg_proc、pg_type 及其索引的 RelationData 结构，加入到 RelCache上的Hash表中，并重写pg_internal.init文件。
当RelCache初始化完成后，我们就可以使用它来査找表的模式信息。RelCache的主要操作包括：

RelCache的主要操作

插人新打开的表

当打开新的表时，要把它的RelationData加入到RelCache中。该操作通过宏RelationCachelnsert来实现：首先，根据关系表OID在Hash表中找到对应的位置，调用函数hash_search,指定査询模式为HASH_ENTER，该模式下若发现OID对应的Hash桶已存在，则返回其指针；否则创建一个新的空的hash桶，返回其指针。然后将返回的指针强制转换为RelIdCacheEnt(数据结构：relidcacheent)，然后把打开表的RelationData陚值给reldesc字段。

typedef struct relidcacheent
{
    Oid                        reloid;
        Relation        reldesc;
} RelIdCacheEnt;

査找Hash表

査找Hash表通过定义宏RelationldCacheLookup (ID，RELATION)来实现，调用函数hash_search，指定査询模式为HASH_FIND,若找到ID对应的RelldCacheEnt，则将其iddesc字段的值賦值给 RELATION;否则，设置RELATION为NULL。

从Hash表中删除元素

从Hash表中删除元素通过定义宏RelationCacheDelete(RELATION)来实现，调用函数hash_search,指定査询模式为HASH_REVOKE,在该模式下，若找到对应的Hash桶，则将其删除；否则返回NULL。

Hash表实际上扮演了 RelCache索引的角色，所有对于RelCache的査找都是通过Hash表辅助进行的。

元数据与系统表

OID

接下来看看 PostgreSQL 内部非常重要的一些系统表，以及它们之间的关系模型，从而更好的帮助我们理解创建的一个用户表是如何被组织管理的。

主要系统表

pg_class（表及与表类似结构的数据库对象信息）

用于存储表及与表类似结构的数据库对象信息，包含索引、序列、视图、复合数据类型、TOAST表等。每一个对象都在pg_class中表示为一个元组。

代码路径：

src/include/catalog/pg_class.h

// 因为过多，简单挑几个关键信息如下，pg_class 的唯一标识 
CATALOG(pg_class,1259,RelationRelationId)
{
    Oid         oid; // 当前表对象在 pg_class 的唯一标识，pg_class会以oid 为主键建索引，方便查找
    NameData    relname; // relation 名字
    Oid         relnamespace; // 所处的 pg_namespace oid，用来和 pg_namespace系统表建立关联
    Oid         reltype; // 对象类型，用于和pg_type系统表建立关联
    ...
    Oid         relam; // am 类型，比如是heap or 其他的，也是和 pg_amthod 建立管理
    ...
    Oid         relfilenode; // 当前对象的物理文件名，pg 内部文件名都是以数字存在。
    ...
    char        relpersistence; // 该对象的存储类型， 'p' 表示永久，即基本持久化类型; 
                                //'u' 表示 unlogged，不写wal.
                                // 't' 表示临时表，session 级别的生命周期
    char        relkind; // 该对象的类型，'r'=普通表，'i'=索引，'v'=视图, 't'=toast 大value， 'c'=符合类型 等
    int16       relnatts; // 该对象的属性列的个数
    ...
}

postgres=# create type map as (string varchar, int_1 int); 
CREATE TYPE
postgres=# create table map_test (id int, value map); 
CREATE TABLE
//复合类型 map 的属性信息
postgres=# select oid,relname,relnamespace,reltype,relam,relfilenode,relpersistence,relkind,relnatts from pg_class where relname='map';
  oid  | relname | relnamespace | reltype | relam | relfilenode | relpersistence | relkind | relnatts 
-------+---------+--------------+---------+-------+-------------+----------------+---------+----------
 16396 | map     |         2200 |   16398 |     0 |       16396 | p              | c       |        2
(1 row)

//表map_test的属性信息
postgres=# select oid,relname,relnamespace,reltype,relam,relfilenode,relpersistence,relkind,relnatts from pg_class where relname='map_test';
  oid  | relname  | relnamespace | reltype | relam | relfilenode | relpersistence | relkind | relnatts 
-------+----------+--------------+---------+-------+-------------+----------------+---------+----------
 16399 | map_test |         2200 |   16401 |     0 |       16399 | p              | r       |        2
(1 row)

pg_type（数据类型信息）

接下来看看pg_type 的定义 pg_type.h，挑选几个简略定义如下:

