PostgreSQL的系统函数分析记录

Postgre SQL 前端之家
前端之家收集整理的这篇文章主要介绍了PostgreSQL的系统函数分析记录，前端之家小编觉得挺不错的，现在分享给大家，也给大家做个参考。

Postgresql数据库中有许多内部函数，这次对系统表pg_proc以及函数代码进行分析记录（这里是针对9.3进行介绍的）。

一、数据库系统表pg_proc

数据库中所有内部函数信息都存储在系统表pg_proc.
内部函数都是在编译之前写好并存储在pg_proc.h文件中。
下面来看一下pg_proc的表结构，首先是看源码中的结构体： 

  1. CATALOG(pg_proc,1255) BKI_BOOTSTRAP BKI_ROWTYPE_OID(81) BKI_SCHEMA_MACRO
  2.    37 {
  3.    38     NameData    proname;        /* procedure name */
  4.    39     Oid         pronamespace;   /* OID of namespace containing this proc */
  5.    40     Oid         proowner;       /* procedure owner */
  6.    41     Oid         prolang;        /* OID of pg_language entry */
  7.    42     float4      procost;        /* estimated execution cost */
  8.    43     float4      prorows;        /* estimated # of rows out (if proretset) */
  9.    44     Oid         provariadic;    /* element type of variadic array,or 0 */
  10.    45     regproc     protransform;   /* transforms calls to it during planning */
  11.    46     bool        proisagg;       /* is it an aggregate? */
  12.    47     bool        proiswindow;    /* is it a window function? */
  13.    48     bool        prosecdef;      /* security definer */
  14.    49     bool        proleakproof;   /* is it a leak-proof function? */
  15.    50     bool        proisstrict;    /* strict with respect to NULLs? */
  16.    51     bool        proretset;      /* returns a set? */
  17.    52     char        provolatile;    /* see PROVOLATILE_ categories below */
  18.    53     int16       pronargs;       /* number of arguments */
  19.    54     int16       pronargdefaults;    /* number of arguments with defaults */
  20.    55     Oid         prorettype;     /* OID of result type */
  21.    56 
  22.    57     /*
  23.    58      * variable-length fields start here,but we allow direct access to
  24.    59      * proargtypes
  25.    60      */
  26.    61     oidvector   proargtypes;    /* parameter types (excludes OUT params) */
  27.    62 
  28.    63 #ifdef CATALOG_VARLEN
  29.    64     Oid         proallargtypes[1];      /* all param types (NULL if IN only) */
  30.    65     char        proargmodes[1]; /* parameter modes (NULL if IN only) */
  31.    66     text        proargnames[1]; /* parameter names (NULL if no names) */
  32.    67     pg_node_tree proargdefaults;/* list of expression trees for argument
  33.    68                                  * defaults (NULL if none) */
  34.    69     text        prosrc;         /* procedure source text */
  35.    70     text        probin;         /* secondary procedure info (can be NULL) */
  36.    71     text        proconfig[1];   /* procedure-local GUC settings */
  37.    72     aclitem     proacl[1];      /* access permissions */
  38.    73 #endif
  39.    74 } FormData_pg_proc;
下面来简单介绍pg_type的各个字段含义：

