PostgreSQL堆元组插入时BlockNumber获取的线程安全问题

前置背景 #

执行以下SQL会在PostgreSQL中插入一条堆元组：

CREATE TABLE my_table (
  id SERIAL PRIMARY KEY,
  value varchar(20)
);
INSERT into my_table(id, value) VALUES (1,'hey')

插入的大致步骤为：

1. 获取ROW EXCLUSIVE LOCK
2. 若relcache未缓存，则从系统目录表获取Relation Data
3. 选择合适的BlockNumber用于插入
4. 将数据写入对应Page

其中步骤3在非批量插入（BulkInsertState为false）时，通过RelationGetTargetBlock方法获取目标块，其定义如下：

#define RelationGetTargetBlock(relation) \
    ( (relation)->rd_smgr != NULL ? (relation)->rd_smgr->smgr_targblock : InvalidBlockNumber )

问题1：RelationGetTargetBlock非线程安全，多写入者无锁更新targblock会导致什么问题？ #

PostgreSQL默认采用多进程架构，每个数据库连接对应独立的后端进程，进程间内存空间完全隔离，RelationData和SMgrRelationData是进程本地缓存，常规场景下不存在跨进程的并发修改问题。但如果是同一进程内的多线程场景（如自定义扩展使用线程），无锁操作会引发以下问题：

• 竞态条件导致重复块选择：多个线程同时读取smgr_targblock，其中一个线程更新目标块后，其他线程仍基于旧值尝试插入已满的块，触发块空间检查失败，需要重新选择块，增加不必要的开销。
• 更新丢失：并发修改smgr_targblock时，一个线程的更新可能被另一个线程覆盖，导致后续插入持续尝试写入错误的块，需要多次重试才能找到可用块。

问题2：多写入场景下，RelationSetTargetBlock是否存在线程安全问题？ #

• 常规多进程场景下，每个后端进程独立维护自己的smgr_targblock，进程间无共享内存修改，因此不存在线程安全问题。
• 同一进程内的多线程场景中，RelationSetTargetBlock直接修改SMgrRelationData的smgr_targblock字段，未加锁时会出现更新丢失的竞态问题：多个线程同时修改该字段，后续线程的修改会覆盖之前的结果，导致目标块记录混乱，插入操作频繁重试或选择错误块。

问题3：多写入时获取过时目标块，是否会导致关系持续被过度扩展？ #

会出现短暂的过度扩展，但不会持续发生，原因如下：

1. 当进程尝试插入到过时的目标块时，会先检查块剩余空间，发现已满后调用RelationAddBlocks扩展新块。高并发场景下，多个进程可能同时执行此操作，导致多个空块被创建。
2. 但RelationGetBufferForTuple方法在目标块不可用时，会重新扫描关系的最后几个块寻找可用空间，后续插入会优先使用这些已创建的空块，不会持续扩展新块。
3. 这种过度扩展仅出现在高并发插入的峰值阶段，后续VACUUM操作可以清理未使用的空块（表未被锁定为不可截断状态时）。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者scameeer