// pg_type的 固有对象 标识是1247
CATALOG(pg_type,1247,TypeRelationId)
{
    Oid         oid; // 类型oid
    NameData    typname; // 类型名字
    ...
    int16       typlen; // 该类型的长度，对于变长类型则一直是-1，如果是-2则是以null 终止的c字符串。
    ...
    char        typtype; // 该类型的基础类型。 'b'=基本类型，'c'=复合类型, 'd'=域类型, 'e'=枚举类型等
}

比如对于我们前面通过 create type map as (string varchar, int_1 int); 创建的类型，可以从 pg_type中看到其信息如下

postgres=# select oid,typname,typlen,typtype from pg_type where typname='map';
  oid  | typname | typlen | typtype 
-------+---------+--------+---------
 16398 | map     |     -1 | c
(1 row)

pg_attribute(表的属性信息)

CATALOG(pg_attribute,1249) BKI_BOOTSTRAP BKI_WITHOUT_OIDS BKI_ROWTYPE_OID(75) BKI_SCHEMA_MACRO
{
    Oid         attrelid; // 该列属于哪一个关系对象，关系对象的oid （一个数据库只能有一个关系对象的名字）
    NameData    attname; // 该列的名称
    Oid         atttypid; // 该列的类型， 指向 pg_type的一条类型
    ...
    int16       attlen; // 该列的长度，同 pg_type中的 typlen，加速读取attr信息。
    int16       attnum; // 该列的index，是 attrelid 的第几列。
    ...
}

比如我们查看前面创建的 test_map（create table map_test (id int, value map);）表的列描述信息如下：

pg_namespace（命名空间）

用于存储命名空间，PostgreSQL的名字空间层次是：数据库.模式.表.属性。pg_namespace中每一个元组都对应一个名字空间。

代码路径：(src/backend/catalog/pg_namespace.h)

CATALOG(pg_namespace,2615)
{
    NameData    nspname;//命名空间
    Oid            nspowner;//命名空间所有者的oid

#ifdef CATALOG_VARLEN            /* variable-length fields start here */
    aclitem        nspacl[1];
#endif
} FormData_pg_namespace;

查询命名空间，返回"pg_namespace"表的所有行和列，其中包含命名空间的详细信息：

//如命名空间的名称、所属数据库的OID(对象标识符）以及其他相关属性。
postgres=# select * from pg_namespace;
      nspname       | nspowner |           nspacl           
--------------------+----------+----------------------------
 pg_toast           |       10 | 
 pg_oracle          |       10 | 
 pg_temp_1          |       10 | 
 pg_toast_temp_1    |       10 | 
 pg_catalog         |       10 | {tbase=UC/tbase,=U/tbase}
 public             |       10 | {tbase=UC/tbase,=UC/tbase}
 information_schema |       10 | {tbase=UC/tbase,=U/tbase}
(7 rows)

pg_tablespace（表空间）

用于存储表空间信息，将表放置在不同的表空间有助于实施磁盘文件布局。数据库在逻辑上分成多个存储单元，称作表空间。表空间用作把逻辑上相关的结构放在一起。数据库逻辑上是由一个或多个表空间组成。初始化的时候，会自动创建pg_default和pg_global两个表空间。
pg_tablespace在整个数据集簇里只有一份，也就是说同一个数据集簇内的所有数据库共享一个pg_tablespace表，而不是每个数据库都有自己的pg_tablespace表。pg_tablespace中每一个元组都对应一个表空间。

定义在pg_tablespace.h中：

CATALOG(pg_tablespace,1213) BKI_SHARED_RELATION
{
    NameData    spcname;        /*表空间名字 */
    Oid            spcowner;        /* 表空间的所有者的oid */

#ifdef CATALOG_VARLEN            /* variable-length fields start here */
    aclitem        spcacl[1];        /* access permissions */
    text        spcoptions[1];    /* per-tablespace options */
#endif
} FormData_pg_tablespace;

