PostgreSQL

定义

PostgreSQL 是一种对象关系型数据库管理系统，源自美国加州大学伯克利分校计算机科学系编写的 POSTGRES 第 4.2 版，并在此基础上以开源方式继续演进^[1]。它支持 SQL 标准的很大一部分，除表、行等关系模型要素外，还允许存储自定义类型、函数和复杂数据结构，因此被归入对象关系型而非纯粹关系型数据库^[1]。系统自 2001 年起符合 ACID 特性，可在所有主流操作系统上运行^[2]。

在数据结构上，PostgreSQL 内建整数、数值、字符串、布尔值、日期时间、数组、范围、UUID、JSON 与 JSONB、XML、几何类型等多种类型，使用者还可自行定义复合类型^[2]。数据库对象按“模式”这一命名空间组织，属于同一数据库下的表、索引等可分组存放于不同模式中。访问控制通过角色与权限体系实现，支持列级与行级安全策略^[2]。

原理

PostgreSQL 内部依靠多版本并发控制(MVCC)维持数据一致性，这与传统数据库依靠锁控制并发的做法不同。每个事务读取的是数据在某一时点的快照，从而不会看到其他并发事务尚未提交的修改，会话由此获得事务隔离。其直接效果是读写互不阻塞：为查询取得的锁与为写入取得的锁并不冲突，读操作不会挡住写操作，写操作也不会挡住读操作。

在隔离级别上，SQL 标准规定的 4 个级别都可以指定，但内部实际实现为读已提交与可串行化两种，选择读未提交时会按读已提交处理，选择可重复读时会得到可串行化的强度，实际隔离可能严于所要求的级别。读已提交是默认级别，一条查询只能看到其开始之前已提交的数据，同一事务内先后两条查询也可能读到不同的结果。可串行化级别保证每个事务看到完全一致的数据库视图，但遇到并发更新时需要应用重试事务^[3]。

存储与恢复方面，系统借助写前日志(WAL)记录变更，支持异步、同步与逻辑复制，以及时间点恢复和活动备用能力^[2]。索引层面提供 B 树、哈希，以及 GiST、GIN、SP-GiST、BRIN 等访问方法，并支持表达式索引、部分索引、仅索引扫描与 K 近邻检索^[4]。查询优化器会综合使用多个索引，通过内存中的位图操作完成复杂查询^[4]。

PostgreSQL 18 引入了新的异步 I/O 子系统，允许数据库并发发出多个读取请求而不再逐个等待，覆盖顺序扫描、位图堆扫描和清理等操作，基准测试中部分场景的读取性能提升可达 3 倍^[5]。新参数 io_method 可在 worker、io_uring 等方法之间切换，也可选用 sync 保持原有行为^[5]。

发展历程

系统的前身是伯克利分校的 POSTGRES 项目，由 Michael Stonebraker 教授领导，受美国国防高级研究计划局、陆军研究办公室、国家科学基金会及 ESL 公司资助，实现工作始于 1986 年^[6]。第一个演示系统在 1987 年投入运行，1988 年在 ACM-SIGMOD 会议上展示，1.0 版于 1989 年 6 月提供给少量外部用户^[6]。2.0 版在 1990 年 6 月发布并采用重新设计的规则系统，3.0 版于 1991 年出现，增加了对多种存储管理器的支持^[6]。

1993 年外部用户规模几乎翻倍，维护原型代码的负担挤占了研究时间，伯克利项目以 4.2 版正式结束^[6]。1994 年，Andrew Yu 与 Jolly Chen 为其加入 SQL 语言解释器，随后以 Postgres95 之名在互联网上发布，代码全部使用 ANSI C 编写，体积缩减约 25%^[6]。1996 年名称改为 PostgreSQL，以体现与最初 POSTGRES 的渊源和 SQL 能力，版本号也回到 6.0 以接续伯克利时期的序列^[7]。

许可证问题在 2009 年引发讨论，当时有发行版将其归为 MIT 许可证，而其条款并不完全一致；为解决这一分歧，项目向开源促进会申请将 PostgreSQL License 认定为独立许可证，并于 2010 年 2 月获得认可^[8]。此后版本持续迭代，9.4 版引入 JSONB 类型，18 版于 2025 年 9 月 25 日由 PostgreSQL 全球开发组发布^[9]。截至 2025 年 9 月发布的 18 版，系统已符合 SQL:2023 核心标准 177 项强制性功能中的至少 170 项^[2]。

应用

PostgreSQL 运行于所有主流操作系统，从 Linux、Windows、FreeBSD、OpenBSD、NetBSD、macOS 到 AIX、Solaris 等平台均有支持^[10]。客户端接口覆盖 C、C++、Java、JavaScript、ODBC、Perl、PHP、Python、Ruby 等多种语言，便于与既有应用集成^[10]。

地理空间数据是典型用途之一，流行的 PostGIS 扩展在 PostgreSQL 之上提供空间数据的存储与查询能力^[2]。天文等科学领域也使用它管理大规模观测数据，其自定义函数可返回整张表，配合式索引、部分索引和表分区处理巨型数据表^[10]。在伯克利时期，POSTGRES 就曾用于财务数据分析、喷气发动机性能监控、小行星跟踪、医疗信息与多个地理信息系统^[6]。

由于 PostgreSQL License 允许免费使用、修改与分发，商业软件也可将其嵌入产品之中而不受限制^[1]。高可用部署可借助核心的流复制与逻辑复制，也可使用 repmgr、Slony-I、Bucardo 等外部工具管理复制集群^[4]。

局限

PostgreSQL 核心不包含同步多主复制，需要这类能力的场景要依赖 Postgres-XC、Postgres-XL、Postgres-R 等基于其代码的分支项目^[4]。异步触发器复制方案在核心复制能力扩展后仍然存在，用于不适合整簇二进制复制的场合^[4]。

MVCC 也带来使用上的约束：由于读操作不加锁，一行数据被查询返回并不意味着它此刻仍然存在，在返回之后、事务提交之前都可能被其他已提交事务修改或删除，需要锁定该行时必须显式使用 SELECT FOR UPDATE 之类的语句^[3]。读已提交模式下，更新语句可能看到影响目标行的并发修改，却看不到这些事务对其他行的改动，因而并不适合涉及复杂检索条件的语句。

标准符合性亦非完全一致：项目以不与既有特性冲突、不导致糟糕架构决策为前提追求符合 SQL 标准，部分功能在语法或函数上存在差异，目前也没有关系数据库完全符合 SQL:2023 核心标准^[2]。此外，自定义索引方法虽然可行，但创建过程较为复杂^[4]。

参见

• SQL —— PostgreSQL 使用并扩展的数据库查询语言，其标准符合性是该系统的重要特征。

• ACID —— PostgreSQL 自 2001 年起符合的事务特性集合。

• 多版本并发控制 —— PostgreSQL 维持数据一致性、实现读写互不阻塞的核心机制。

• PostGIS —— 在 PostgreSQL 之上提供地理空间数据存储与查询的流行扩展。

• MySQL —— 另一款广泛使用的开源关系型数据库，常与 PostgreSQL 并列比较。