proname、pronamespace、proowner分别是函数名（sql调用的名字）、存在的模式（oid）、所属用户（oid），这里就不多说了。
prolang：实现语言或该函数的调用接口，目前在系统中定义的为（internal，12），（c、13），（sql，14），数据库中主要用的是internal和sql。
procost：估计执行成本，这里和执行计划相关联。
prorows：结果行估计数。
provariadic:可变数组参数类型，这是9.1之后加入的，这是能够然函数定义不再受限于参数个数。这个类型可以参照一下函数concat和concat_ws这两个函数。这个地方在这里对concat说明，在函数concat这个参数是这样写的2276，这 个函数是拼接字符串，而2276正是any，在这里填写后，表示这个函数可以接收多个any类型的参数，而不用像以前那样每多一个参数就得写一个定义。
protransform：可以替代被调用的简化函数。可以参看varbit函数。这里写的是varbit_transform,而通过查看代码，可以知道varbit_transform只有一个参数，也就是说当只有一个参数的时候调用varbit实际上执行的是varbit_transform。
proisagg：这是不是一个聚集函数。
proiswindow：是否为窗口函数。窗口函数(RANK,SUM等) 可以对一组相关的记录进行操作。
prosecdef：函数是一个安全定义器(也就是一个"setuid"函数)。
proleakproof：有无其他影响。
proisstrict：遇到NULL值是否直接返回NULL，这里要说明的是，数据库中有一个数组专门来存储这个值，当为true时，数据库对参数为NULL的qi。
proretset：函数返回一个集合(也就是说，指定数据类型的多个数值)。
provolatile:告诉该函数的结果是否只倚赖于它的输入参数，或者还会被外接因素影响。对于"不可变的"(immutable)函数它是 i ，这样的函数对于相同的输入总是产生相同的结果。对于"稳定的"(stable)函数它是 s ，(对于固定输入)其结果在一次扫描里不变。对于"易变"(volatile)函数它是 v ，其结果可能在任何时候变化。v 也用于那些有副作用的函数，因此调用它们无法得到优化。
pronargs:参数个数。
pronargdefaults：默认参数的个数。
prorettype：返回参数类型的oid。
proargtypes：一个存放函数参数的数据类型的数组。
proargmodes：一个保存函数参数模式的数组，编码如下：i 表示 IN 参数， o 表示 OUT 参数， b 表示 INOUT 参数。如果所有参数都是 IN 参数，那么这个字段为空。请注意，下标对应的是 proallargtypes 的位置，而不是 proargtypes。
proargnames：一个保存函数参数的名字的数组。没有名字的参数在数组里设置为空字符串。如果没有一个参数有名字，这个字段将是空。请注意，此数组的下标对应 proallargtypes 而不是 proargtypes。
proargdefaults：表达式树（以nodeToString（）形式表示）的默认值。这是pronargdefaults元素的列表，对应的最后N个输入参数（即最后N proargtypes位置）。如果没有的参数有默认值，这个领域将是空的。
prosrc：这个字段告诉函数处理器如何调用该函数。它实际上对于解释语言来说就是函数的源程序，或者一个链接符号，一个文件名，或者是任何其它的东西，具体取决于语言/调用习惯的实现。
probin：关于如何调用该函数的附加信息。同样，其含义也是和语言相关的。
proconfig：在运行时配置变量函数的局部设置。
 proacl：访问权限。

以上就是对系统表pg_proc的介绍，下面对如何阅读和编写内部函数作一下介绍。

二、函数基础

1、函数的使用：

在数据库中函数的使用是非常简单的。
用法为：
select FunctionName(args);
select FunctionName(columnname) from tablename;
……
(具体可以去查找文档，这里不做一一介绍了)

2、使用的函数名

这里的函数名（Functionname）就是系统表pg_proc中的proname了。

3、函数的定义

一般能看到的定义有两种。

第一种： 

  1. CREATE OR REPLACE FUNCTION date_part(text,time with time zone)
  2.   RETURNS double precision AS
  3. 'timetz_part'
  4.   LANGUAGE internal IMMUTABLE STRICT
  5.   COST 1;

data_part就是我们调用的函数的名称。
(text,time with time zone)即我们输入参数的类型。
double precision是我们返回的数据类型。
'timetz_part'是我们源码中命名的函数名，调用date_part其实是调用函数timetz_part。
internal是我们规定的函数语言。
1是我们估计的时间成本。

第二种： 

  1. CREATE OR REPLACE FUNCTION date_part(text,abstime)
  2.   RETURNS double precision AS
  3. 'select pg_catalog.date_part($1,cast($2 as timestamp with time zone))'
  4.   LANGUAGE sql STABLE STRICT
  5.   COST 1;
  6. ALTER FUNCTION date_part(text,abstime) OWNER TO highgo;
  7. COMMENT ON FUNCTION date_part(text,abstime) IS 'extract field from abstime';
这里基本和第一种相同。不同之处在于：
这里没有写源码中命名的函数，而是用一条sql语句替代了，在这里执行的时候又在执行的上边的date_part，然后再去调用的 timetz_part。

