本文是 PostgreSQL overview 的 implementation-layer deep article。Overview 已說明 PostgreSQL MVCC 的 vacuum 必要性、本文聚焦 autovacuum 在 production write-heavy workload 為什麼追不上 的根因 + 各維度 tuning。

你的 autovacuum 永遠追不上 bloat — 為什麼

write-heavy table 的常見故事：上線時表 10GB、3 個月後 30GB、6 個月 80GB；DBA 看 pg_stat_user_tables 發現 n_dead_tup 比 n_live_tup 還多、pg_stat_progress_vacuum 顯示 autovacuum 一直在跑、但 dead tuple 從沒清乾淨。表本身才 5M row、實際磁碟卻佔 80GB。

這不是 PostgreSQL bug、是 autovacuum cost-based throttling 預設保守 的設計意圖 — autovacuum 不該影響 OLTP query 性能、所以每跑一段就 sleep。預設 autovacuum_vacuum_cost_limit=200 + autovacuum_vacuum_cost_delay=2ms 在 write-heavy 表（每秒幾千 UPDATE）下、清理速度 永遠慢於 dead tuple 產生速度。預設配置適合 read-heavy / write-light workload；OLTP write-heavy 必須調。

MVCC 跟 dead tuple：vacuum 在解什麼

PostgreSQL MVCC：每次 UPDATE 都是 insert new row + mark old row as deleted；DELETE 是 mark as deleted、不立刻釋放空間。dead tuple 在 disk 上佔位、但不能被 query 讀到。autovacuum 的責任：

1. 回收 dead tuple 空間 供新 row reuse（不縮 table 大小、是 free space map）
2. 更新 visibility map 讓 index-only scan 跳過 heap fetch
3. 凍結老 row 的 xid（freeze）避免 xid wraparound 災難
4. 重整 index B-tree 標記 dead pointer（不刪 index page）

Vacuum 不縮表 — 真要縮要跑 VACUUM FULL（全表 exclusive lock、production 不能跑）或 pg_repack（online repack tool）。預期 vacuum 只能 讓表停止長大、不能 讓表變小。

Tuning：cost-based throttle 跟 trigger threshold

Cost-based throttle（全 instance）

1# postgresql.conf
2autovacuum_vacuum_cost_limit = 2000          # 預設 200、production 拉 5-10 倍
3autovacuum_vacuum_cost_delay = 2ms            # 預設 2ms、不太需要動
4autovacuum_max_workers = 6                    # 預設 3、CPU 多時拉到 6-10
5maintenance_work_mem = 1GB                    # 預設 64MB、單一 vacuum 用的記憶體

直覺：

• cost_limit 是每個 cycle 能消費多少「cost」、cost 由 page read / dirty / hit 加總；拉高 = 每次 cycle 處理更多 page
• 拉 cost_limit 比 cost_delay 直接 — delay 太低（< 1ms）OS scheduler 抖動就無效
• max_workers 限同時跑的 vacuum；partition 多時容易爆滿、要拉
• maintenance_work_mem 影響 index vacuum 速度、SSD 環境 1-2GB 是 sweet spot

Per-table override（精準到 hot table）

 1-- 對 hot write-heavy 表加強
 2ALTER TABLE events SET (
 3  autovacuum_vacuum_scale_factor = 0.05,      -- 預設 0.2、5% dead 就觸發
 4  autovacuum_vacuum_threshold = 1000,          -- 預設 50、絕對值底線
 5  autovacuum_vacuum_cost_limit = 5000,         -- 該表獨立 cost_limit
 6  autovacuum_analyze_scale_factor = 0.05,      -- analyze 也跟著
 7  autovacuum_freeze_max_age = 100000000        -- anti-wraparound 提前
 8);
 9
10-- 對 append-only 表（log table）降頻
11ALTER TABLE audit_log SET (
12  autovacuum_vacuum_scale_factor = 0.5,        -- 50% dead 才觸發（極少 UPDATE / DELETE）
13  autovacuum_freeze_max_age = 1000000000       -- freeze 延後
14);