查询表空间：

pg_database（数据库信息）

用于存储当前数据集簇中数据库的信息，是一个在整个集簇范围内共享的系统表。pg_database中每一个元组都对应集簇中的一个数据库。

代码路径：src/include/catalog/pg_database.h

postgres=# select * from pg_database;
  datname  | datdba | encoding | datcollate |  datctype  | datistemplate | datallowconn | datconnlimit | datlastsysoid | datfrozenxi
d | datminmxid | dattablespace |           datacl           
-----------+--------+----------+------------+------------+---------------+--------------+--------------+---------------+------------
--+------------+---------------+----------------------------
 postgres  |     10 |        6 | en_US.utf8 | en_US.utf8 | f             | t            |           -1 |         13368 |            
3 |          1 |          1663 | 
 template1 |     10 |        6 | en_US.utf8 | en_US.utf8 | t             | t            |           -1 |         13368 |            
3 |          1 |          1663 | {=c/tbase,tbase=CTc/tbase}
 template0 |     10 |        6 | en_US.utf8 | en_US.utf8 | t             | f            |           -1 |         13368 |            
3 |          1 |          1663 | {=c/tbase,tbase=CTc/tbase}
(3 rows)

//数据库信息
postgres=# \l
                             List of databases
   Name    | Owner | Encoding |  Collate   |   Ctype    | Access privileges 
-----------+-------+----------+------------+------------+-------------------
 postgres  | tbase | UTF8     | en_US.utf8 | en_US.utf8 | 
 template0 | tbase | UTF8     | en_US.utf8 | en_US.utf8 | =c/tbase         +
           |       |          |            |            | tbase=CTc/tbase
 template1 | tbase | UTF8     | en_US.utf8 | en_US.utf8 | =c/tbase         +
           |       |          |            |            | tbase=CTc/tbase
(3 rows)

pg_index(索引)

用于存储索引的具体信息。

postgres=# select * from pg_index limit 5;
 indexrelid | indrelid | indnatts | indisunique | indisprimary | indisexclusion | indimmediate | indisclustered | indisvalid | indcheck
xmin | indisready | indislive | indisreplident | indkey | indcollation | indclass  | indoption | indexprs | indpred 
------------+----------+----------+-------------+--------------+----------------+--------------+----------------+------------+---------
-----+------------+-----------+----------------+--------+--------------+-----------+-----------+----------+---------
       2831 |     2830 |        2 | t           | t            | f              | t            | f              | t          | f       
     | t          | t         | f              | 1 2    | 0 0          | 1981 1978 | 0 0       |          | 
       2833 |     2832 |        2 | t           | t            | f              | t            | f              | t          | f       
     | t          | t         | f              | 1 2    | 0 0          | 1981 1978 | 0 0       |          | 
       2835 |     2834 |        2 | t           | t            | f              | t            | f              | t          | f       
     | t          | t         | f              | 1 2    | 0 0          | 1981 1978 | 0 0       |          | 
       2837 |     2836 |        2 | t           | t            | f              | t            | f              | t          | f       
     | t          | t         | f              | 1 2    | 0 0          | 1981 1978 | 0 0       |          | 
       2839 |     2838 |        2 | t           | t            | f              | t            | f              | t          | f       
     | t          | t         | f              | 1 2    | 0 0          | 1981 1978 | 0 0       |          | 
(5 rows)

postgres=# select * from pg_class where oid =2831;
       relname       | relnamespace | reltype | reloftype | relowner | relam | relfilenode | reltablespace | relpages | reltuples | rel
allvisible | reltoastrelid | relhasindex | relisshared | relpersistence | relkind | relnatts | relchecks | relhasoids | relhaspkey | re
lhasrules | relhastriggers | relhassubclass | relrowsecurity | relforcerowsecurity | relispopulated | relreplident | relispartition | r
elhasextent | relpartkind | relparent | relfrozenxid | relminmxid | relacl | reloptions | relpartbound 
---------------------+--------------+---------+-----------+----------+-------+-------------+---------------+----------+-----------+----
-----------+---------------+-------------+-------------+----------------+---------+----------+-----------+------------+------------+---
----------+----------------+----------------+----------------+---------------------+----------------+--------------+----------------+--
------------+-------------+-----------+--------------+------------+--------+------------+--------------
 pg_toast_2604_index |           99 |       0 |         0 |       10 |   403 |        2831 |             0 |        1 |         0 |    
         0 |             0 | f           | f           | p              | i       |        2 |         0 | f          | f          | f 
          | f              | f              | f              | f                   | t              | n            | f              | f
            |             |         0 |            0 |          0 |        |            | 
(1 row)