这里的函数语言是sql。

第三种： 

  1. CREATE OR REPLACE FUNCTION concat(VARIADIC "any")
  2.   RETURNS text AS
  3. 'text_concat'
  4.   LANGUAGE internal STABLE
  5.   COST 1;
  6. ALTER FUNCTION concat("any")
  7.   OWNER TO postgres;
  8. COMMENT ON FUNCTION concat("any") IS 'concatenate values';

这里不同的就是在参数上添加了VARIADIC，这是说明这个类型是一个可变数组。其他的都类似，就不说明了。

第四种： 

  1. CREATE OR REPLACE FUNCTION varbit(bit varying,integer,boolean)
  2.   RETURNS bit varying AS
  3. 'varbit'
  4.   LANGUAGE internal IMMUTABLE STRICT
  5.   COST 1;
这里是看起来和第一种是一样的，这里拿过来主要是说明一下，pg_proc中的 protransform字段，应该不能通过sql定义的方式填写。这个函数在proc中protransform的定义有varbit_transform。这段定义是admin反向出来的。


4、定义自己的函数（主要指的用sql定义）

这个可以去看文档。

5、函数的源码

如果要进行学习函数的源码学习，那么必须首先要阅读src/include/fmgr.h，这里对函数的制定了一揽子的宏定义。
首先呢，要说明的是，能够直接用sql语句调用的函数（prosrc），他的参数必须是PG_FUNCTION_ARGS。
下面是对PG_FUNCTION_ARGS的定义： 

  1. #define PG_FUNCTION_ARGS    FunctionCallInfo fcinfo
  2. typedef struct FunctionCallInfoData *FunctionCallInfo;
  3. typedef Datum (*PGFunction) (FunctionCallInfo fcinfo);
  4. typedef struct Node *fmNodePtr; typedef uintptr_t Datum;
  5. typedef struct Node
  6. {
  7.  NodeTag		type; //NodeTag 这是一个枚举类型
  8. } Node;
  9.  
  10.  
  11.  
  12.  
  13.  
  14.  
  15.   
  16.   
  17.   
  18.  
  19.  
     
  21.  
  22.  typedef struct FmgrInfo
  23. {
  24.  PGFunction	fn_addr;		/* pointer to function or handler to be called */
  25.  Oid		fn_oid;			/* OID of function (NOT of handler,if any) */
  26.  short		fn_nargs;		/* number of input args (0..FUNC_MAX_ARGS) */
  27.  bool		fn_strict;		/* function is "strict" (NULL in => NULL out) */
  28.  bool		fn_retset;		/* function returns a set */
  29.  unsigned char fn_stats;		/* collect stats if track_functions > this */
  30.  void	  *fn_extra;		/* extra space for use by handler */
  31.  MemoryContext fn_mcxt;		/* memory context to store fn_extra in */
  32.  fmNodePtr	fn_expr;		/* expression parse tree for call,or NULL */
  33. } FmgrInfo;
  34.  
  35. typedef struct FunctionCallInfoData
  36. {
  37. 	FmgrInfo   *flinfo;			/* ptr to lookup info used for this call */
  38. 	fmNodePtr	context;		/* pass info about context of call */
  39. 	fmNodePtr	resultinfo;		/* pass or return extra info about result */
  40. 	Oid			fncollation;	/* collation for function to use */
  41. 	bool		isnull;			/* function must set true if result is NULL */
  42. 	short		nargs;			/* # arguments actually passed */
  43. 	Datum		arg[FUNC_MAX_ARGS];		/* Arguments passed to function */
  44. 	bool		argnull[FUNC_MAX_ARGS]; /* T if arg[i] is actually NULL */
  45. } FunctionCallInfoData;

上面是很复杂的一个结构体，这就是调用函数生成的结构体。


三、函数在数据库中的历程

现在我以一个函数使用的sql语句去解读一下函数。

1、执行函数

首先，在命令行下输入一条sql语句，在此主要介绍函数，主要对函数运行进行介绍（其他的内存上下文、执行计划之类的，这里就不做介绍了，在下才疏学浅，有待进一步的学习后会做相应介绍），所以直接输入参数作为介绍，为了更好地说明，这里用concat作为函数例子进行介绍。进入客户端，调用函数。 

