掌握 PostgreSQL 18：核心功能与实践

PostgreSQL，作为全球最先进的开源关系型数据库之一，其每个新版本都带来了令人期待的增强和优化。PostgreSQL 18 版本（于2025年9月25日发布）也不例外，它在性能、开发者体验、安全性和运维效率方面引入了大量核心功能和重大改进。本文将深入探讨 PostgreSQL 18 的主要特性，并提供在实际应用中充分利用这些特性的实践建议。

I. 核心功能

PostgreSQL 18 的核心功能主要集中在以下三个方面：

A. 性能优化

异步 I/O (AIO) 子系统
PostgreSQL 18 引入了一个全新的异步 I/O 子系统，这是其架构上的一项重大变革。对于读密集型工作负载（如顺序扫描、位图堆扫描和 VACUUM 操作），AIO 能够带来高达 2-3 倍的性能提升。它支持 Linux 的 io_uring 机制，并提供了跨平台的 worker 实现。这对于运行在云环境中使用网络附加存储的数据库尤其有利。
NUMA 感知与 IO_uring 支持
数据库现在支持非统一内存访问 (NUMA)，并在 Linux 上初步支持 IO_uring。这些底层优化共同提升了整体性能，特别是在多核服务器上。
AVX-512 优化
通过针对 CRC32C 计算的 AVX-512 指令集优化，进一步提高了性能。
查询优化 (Query Optimization)
- 自连接消除 (Self-join Elimination)： 优化器现在能够更好地处理某些自连接场景，减少不必要的计算。
- SIMD 优化的 JSON 转义： 加速 JSON 数据的处理。
- 更智能的 OR/IN 处理： 将这些结构转换为 ANY(array)，从而改善查询计划。
- 哈希连接和合并连接改进： 增强了这两种连接算法的效率，特别是通过增量排序的合并连接。
- 并行 GIN 索引构建： GIN 索引的构建可以并行执行，显著缩短大型索引的创建时间。
并行 COPY
COPY FROM 命令现在支持并行执行，这对于导入大型数据集时，可以极大地加速批量数据导入操作。

B. 开发者体验

UUIDv7 支持
PostgreSQL 18 原生支持 UUIDv7，这是一种时间戳有序的 UUID。它能有效改善 B-tree 索引的性能，减少页面分裂，并提高缓存效率，对于分布式系统和事件溯源等场景极为实用。
虚拟生成列 (Virtual Generated Columns)
虚拟生成列现在成为默认选项，它们在读取时按需计算值，而非实际存储在磁盘上。这减少了存储占用，并在基础列更改时简化了更新，使得模式管理更加灵活。
临时约束 (Temporal Constraints)
新增的临时约束，包括 WITHOUT OVERLAPS，提供了更灵活的日期和时间范围管理，更符合 SQL 标准。
SQL 标准 MERGE 与 JSON_TABLE
- MERGE 语句： 更好地支持 SQL 标准的 MERGE 语句，允许以更声明式的方式执行 UPSERT（INSERT、UPDATE 或 DELETE）操作，简化了数据同步逻辑。
- JSON_TABLE 函数： 引入 JSON_TABLE 函数，允许用户像处理关系型表列一样处理 JSON 数据，增强了对 JSON 数据的查询能力。
增强的 RETURNING 子句
RETURNING 子句现在支持 OLD/NEW 值，这使得在 INSERT、UPDATE 或 DELETE 操作后获取受影响行的旧值和新值变得更加方便，尤其是在审计或触发器逻辑中。
NULLS DISTINCT
此功能允许唯一约束将 NULL 值视为不同的值，这在某些业务逻辑中提供了更大的灵活性。

C. 安全与运维

OAuth 2.0 支持
内置 OAuth 2.0 支持为企业集成提供了更强大的认证解决方案。
默认页面校验和 (Page Checksums by Default)
新创建的 PostgreSQL 18 集群默认启用页面校验和。这确保了更高的数据完整性和可靠性，特别是在升级数据库时，有助于在早期发现数据损坏问题。
逻辑复制改进 (Logical Replication Improvements)
- 更好地处理和报告逻辑复制冲突。
- 全面支持 DDL 语句的复制，使得模式更改可以自动同步到订阅者，简化了高可用性配置。
- 能够同步复制节点之间的序列值。
增强的监控 (Enhanced Monitoring)
- pg_stat_io 增强，提供了字节级别的统计信息。
- 支持每后端 I/O 和 WAL 统计信息。
- 健壮的 NUMA 监控工具，为性能调优提供更详细的数据。
升级过程优化 (Upgrade Process)
主要版本升级过程中能够保留查询规划器统计信息，避免了升级后需要长时间运行 ANALYZE 操作，确保升级后能立即获得最优的查询计划。
高级 VACUUM 操作
扩展的自动 VACUUM 功能和高级 VACUUM 操作能更好地应对大型表，减少了维护开销，特别是在高更新频率的工作负载下。

