开源的关系数据库PostgreSQL

PostgreSQL 简介

PostgreSQL 是一个功能强大、开源的对象关系型数据库管理系统（ORDBMS），以其可靠性、特性丰富和性能卓越而闻名。它最初于 1986 年由加州大学伯克利分校的计算机科学研究团队开发，目前由全球开发者社区维护。PostgreSQL 被广泛应用于数据密集型任务、企业级应用、地理信息系统(GIS)、以及大数据分析。

PostgreSQL 的主要功能

• 事务支持和一致性
  • 支持嵌套事务（通过 Savepoint 实现）。
  • 提供强一致性和隔离级别（如 READ COMMITTED、SERIALIZABLE）。
• 索引类型，PostgreSQL 提供多种索引以满足不同场景需求：
  • B-Tree（默认类型，适合大部分查询场景）。
  • Hash（适合等值查询）。
  • GIN（适合全文搜索和 JSON 操作）。
  • GiST（适合范围查询，如地理位置数据）。
  • BRIN（适合大数据范围查询）。
• 扩展支持，通过扩展模块增强数据库功能：
  • PostGIS：用于地理信息系统。
  • pgcrypto：支持加密功能。
  • pglogical：实现逻辑复制。
• 并行处理
  • 支持并行查询、索引构建和数据加载，提高大规模数据处理能力。
• 复制与高可用
  • 流复制：主从同步，支持热备。
  • 逻辑复制：表级复制，用于实时 ETL 或数据共享。
  • Failover 和高可用：支持工具（如 Patroni、Pgpool-II）实现自动故障转移。
• 外部数据访问
  • 支持外部表（Foreign Data Wrapper, FDW）连接外部数据源（如 MySQL、MongoDB、CSV）。

PostgreSQL 的核心特点

• 开源和社区支持
  • 完全开源，使用 PostgreSQL 许可证。
  • 由一个活跃的全球开发者社区维护和更新。
• 兼容性
  • 支持标准 SQL（SQL:2008 及以上）。
  • 可扩展性强，可以通过插件和扩展支持 NoSQL 数据（如 JSON、XML）。
• 多功能性
  • 支持复杂查询、触发器、存储过程和窗口函数。
  • 支持多种索引类型（如 B-Tree、GIN、GiST、BRIN 等）。
• 数据完整性和一致性
  • 支持 ACID（原子性、一致性、隔离性和持久性）事务。
  • 提供 MVCC（多版本并发控制），实现高并发。
• 扩展性和灵活性
  • 支持自定义数据类型、操作符、索引方法和语言绑定。
  • 可以通过扩展模块（如 PostGIS、pglogical）增强功能。
• 高性能
  • 支持并行查询、索引扫描和数据分片。
  • 提供优化器、缓存和性能调优选项。
• 安全性
  • 提供基于角色的访问控制。
  • 支持 SSL 加密、认证方式（如 MD5、Kerberos）。

数据类型支持

PostgreSQL 支持多种数据类型，涵盖数值、字符、日期和时间等基本类型，以及一些高级和扩展类型。以下是 PostgreSQL 支持的主要数据类型：

数值类型

• 整数类型：
  • SMALLINT：2 字节，范围为 -32,768 到 32,767。
  • INTEGER 或 INT：4 字节，范围为 -2,147,483,648 到 2,147,483,647。
  • BIGINT：8 字节，范围为 -9,223,372,036,854,775,808 到 9,223,372,036,854,775,807。
• 小数类型：
  • NUMERIC 或 DECIMAL：可变精度的数字类型，用户可指定精度。
  • REAL：4 字节，单精度浮点数。
  • DOUBLE PRECISION：8 字节，双精度浮点数。
• 序列类型：
  • SERIAL：自动递增的整数，通常用于主键。

字符类型

• 字符串类型：
  • CHAR(n)：定长字符类型，长度为 n。
  • VARCHAR(n)：变长字符类型，最大长度为 n。
  • TEXT：变长字符类型，无长度限制。

日期和时间类型

• 日期和时间类型：
  • DATE：日期（年、月、日）。
  • TIME [WITHOUT TIME ZONE]：时间（无时区）。
  • TIME WITH TIME ZONE：时间（带时区）。
  • TIMESTAMP [WITHOUT TIME ZONE]：时间戳（无时区）。
  • TIMESTAMP WITH TIME ZONE：时间戳（带时区）。
  • INTERVAL：时间间隔。

布尔类型

• BOOLEAN：取值为 TRUE、FALSE 或 NULL。

二进制类型

• BYTEA：存储二进制数据的变长字节数组。

高级数据类型

• 枚举类型：
  • ENUM：用户定义的枚举类型。
• 数组类型：
  • 可以定义任意基本类型或用户定义类型的数组。
• JSON 类型：
  • JSON：存储 JSON 数据。
  • JSONB：二进制格式存储的 JSON 数据，支持索引和更高效的查询。
• XML 类型：
  • XML：存储 XML 数据。
• 范围类型：
  • 支持表示范围的类型，如 int4range、numrange、tsrange 等。

UUID类型：

• UUID：存储通用唯一标识符。

这些丰富的数据类型使得 PostgreSQL 能够处理各种复杂的数据需求，适用于广泛的应用场景。

PostgreSQL 的架构

• 多进程架构。PostgreSQL 采用多进程架构，每个连接由一个独立的进程处理：
  • 主进程：管理数据库实例。
  • 后台进程：处理自动化任务（如检查点、自动清理等）。
  • 用户进程：处理客户端请求。
• MVCC（多版本并发控制）
  • 每次更新不会覆盖原数据，而是生成数据的一个新版本。
  • 通过版本号区分事务，避免读写冲突。
• 存储管理
  • 使用 Write-Ahead Logging (WAL) 确保数据持久性。
  • 数据存储在表空间和页结构中，支持数据块级别的操作。
• 查询优化器
  • PostgreSQL 的查询优化器采用代价估算方法。
  • 提供丰富的索引和执行计划支持。

