📚 课程目录第2章 PostgreSQL物理复制原理

2. PostgreSQL物理复制原理

PostgreSQL 的物理复制不是把 SQL 语句重新执行一遍，而是把主库上“数据页如何被修改”的物理证据——WAL（Write-Ahead Log，预写式日志）——原样传送到备库并重放。理解这条链路，是判断跨地域容灾中“能丢多少数据、切换要多久、备库是否可用”的基础。

一、WAL 的生成：先写日志，再写数据页

PostgreSQL 遵循 WAL 规则：任何数据页的修改，必须先把对应的 WAL 记录刷入持久存储，之后才允许把脏数据页写回磁盘。这样即使数据页尚未落盘就宕机，也能通过重放 WAL 恢复。

WAL 在逻辑上是一条连续的字节流，物理上被切分为固定大小的段文件，默认 16MB。每个段有唯一名称，例如 000000010000000000000001，由时间线 ID、逻辑日志号和段号组成。WAL 记录以 LSN（Log Sequence Number）标识位置，格式为“段号/段内偏移”，如 0/1A2B3C4。LSN 单调递增，是复制进度、恢复目标和一致性判断的统一坐标。

关键参数决定生成节奏：wal_level 至少为 replica 才能支撑物理复制；wal_keep_size 或复制槽决定主库为备库保留多少 WAL；max_wal_senders 限制并发发送进程数。若备库落后超过保留量，主库会回收所需 WAL，备库只能重建。

二、WAL 传输：从主库到备库的路径

WAL 传输有两条路径。第一条是 流复制：备库通过 walreceiver 进程连接主库的 walsender，主库在新 WAL 生成后近乎实时推送。第二条是 归档恢复：主库用 archive_command 把已完成的 WAL 段复制到归档目录，备库用 restore_command 拉取。生产环境通常两者并用：流复制保证低延迟，归档作为追赶和兜底。

备库收到 WAL 后，由 startup 进程重放。重放位置由 pg_stat_replication 中的 sent_lsn、write_lsn、flush_lsn、replay_lsn 四个指标刻画，分别代表主库已发送、备库已写入、备库已刷盘、备库已重放的位置。跨地域场景中，网络往返时延会直接体现在 sent_lsn 与 replay_lsn 的差距上。

三、流复制协议：一次握手，持续推送

流复制基于 PostgreSQL 前端/后端协议扩展。备库启动时向主库发起连接，携带 replication=true 参数，主库校验 pg_hba.conf 中的 replication 条目后建立 walsender 会话。备库在握手中告知自己已持久化的 LSN，主库从该位置之后开始推送。

协议支持两种反馈模式：物理流复制下备库周期性发送 standby status update，包含 write_lsn、flush_lsn、apply_lsn；主库据此判断同步备库是否已确认。若备库长时间无响应，主库可依据 wal_sender_timeout 断开连接，避免 walsender 悬挂。

跨地域部署时，流复制连接会穿越高延迟链路。此时应关注 pg_stat_replication 的 write_lag、flush_lag、replay_lag 三个时间差指标，它们比单纯看 LSN 差值更能反映“备库落后主库多少秒”。

四、同步与异步复制模式

复制模式由主库 synchronous_standby_names 和 synchronous_commit 共同决定。

异步复制：主库提交事务时不等备库确认，立即向客户端返回成功。优点是写入延迟低；缺点是主库故障时，尚未传输的 WAL 会丢失，RPO 大于 0。
同步复制：主库提交事务后，必须等待指定备库将 WAL 刷入持久存储（synchronous_commit=on）或至少写入（=remote_write），才向客户端返回成功。RPO 可降为 0，但写入延迟受备库和网络影响。
法定人数同步：synchronous_standby_names = 'ANY 1 (standby1, standby2)' 表示两个备库中任意一个确认即可提交，兼顾可用性与数据安全。

同步复制并非“所有备库都同步”。只有被 synchronous_standby_names 列出的备库才参与确认；未列出的备库仍以异步方式追赶。若同步备库全部不可用，主库会阻塞提交，直到 synchronous_standby_names 被调整或备库恢复。这是跨地域容灾中必须提前设计的降级路径。

跨地域场景建议：同城备库配置为同步，异地备库配置为异步或 remote_write。这样既保证同城 RPO=0，又避免异地网络抖动拖垮主库写入。

五、观察与判断：用指标验证复制状态

在主库执行以下查询，可同时看到发送与确认进度：

SELECT application_name,
       client_addr,
       state,
       sent_lsn,
       write_lsn,
       flush_lsn,
       replay_lsn,
       write_lag,
       flush_lag,
       replay_lag,
       sync_state
FROM pg_stat_replication;

判断要点：state 应为 streaming；sync_state 为 sync 表示该备库参与同步确认；replay_lag 持续增大说明备库重放跟不上；若 sent_lsn 与 replay_lsn 差距长期不收敛，需检查网络带宽、备库 I/O 或 max_wal_size 是否过小导致频繁检查点。

在备库执行 SELECT pg_last_wal_receive_lsn(), pg_last_wal_replay_lsn(); 可确认接收与重放位置。若两者相等且持续前进，说明备库已追平主库；若接收位置远大于重放位置，说明 WAL 已到但重放慢，通常与备库磁盘或 CPU 有关。

六、跨地域容灾中的取舍

物理复制的本质是“WAL 字节流的搬运与重放”。跨地域时，网络 RTT 直接放大同步复制的提交延迟，因此需要按业务 RPO/RTO 选择模式：金融交易类可接受同城同步、异地异步；日志分析类可全异步，优先吞吐。无论哪种模式，都必须保证 WAL 保留量足够覆盖最长网络中断时间，否则备库将因 WAL 被回收而无法追赶，只能重新搭建。

理解 WAL 生成、流复制协议和同步/异步模式，才能在后续的故障切换设计中，准确判断“切换时丢不丢数据、备库能不能立刻接管、主库恢复后如何重新加入”。