PostgreSQL: SLRU(Simple Least Recently Used) 버퍼 캐시

※ PostgreSQL: SLRU (Simple Least Recently Used) Buffer Cache.

 

안녕하세요. 듀스트림입니다.

 

오늘은 PostgreSQL 내부 구조에서 단순하지만 매우 중요한 버퍼 캐시 관리 시스템인 SLRU에 대해 알아보겠습니다.

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1. 배경 지식

LRU (Least Recently Used) 알고리즘이란?

• 가장 오랫동안 사용되지 않은 데이터를 가장 먼저 제거하는 전략입니다.
• LRU는 메모리 캐시, DB 버퍼 관리, 운영체제 페이지 교체 등에서 가장 널리 쓰이는 알고리즘 중 하나입니다.

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LRU의 핵심 개념

• 캐시에는 제한된 크기만큼의 데이터를 저장할 수 있습니다.
• 새로운 데이터가 들어왔는데 공간이 부족하면?
  
  • 가장 오래 전에 접근된 데이터를 찾아서 제거
• 가장 최근에 접근한 항목은 가장 늦게 제거

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동작 예시 (Step-by-step)

• 예시: 캐시 크기 = 3
• 접근 순서: A → B → C → A → D

시점	접근한 값	캐시 상태	설명
1	A	A	A 삽입
2	B	A B	B 삽입
3	C	A B C	C 삽입
4	A	B C A	A 재접근 → 가장 최근으로 이동
5	D	C A D	B 제거 (가장 오래 사용 X)

• 결과적으로 LRU는 사용 빈도가 아니라, 얼마나 오래 전 사용되었는지에 따라 제거 여부가 결정됩니다.

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LRU 구현 방식

1. 연결 리스트 (Linked List) 기반
   
   • 이중 연결 리스트(Doubly Linked List)로 최근 접근한 순서를 유지
   • 가장 앞(head): 최근에 접근
   • 가장 뒤(tail): 가장 오래된 항목 → 제거 대상
2. HashMap + LinkedList 조합 (LRU Cache 구현의 정석)
   
   • HashMap: O(1) 시간으로 데이터 위치 찾기
   • LinkedList: 접근 순서 유지 및 LRU 제거

// Key-Value 구조로 저장 + 연결 리스트로 순서 유지
hashmap[key] = pointer to node

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PostgreSQL의 LRU와의 차이점 (SLRU)

항목	일반 LRU 알고리즘	PostgreSQL SLRU
목적	범용 캐시 교체	트랜잭션 메타 캐시
단위	항목(Item)	페이지(page, 8KB)
구현	LinkedList or Tree	고정 슬롯 + LRU 카운터
크기	유동적 (설정 가능)	고정 (8~32 슬롯)

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요약

항목	내용
목적	캐시 공간이 부족할 때 오래된 항목 제거
전략	가장 최근에 접근된 항목은 보존, 오래된 것부터 제거
구현	HashMap + LinkedList, LRU 카운터 등
PostgreSQL	pg_xact 등 SLRU 구조에 LRU 방식 적용

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2. PostgreSQL의 SLUR (Simple Least Recently Used)

SLRU (Simple LRU)란?

• SLRU(Simple LRU)는 이름 그대로 단순한 LRU 알고리즘 기반의 메모리 캐시 구조입니다.
• PostgreSQL 내부에서 소형의 페이지 기반 저장소(persistent metadata)를 캐시하기 위해 사용됩니다.

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주요 역할

• 디스크에 저장되는 트랜잭션 상태 파일(예: pg_xact)을 메모리로 로딩해서 접근 성능이 향상됩니다.
• 핫스탠바이, hint bit 업데이트, MVCC 판단 시 트랜잭션 상태 조회/갱신에 사용됩니다.
• 버퍼 수가 작기 때문에 LRU(Least Recently Used) 알고리즘으로 교체됩니다.

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SLRU로 관리되는 목록

디렉토리 이름	설명	SLRU 캐시 이름
pg_xact	트랜잭션 커밋 상태 (예전의 clog)	Xact
pg_subtrans	서브트랜잭션 → 부모 매핑	Subtrans
pg_multixact/members, offsets	멀티락(MultiXact) 상태 관리	MultiXactOffset, MultiXactMember
pg_notify	LISTEN/NOTIFY용 큐	Notify
pg_commit_ts	트랜잭션 커밋 타임스탬프 기록	CommitTs

• 각 항목은 SLRU 페이지(보통 8KB 단위)로 구성되며, 메모리 내에 일정 수만 캐싱됩니다.

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구성 요소 별 SLRU 버퍼 슬롯 수

구성 요소 (디렉토리)	상수 이름	기본값	설명
pg_xact (구 pg_clog)	NUM_CLOG_BUFFERS	32	트랜잭션 커밋 상태
pg_subtrans	NUM_SUBTRANS_BUFFERS	8	서브트랜잭션 → 부모 매핑
pg_commit_ts	NUM_COMMITTS_BUFFERS	8	커밋 타임스탬프 저장
pg_notify	NUM_NOTIFY_BUFFERS	8	LISTEN/NOTIFY용 큐
pg_multixact/offsets	NUM_MXACTOFFSET_BUFFERS	8	MultiXact ID → offset
pg_multixact/members	NUM_MXACTMEMBER_BUFFERS	32	MultiXact Member 저장

• 기본값으로 구성되었을 경우 총 96슬롯, 슬롯당 8KB의 크기를 갖고 있으며 총 캐시 메모리 사용량은 약 768KB입니다.

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동작 방식

구조

• 내부적으로는 페이지 단위로 데이터를 로딩함 (page_number → 8KB)
• 8~32개의 페이지 버퍼 슬롯만 유지하며, 오래된 페이지는 LRU에 따라 제거
  • 슬롯 수는 PostgreSQL 빌드 설정 또는 사용 목적에 따라 다를 수 있습니다.

// src/include/access/clog.h
#define NUM_CLOG_BUFFERS 32

// src/include/access/subtrans.h
#define NUM_SUBTRANS_BUFFERS 8

 

로딩 & 저장

• SLRU는 필요할 때 디스크에서 페이지를 읽어와 메모리에 로딩함 → SimpleLruReadPage()
• 변경된 페이지는 flush 되며 → SimpleLruWritePage()

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모니터링 방법

SELECT * FROM pg_stat_slru;

[그림 1] 모니터링 예시

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요약

항목	설명
구조	단순한 페이지 캐시 (8KB 단위, 8~32개 유지)
사용 대상	트랜잭션 메타데이터 (pg_xact 등)
교체 방식	LRU (Least Recently Used)
사용 목적	디스크 접근 최소화, 성능 향상
관리 방법	내부 함수 (SimpleLruReadPage, SimpleLruWritePage)
모니터링	pg_stat_slru 뷰 사용

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오늘은 여기까지~