PostgreSQL 怎麼存資料：資料庫結構與交易日誌（WAL）

你在用資料庫的時候，感覺一切都很簡單：加一行、更新一筆、刪掉一個客戶。但這背後其實藏著一套很複雜又設計精良的機制。那些資料到底存在哪？PostgreSQL 怎麼做到就算伺服器突然斷電也不會掉資料？

要搞懂這些，你得先知道兩個重點：資料（table、index、系統資訊）實際上放在哪裡，還有資料保護機制怎麼運作——也就是交易日誌，WAL（Write-Ahead Logging）。

整個 PostgreSQL 資料庫其實就是一堆檔案，放在一個特定的資料夾裡——data_directory。通常會在這裡：

/var/lib/postgresql/17/main

這個資料夾就是資料庫的心臟：table、index、meta 資訊、設定檔全都在這。WAL 日誌也在這裡——這個機制會最先收到所有變更。資料還沒寫進 table 檔案前，會先寫進 WAL。這就像草稿本，資料庫會把每一步都記下來，萬一出事就能還原到最後一個操作。

靠這種設計，PostgreSQL 就算遇到很不穩的狀況也能保證資料安全跟穩定。

Table

每個 table 實際上就是一個獨立檔案或一組檔案。這些檔案會放在 base/ 子目錄。結構大概長這樣：

$PGDATA/base/
├── 16384/
│   ├── 12345   ← 資料表
│   ├── 12346   ← 索引
│   └── ...

• 16384 — 這是資料庫的內部 ID（OID）。
• 12345 — 這是某個 table 的 ID。

如果 table 很大，PostgreSQL 會把它切成 1GB 的 segment：

12345
12345.1
12345.2
...

這些檔案不是像 CSV 那樣存「一行一行」的文字——而是 8KB 的「二進位 page」格式。

WAL: Write-Ahead Logging 不是普通的「log」

現在來講 PostgreSQL 裡最重要、但常常被誤解的東西——WAL，也就是Write-Ahead Logging。雖然名字裡有 log，但 WAL 不是一般的文字 log 檔，不像 error log 或 query log。它是資料一致性跟還原的關鍵機制，直接在檔案系統的低階層級運作。

WAL 不是事件報告，而是所有變更的預先記錄，PostgreSQL 打算對資料做什麼都會先寫進這裡。這個記錄會在實際改 table 檔案之前就寫好。所以才叫 write-ahead——「先寫再說」。

比如你插入一行新資料，PostgreSQL 會：

1. 不會馬上改 table 檔案——這樣太慢也不安全。
2. 先寫進 WAL，記下這行要加進去。
3. 等到適合的時候（像是 background process），才真的把資料寫進 table。

這就像銀行支票：你先簽名（WAL），銀行之後才會更新帳戶（table）。如果出問題——支票還在，可以重來一次。

WAL 的格式與結構

• WAL 檔案是二進位格式。
• 每個檔案都是嚴格排序的操作流程，描述資料 page、index 結構、commit 等等的內部變更。
• 一個 WAL 檔案大小固定——預設是 16MB。

重點：WAL 裡沒有「SQL 指令」或「table row」這種東西。它存的是PostgreSQL 引擎的指令，教它怎麼一頁一頁還原變更。

如果發生故障會怎樣？

如果 PostgreSQL 伺服器突然掛掉——比如突然斷電——也不用怕。下次啟動時，資料庫不會慌張，而是會從硬碟載入最後一個「穩定」的資料版本。然後它會拿出 WAL 日誌，裡面有所有最近的變更，慢慢「補上」那些還沒寫進主要檔案的東西。最後資料庫就會回到完全一致的狀態，好像什麼事都沒發生過一樣。

WAL 的進階功能

Point-In-Time Recovery (PITR)。 只要有 WAL 檔案，就能把資料庫還原到任意時間點，只要在兩個完整備份之間。

串流複製（Streaming Replication）。 PostgreSQL 可以即時把 WAL 記錄傳到另一台伺服器。這樣就能維護熱備份——跟主資料庫同步的複本。

增量還原（Incremental Recovery）。 配合完整備份，WAL 可以只還原變更的部分，不用整個資料庫重來。

建立二進位備份：pg_basebackup

如果你用過 pg_dump，就知道它很適合做邏輯備份（把資料庫結構跟資料存成 SQL 指令）。但如果你要做物理備份呢？比如要完整鏡像所有資料庫檔案？這時候就要用 pg_basebackup 這個工具了。

pg_basebackup 是個可以建立 PostgreSQL 實體資料複本的工具。對大型資料庫來說，這很方便，還原起來也有效率。pg_basebackup 最大的優點就是超快。

pg_basebackup 的基本指令語法

用 pg_basebackup 前要先搞懂它的指令。你在終端機下這樣打：

pg_basebackup -D /backup_directory -F tar -z -P

來拆解一下：

• -D /backup_directory — 指定備份檔要存到哪個資料夾。
• -F tar — 資料格式。tar 會做成 .tar 壓縮檔。你也可以用 plain，這樣會直接複製資料夾結構。
• -z — 壓縮備份，省空間。誰不想備份小一點？
• -P — 顯示即時進度。這樣你就知道有在跑，不會以為卡住了。

範例：

pg_basebackup -D /backups/university_backup -F tar -z -P

執行完後，/backups/university_backup 這個資料夾裡就會有一個 .tar 格式的備份檔。

用 pg_basebackup 的好處

效率：增量備份不用重複存沒變的資料，省時間又省空間。

簡單：pg_basebackup 會自動處理所有細節，連 WAL 檔都幫你搞定。

可靠：因為跟 PostgreSQL 機制整合，pg_basebackup 做出來的備份很精準，還原也很簡單。

實戰範例

來點實作吧。下面是一些用 pg_basebackup 做 PostgreSQL 備份的真實例子。會教你怎麼做基本備份、怎麼加壓縮、還有怎麼開啟 WAL 日誌歸檔，這樣就能做「時間點還原」。這些指令新手老手都用得到。

建立基本備份

pg_basebackup -D /backups/full_backup -F tar -z -P

結果：你會拿到一個 .tar 格式的完整資料庫備份。

設定壓縮跟格式

來做一個高壓縮的備份：

pg_basebackup -D /backups/full_backup -F tar -z -Z 9 -P

這裡 -Z 9 是壓縮等級（最高 9）。

WAL 歸檔

如果你有設定 WAL 歸檔，資料庫就能還原到任何時間點。這是設定 WAL 備份的指令：

pg_basebackup -D /backups/incremental_backup -F tar -z -P --wal-method=archive