主要系统表：

系统表 pg_namespace 用于存储命名空间
pg_tablespace 存储表空间信息，将表放置在不同的表空间有助于实施磁盘文件布局。
pg_database中存放了当前数据集簇中数据库的信息，它也是一个在整个集簇范围内共亭的系统表.
pg_c1ass 存储表及与表类似结构的数据库对象信息，包含索引、序列、视图、复合数据类型、 TOAST 表等。
pg_type存储数据类型信息
pg_attribute 存储表的属性信息，对于数据库中表的每个属性都有一个元组。
pg_index 存储索引的具体信息

关键系统表之间的相互依赖关系

pg_namespace表中的命名空间OID 与pg_class表中的命名空间OID相关联，用于确定表所属的命名空间。

pg_class表中的表OID与pg_attribute表中的表OID相关联，用于确定每个表的列信息。

pg_class表中的表OID与pg_index表中的表OID相关联，用于确定每个表的索引信息。

系统表初始化

系统表的访问

PG 的 cache 体系主要有三种:

syscache，缓存系统表数据
relcache，缓存一个表关系relation 的完整数据(包括用户表的)
plancache，缓存planstmt，加速一个query对同一个planstmt 的访问

代码路径：src/backend/utils/cache/

主要介绍的是前两种：

SysCache（`CatCache` ）

SysCache介绍

代码路径：src/include/utils/catcache.h

缓存系统表数据，也叫 CatCache catalog cache，catcache中存放最近访问过的系统表缓存。
从实现上看SysCache就是一个数组，数组的长度为预定义的系统表的个数。在PG 8.4.1中实现了54个系统表，因此SysCache数组具有54个元素。每个元素的数据结构为CatCache，该结构体内使用Hash来存储被缓存的系统表元组，每个系统表唯一地对应一个SysCache数组中的CatCache结构。
在Postgres进程初始化时（在InitProgres中），将会对SysCache进行初始化。SysCache的初始化实际上是填充SysCache数组中每个元素的CatCache结构的过程，主要任务是将査找系统表元组的关键字信息写入SysCache数组元素中。这样通过指定的关键字可以快速定位到系统表元组的存储位置。
CatCache的数据结构如下：
在SysCache.c文件中已经将所有系统表的CatCache信息存储在一个名为cacheinfo的静态数组中，每个系统表的CatCache信息用一个数组元素来描述，其数据类型为cachedesc：

struct cachedesc
{
        Oid                        reloid;                        /* OID of the relation being cached */
        Oid                        indoid;                        /* OID of index relation for this cache */
        int                        nkeys;                        /* # of keys needed for cache lookup */
        int                        key[4];                        /* attribute numbers of key attrs */
        int                        nbuckets;                /* number of hash buckets for this cache */
};

为了便于查找， SysCache 中的 CatCache 通过其 cc_next 字段构成了一个单向链表，其头部用全

局变量CacheHdr 记录（数据结构为catcacheheader）：

typedef struct catcacheheader
{
    slist_head    ch_caches;        //指向 CatCache 链表的头部
    int            ch_ntup;        //所有CatCache中缓存元组的总数
} CatCacheHeader;

SysCache初始化

第一阶段：PG 在初始化 backend进程时会通过 InitPostgres --> InitCatalogCache 完成对 SysCache 的初始化，并建立由CacheHdr记录的CatCache链表，这里 SysCache 是一个 CatCache 结构的数组。InitCatalogCache函数中对SysCache的初始化主要分为以下几个步骤：
- 根据cacheinfo为SysCache数组分配空间，这里将SysCache的长度设置为和cacheinfo数组相同。
- 循环调用InitCatcache函数根据cacheinfo中的每一个元素生成CatCache结构并放入SysCache数组的对应位置中。InitCatcache每调用一次将处理一个cachedesc结构。该函数根据cachedesc中要求的Hash桶的数量为即将建立的CatCache结构分配内存，并根据cachedesc结构中的信息填充CatCache的各个字段。最后将生成的CatCache链接在CacheHdr所指向的链表的头部。
第二阶段：调用函数RelationCacheInitializePhase2（负责RelCache的初始化）进行第二阶段初始化，该函数调用InitCatcachePhase2。InitCatcachePhase2将依次完善SysCache数组中的CatCache结构，主要是根据对应的系统表填充CatCache结构中的元组描述符(cc_tupledesc)、系统表名(cc_relname)、查找关键字的相关字段(cc_hashfunc、cc_isname、cc_skey)等。
SysCache数组初始化后，CatCache内是没有任何元组的，但是随着系统运行，对于系统表元组的访问，其中的系统表元组也会逐渐增多。