  1. postgres=# select concat('su','re');

2、进入到服务端

数据库客户端会根据前后端协议将用户查询将信息发送到服务端，进入函数PostgresMain，然后进入exec_simple_query，exec_simple_query函数主要分为两部分，第一部分是查询分析，第二部分是查询执行，下面以下图进行说明查询分析：

（1）首先exec_simple_query函数会将得到的sql语句通过调用pg_parse_query进入词法和语法分析的主题处理过程，然后函数pg_parse_query调用词法和语法分析的入口函数raw_parse生成分析树。raw_parse函数通过分词与语法引擎进行对sql语句的识别，其中执行函数时会调用makeFuncCall，初始化FuncCall。这是执行函数所必须调用的。raw_parse函数通过分词与语法引擎进行对sql语句的识别，其中执行函数时会调用makeFuncCall，初始化FuncCall。这是执行函数所必须调用的。 

  1. typedef struct FuncCall
  2. {
  3. 	NodeTag		type;
  4. 	List	   *funcname;		/* qualified name of function */
  5. 	List	   *args;			/* the arguments (list of exprs) */
  6. 	List	   *agg_order;		/* ORDER BY (list of SortBy) */
  7. 	Node	   *agg_filter;		/* FILTER clause,if any */
  8. 	bool		agg_star;		/* argument was really '*' */
  9. 	bool		agg_distinct;	/* arguments were labeled DISTINCT */
  10. 	bool		func_variadic;	/* last argument was labeled VARIADIC */
  11. 	struct WindowDef *over;		/* OVER clause,if any */
  12. 	int			location;		/* token location,or -1 if unknown */
  13. } FuncCall;

（2）函数pg_parse_query返回分析树给外部函数。
 （3）exec_simple_query接着调用函数pg_analyze_and_rewrite进行语义分析和查询重写。首先调用parse_analyze进行语义分析并生成查询树，其中parse_analyze会调用transformTopLevelStmt等（见下图）
 进行一系列的转化。 之 后 会 将 查 询 树 传 递 给 函 数pg_rewrite_querye对查询进行重写，对执行计划进行优化。




上面这一系列函数都是对函数pg_parse_query返回的分析树，进行一系列的转化，通过判定和选择对应函数，最终通过对系统表pg_proc进行查找、判定最优函数，并执行函数ParseFuncOrColumn来确认并找到函数，添加到执行计划中。否则返回错误，告知用户并无此函数（这里吐槽一下pg，函数的定义的非常死板，不够灵活，常常发生有对应函数，却找不到的情况，问题在于，数据库查找用户执行的函数时，会对参数类型进行确认，然后去寻找，当然这里主要是数据类型无法隐式转化的原因，当参数类型无法转化时，数据库就会报错，无法找到函数）。这里的transformTopLevelStmt、transformStmt、transformSelectStmt、transformTargetList、transformTargetList、transformExpr、transformExprRecurse、transformFuncCall都是进行转化的，而ParseFuncOrColumn函数的功能是详细寻找函数，而make_const是对参数进行处理的。
以下图来详细说明ParseFuncOrColumn的工作原理：


（1）ParseFuncOrColumn调用函数func_get_detail来确认函数是否存在，存在则返回函数oid号，否则返回错误。
（a）func_get_detail函数调用FuncnameGetCandidates通过函数名、参数个数在系统表pg_proc中得到候选函数列表。没有则返回错误。
（b）func_get_detail函数调用func_match_argtypes对参数类型进行匹配，其中会调用can_coerce_type来判定当前参数类型能否进行隐式转换。进而缩小范围。
（c）func_get_detail函数调用func_select_candidate最终确认函数参数类型（可转换的），返回类型、函数oid。
（2）ParseFuncOrColumn会调用coerce_type对参数表达式进行转换。
 （3）ParseFuncOrColumn调用函数make_fn_arguments对参数进行转化，变为函数能够使用的参数。