PostgreSQL 的应用场景

数据来源：historical trend of relational DBMS popularity (db-engines.com)

• Web 应用
  • 适合构建高并发、大规模的 web 应用。
  • 例如：Django、Ruby on Rails 常与 PostgreSQL 搭配。
• 地理信息系统 (GIS)
  • 使用 PostGIS 支持复杂的地理计算。
• 数据仓库与大数据分析
  • 支持列存储扩展（如 Citus），可用于实时分析和分布式计算。
• 实时流处理
  • 配合逻辑复制或 Kafka 实现实时 ETL 和数据分发。
• 企业级应用
  • 提供可靠的事务支持，适合金融、医疗等对数据一致性要求高的领域。

PostgreSQL 与 MySQL 的对比

功能特性

• PostgreSQL：
  • 支持丰富的数据类型，包括 JSONB、数组、XML、地理空间类型等。
  • 完全支持 ACID 事务，提供高级的并发控制（MVCC）。
  • 强大的扩展性，支持用户定义的类型、操作符和函数。
  • 内置强大的全文搜索和窗口函数支持。
  • 在复杂查询和分析任务中表现出色。
• MySQL：
  • 支持多种存储引擎（如 InnoDB、MyISAM），可以根据需求选择不同的存储特性。
  • 在简单读写操作和高并发场景下性能良好。
  • 提供基本的全文搜索功能。
  • 事务支持较好（主要依赖 InnoDB 引擎），但某些高级功能可能不如 PostgreSQL 丰富。

性能和扩展性

• PostgreSQL：
  • 在复杂查询和数据分析任务中通常具有更好的性能。
  • 通过插件（如 Citus）支持分布式架构和水平扩展。
• MySQL：
  • 在简单读写操作中可能具有更高的性能，尤其是在 Web 应用中。
  • 通过复制和分片技术支持扩展性，适合高并发读写场景。

社区和支持

• PostgreSQL：
  • 拥有活跃的社区和丰富的文档。
  • 广泛用于学术研究和企业级应用。
• MySQL：
  • 社区版本和企业版本均有，广泛用于 Web 开发。
  • 被许多大型企业和流行的 Web 平台使用，如 Facebook 和 Twitter。

易用性和学习曲线

• PostgreSQL：
  • 功能强大但学习曲线可能较陡，适合需要复杂查询和高级功能的用户。
  • 管理和配置可能需要更多的专业知识。
• MySQL：
  • 通常被认为更易于入门，适合快速开发和部署。
  • 丰富的工具和社区支持，使其成为初学者的常见选择。

特定需求

• PostgreSQL 可能更适合：
  • 需要复杂事务和数据完整性的企业级应用。
  • 需要处理复杂查询和数据分析的场景。
  • 需要使用丰富数据类型（如 JSONB、地理空间数据）的应用。
• MySQL 可能更适合：
  • 高并发读写的 Web 应用。
  • 需要快速开发和部署的项目。
  • 需要简单数据模型和查询的应用。

最终的选择应基于具体项目的需求和团队的技术背景。PostgreSQL 通常适合需要高性能复杂查询和数据完整性的项目，而 MySQL 则更适合需要高并发读写和快速开发的 Web 应用。两者都是强大的数据库管理系统，选择时需根据项目需求和团队熟悉度做出决策。

PostgreSQL 常用插件

PostgreSQL 拥有丰富的插件生态系统，这些插件扩展了数据库的功能和特性。以下是一些常用的 PostgreSQL 插件：

• PostGIS：用于地理信息系统（GIS）的扩展，为 PostgreSQL 添加了对地理空间对象的支持，提供了空间数据类型和函数。
• pg_stat_statements：提供了 SQL 查询统计信息的扩展，帮助用户监控和分析查询性能。
• pg_cron：允许在 PostgreSQL 中调度定期任务，类似于 Unix 的 cron 作业调度。
• pg_partman：用于管理时间或序列范围分区表的扩展，简化了分区表的创建和维护。

pg_trgm：提供基于三元组的字符串相似度和模糊搜索功能，支持 LIKE 和 ILIKE 操作符的快速搜索。

• hstore：提供键值对存储的扩展，允许在单个列中存储动态的键值对数据。
• Citus：将 PostgreSQL 扩展为分布式数据库，支持水平扩展和大规模数据处理。
• PL/pgSQL：PostgreSQL 的过程语言，允许编写存储过程和函数，是默认启用的。
• PL/Python、PL/Perl、PL/Tcl：提供在 PostgreSQL 中使用 Python、Perl 和 Tcl 语言编写存储过程和函数的能力。
• pgAudit：提供详细审计日志功能，帮助记录和分析数据库活动。
• pglogical：实现逻辑复制的插件，支持更灵活的数据复制和同步。
• timescaledb：针对时间序列数据优化的扩展，提供高效的时间序列数据存储和查询。
• pg_repack：用于在线重建表和索引，帮助减少数据库的膨胀和碎片化。
• PostgreSQL FDW（Foreign Data Wrapper）：允许 PostgreSQL 访问外部数据源，常见的 FDW 插件包括 postgres_fdw（访问其他 PostgreSQL 数据库）、mysql_fdw（访问 MySQL 数据库）等。
• pgBackRest：强大的备份和恢复工具，提供高效的数据保护方案。

这些插件大大增强了 PostgreSQL 的功能，使其能够适应不同的业务需求和场景。用户可以根据自己的需求选择合适的插件来扩展数据库的功能。

参考链接：

• MySQL 与 PostgreSQL 哪个更好？–标点符(biaodianfu.com)