RelCache

RelCache 介绍

RelCache 中包含所有最近访问过的表的模式信息(包含系统表的信息) 。RelCache 的管理比 SysCache 要简单许多，原因在于大多数时候 RelCache 中存储的 RelationData 的结构是不变的，因此 PG仅用一个 Hash 表管理RelCache 。对 RelCache 的查找、插入、删除、修改等操作也非常简单。当需要打开一个表时，首先在 RelCache 中寻找该表的 RelationData 结构，如果没有找到，则创建该结构并加入到 RelCache 中。
RelCache 中存放的不是元组，而是 RelationData 数据结构：

RelCache初始化

与SysCache 的初始化类似， RelCache 的初始化同样也在 lnitPostgres 函数中进行，同样分为两个阶段: RelationCachelnitialize 和RelationCacheInitializePhase2。

第一阶段：InitPostgres会调用函数RelationCachelnitialize对ReiCache进行第一阶段初始化，该函数将为该进程创建一个Hash表，其Hash键为表的OID,并设置Hash函数为oid_hash。Hash表的创建在函数hash_create中实现，该函数将创建一个标准Hash表结构体HTAB。
第二阶段：在完成了 Hash表的创建后，InitPostgres将调用RelationCachelnitializePhase进人第二阶段的初始化。该函数将必要的系统表和系统表索引的模式信息加人到RelCache中，这个过程通过函数RelationCacheInitializePhase2 来实现。这个阶段会确保 pg_class、pg_attribute、pg_proc、pg_type 四个系统表及相关索引的模式信息被加入到RelCache。在PostgreSQL中，使用一个文件pgJntemaLinit来记录系统表RelationData结构体，若该文件存在且未损坏，则将其内容直接读人RelCache中。否则，分别建立 pg_class、pg__atlribute、pg_proc、pg_type 及其索引的 RelationData 结构，加入到 RelCache上的Hash表中，并重写pg_internal.init文件。
当RelCache初始化完成后，我们就可以使用它来査找表的模式信息。RelCache的主要操作包括：

RelCache的主要操作

插人新打开的表

typedef struct relidcacheent
{
    Oid                        reloid;
        Relation        reldesc;
} RelIdCacheEnt;

査找Hash表

从Hash表中删除元素

Hash表实际上扮演了 RelCache索引的角色，所有对于RelCache的査找都是通过Hash表辅助进行的。

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了解天翼云

元数据与系统表

元数据与系统表

OID

主要系统表

pg_class（表及与表类似结构的数据库对象信息）

pg_type（数据类型信息）

pg_attribute(表的属性信息)

pg_namespace（命名空间）

pg_tablespace（表空间）

pg_database（数据库信息）

pg_index(索引)

关键系统表之间的相互依赖关系

系统表初始化

系统表的访问

SysCache（CatCache ）

SysCache介绍

SysCache初始化

RelCache

RelCache 介绍

RelCache初始化

RelCache的主要操作

插人新打开的表

査找Hash表

从Hash表中删除元素

元数据与系统表

元数据与系统表

OID

主要系统表

pg_class（表及与表类似结构的数据库对象信息）

pg_type（数据类型信息）

pg_attribute(表的属性信息)

pg_namespace（命名空间）

pg_tablespace（表空间）

pg_database（数据库信息）

pg_index(索引)

关键系统表之间的相互依赖关系

系统表初始化

系统表的访问

SysCache（CatCache ）

SysCache介绍

SysCache初始化

RelCache

RelCache 介绍

RelCache初始化

RelCache的主要操作

插人新打开的表

査找Hash表

从Hash表中删除元素

SysCache（`CatCache` ）

SysCache（`CatCache` ）