上述过程是创建并优化执行计划，这里仅仅是计划，真正执行的地方是查询执行。下面以图简单说明一下：


这里有一个很重要的结构体Portal： 

  1. typedef struct PortalData *Portal;
  2.  
  3. typedef struct PortalData
  4. {
  5. 	/* Bookkeeping data */
  6. 	const char *name;			/* portal's name */
  7. 	const char *prepStmtName;	/* source prepared statement (NULL if none) */
  8. 	MemoryContext heap;			/* subsidiary memory for portal */
  9. 	ResourceOwner resowner;		/* resources owned by portal */
  10. 	void		(*cleanup) (Portal portal);		/* cleanup hook */
  11. 	SubTransactionId createSubid;		/* the ID of the creating subxact */
  12.  
  13. 	/*
  14. 	 * if createSubid is InvalidSubTransactionId,the portal is held over from
  15. 	 * a prevIoUs transaction
  16. 	 */
  17.  
  18. 	/* The query or queries the portal will execute */
  19. 	const char *sourceText;		/* text of query (as of 8.4,never NULL) */
  20. 	const char *commandTag;		/* command tag for original query */
  21. 	List	   *stmts;			/* PlannedStmts and/or utility statements */
  22. 	CachedPlan *cplan;			/* CachedPlan,if stmts are from one */
  23.  
  24. 	ParamListInfo portalParams; /* params to pass to query */
  25.  
  26. 	/* Features/options */
  27. 	PortalStrategy strategy;	/* see above */
  28. 	int			cursorOptions;	/* DECLARE CURSOR option bits */
  29.  
  30. 	/* Status data */
  31. 	PortalStatus status;		/* see above */
  32. 	bool		portalPinned;	/* a pinned portal can't be dropped */
  33.  
  34. 	/* If not NULL,Executor is active; call ExecutorEnd eventually: */
  35. 	QueryDesc  *queryDesc;		/* info needed for executor invocation */
  36.  
  37. 	/* If portal returns tuples,this is their tupdesc: */
  38. 	TupleDesc	tupDesc;		/* descriptor for result tuples */
  39. 	/* and these are the format codes to use for the columns: */
  40. 	int16	   *formats;		/* a format code for each column */
  41.  
  42. 	/*
  43. 	 * Where we store tuples for a held cursor or a PORTAL_ONE_RETURNING or
  44. 	 * PORTAL_UTIL_SELECT query.  (A cursor held past the end of its
  45. 	 * transaction no longer has any active executor state.)
  46. 	 */
  47. 	Tuplestorestate *holdStore; /* store for holdable cursors */
  48. 	MemoryContext holdContext;	/* memory containing holdStore */
  49.  
  50. 	/*
  51. 	 * atStart,atEnd and portalPos indicate the current cursor position.
  52. 	 * portalPos is zero before the first row,N after fetching N'th row of
  53. 	 * query.  After we run off the end,portalPos = # of rows in query,and
  54. 	 * atEnd is true.  If portalPos overflows,set posOverflow (this causes us
  55. 	 * to stop relying on its value for navigation).  Note that atStart
  56. 	 * implies portalPos == 0,but not the reverse (portalPos could have
  57. 	 * overflowed).
  58. 	 */
  59. 	bool		atStart;
  60. 	bool		atEnd;
  61. 	bool		posOverflow;
  62. 	long		portalPos;
  63.  
  64. 	/* Presentation data,primarily used by the pg_cursors system view */
  65. 	TimestampTz creation_time;	/* time at which this portal was defined */
  66. 	bool		visible;		/* include this portal in pg_cursors? */
  67. }	PortalData;
这是查询执行中所必需的Portal ，存储的信息为查询计划树链表以及最后选中的执行策略等信息。上图中大部分都是在进行策略的选择。

调用CreatePortal创建空白的Portal，调用PortalStart进行初始化，调用函数PortalRun执行Portal，清理Portal。
其中PortalRun是真正执行用户需要的函数。他的大体步骤以下图为例：


这样，一个简单函数的调用结束了。最主要的两步为查询分析与查询执行。

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