II. 实践应用与最佳实践

PostgreSQL 18 的诸多新功能为 DBA 和开发者带来了丰富的实用场景和优化的最佳实践。

A. 实用场景

高性能读密集型工作负载：
得益于异步 I/O (AIO) 子系统，PostgreSQL 18 成为处理大量读取请求的理想选择，例如内容分发平台、实时分析仪表盘等。
分布式系统与可伸缩应用：
UUIDv7 的原生支持，使其在构建需要全局唯一、且排序友好的标识符的分布式微服务、事件日志或时序数据库中发挥关键作用。
高效数据仓库与 ETL：
增强的 MERGE 命令简化了复杂的 ETL 流程和数据同步任务，而并行 COPY FROM 操作则能显著加速大量数据的导入，对于数据仓库的初始加载和增量更新至关重要。
灵活的模式管理：
虚拟生成列减少了存储需求，并使得数据库模式的演变更加灵活，尤其适用于那些计算值不需持久化存储的场景。
无缝数据库升级与维护：
升级时保留规划器统计信息，大大降低了升级的风险和复杂性，同时改进的 VACUUM 性能减少了维护窗口的需求。
高可用性与灾难恢复：
逻辑复制对 DDL 语句的支持简化了复制环境中的模式同步，提高了整体的高可用性。libpq 客户端库的自动故障转移支持也增强了连接的弹性。
复杂索引优化查询：
B-tree 跳过扫描能力使得多列索引能更高效地被利用，即使查询未指定所有前导列，也能减少创建多个专业化索引的需求。
最小化模式变更停机时间：
将 NOT NULL 约束添加为 NOT VALID 的能力，允许在不立即扫描整个表的情况下添加约束，然后在一个较小的窗口期内验证，从而显著减少大型表的停机时间。
增强数据完整性：
新集群默认启用数据校验和，可主动检测数据损坏，对于对数据完整性有高要求的应用至关重要。

B. 最佳实践

异步 I/O (AIO) 的彻底测试：
尽管 AIO 承诺显著的读性能提升，但在生产部署前，务必在特定的工作负载和环境中进行严格测试。使用新的 pg_aios 系统视图监控 AIO 性能。
战略性采用 UUIDv7：
对于新的表或分区，考虑使用 UUIDv7 作为主键，以利用其时间有序的特性，减少写入放大并提高索引性能。
优化虚拟生成列的使用：
对于不需存储在磁盘上的计算值，使用虚拟生成列来减少存储开销并提高写入性能。如果需要持久化，仍可使用 STORED 选项。
利用 MERGE 进行数据同步：
充分利用改进的 MERGE 命令来简化复杂的 UPSERT 和数据同步逻辑，减少应用层面的复杂性并提升性能。
并行化大数据导入：
对于批量数据加载，使用 COPY FROM 配合 PARALLEL workers 选项，以显著加速大型数据集的导入过程。
逻辑复制中的 DDL 规划：
在使用逻辑复制时，利用 DDL 支持确保模式更改自动传播，从而简化维护并减少手动干预。
大型表使用 NOT VALID 约束：
当向大型表添加 NOT NULL 约束时，首先将其添加为 NOT VALID，以避免立即全表扫描，然后在非高峰时段进行验证，以最小化对生产流量的影响。
掌握增强的 EXPLAIN：
利用改进的 EXPLAIN 命令，特别是 EXPLAIN ANALYZE（现在默认包含 BUFFERS）和 EXPLAIN ANALYZE VERBOSE，进行更深入的查询性能分析和优化。
启用默认数据校验和：
对于新集群，保持数据校验和的默认启用状态，以增强数据完整性并主动检测潜在的数据损坏。
关注查询优化改进：
了解“更智能的 OR/IN 处理”、改进的哈希连接、增强的合并连接以及并行 GIN 索引构建，这些都可能为各种查询模式带来自动的性能提升。

结论

PostgreSQL 18 是一个功能丰富、性能卓越的版本，它通过引入异步 I/O、UUIDv7 支持、改进的 MERGE 语句以及多项运维增强，进一步巩固了其作为企业级数据库的地位。DBA 和开发者应充分利用这些新特性，结合推荐的最佳实践，以构建更高性能、更稳定、更易于维护的应用程序和数据基础设施。掌握 PostgreSQL 18 的核心功能与实践，将为您的数据管理带来质的飞跃。