關鍵：hot table 比 default 緊、cold table 比 default 鬆、不要把所有表用同套配置。Production cluster 通常 5-20 個 hot table 需要 per-table tuning。

Production 故障演練

Case 1：write-heavy hot table，autovacuum 永遠跑不完

徵兆：pg_stat_user_tables.n_dead_tup 持續高於 n_live_tup、pg_stat_progress_vacuum 顯示某表 vacuum 跑了 6+ 小時還在 scanning heap、表 size 持續長大。

根因：default cost_limit=200 對該表 write rate（~5000 UPDATE/s）下、vacuum 處理速度 < dead tuple 產生速度；單次 autovacuum 跑完整表要 12 小時、但表 5% bloat 觸發又啟動下一輪。

修法：

1. 對該表 ALTER TABLE ... SET (autovacuum_vacuum_cost_limit = 10000) — 該表 vacuum 不受全 instance 限制
2. maintenance_work_mem 拉到 2GB（單 vacuum）
3. 短期：手動 VACUUM (VERBOSE, ANALYZE) events; 在 maintenance window 跑、catch up
4. 長期：考慮 partitioning — partition 後 vacuum 只動最近 partition、不掃整表

Case 2：長 transaction 卡住 vacuum 的 xmin horizon

徵兆：autovacuum 看似有跑、但 n_dead_tup 不降；pg_stat_activity 看到一個跑了 8 小時的 SELECT（report query 或 idle in transaction）。

根因：vacuum 只能回收「不會被任何 active transaction 看到」的 dead tuple；長 transaction 的 xmin 鎖死 vacuum 能回收的範圍、即使 autovacuum 不停跑、能回收的 row 數為 0。

修法：

1. 預防：application 端用 statement_timeout + idle_in_transaction_session_timeout（30 分鐘）強制終止 long transaction
2. 偵測：SELECT pid, now() - xact_start FROM pg_stat_activity WHERE state = 'idle in transaction' 定期掃
3. 臨時：kill 長 transaction（pg_cancel_backend(pid) / pg_terminate_backend(pid)）、autovacuum 下次跑就能回收
4. 架構：報表 query 跑在 standby、不要在 primary 開 long transaction

Case 3：Anti-wraparound vacuum 在 peak 觸發

徵兆：production 流量高峰時 PostgreSQL CPU 100%、pg_stat_progress_vacuum 顯示 anti-wraparound vacuum 正在跑、application latency 暴漲；log 出現 database "myapp" must be vacuumed within X transactions。

根因：autovacuum_freeze_max_age（預設 200M）到了、PostgreSQL 強制 跑 anti-wraparound vacuum（即使在 peak）；這個 vacuum 不受 cost_limit 限制、跑到完才停、表大時要幾小時、跟 OLTP query 搶 IO。

修法：

1. 預防：autovacuum_freeze_max_age 拉到 1B（10 億）、給 freeze 更多時間在 off-peak 自然發生
2. per-table freeze：hot table 設 autovacuum_freeze_max_age = 100M（提前在 off-peak freeze）、cold table 設 800M（避免不必要 freeze）
3. 緊急：手動跑 VACUUM (FREEZE, VERBOSE) table_name; 在 maintenance window 預先 freeze
4. 監測：SELECT relname, age(relfrozenxid) FROM pg_class WHERE relkind = 'r' ORDER BY age(relfrozenxid) DESC LIMIT 20; 看哪些表逼近 wraparound

Case 4：Partition table 把 autovacuum_max_workers 跑滿

徵兆：partition 後（時間 partition、12 個月分區）、autovacuum 跑很慢、pg_stat_activity 看到 3 個 autovacuum worker 都在跑 partition 表、其他 hot table queue 等很久。

根因：autovacuum_max_workers=3 預設、每個 partition 算獨立 table；100 個 partition 中 50 個都需要 vacuum、worker 滿、其他 table 排隊。

修法：

1. 拉 autovacuum_max_workers 到 6-10（依 CPU core 數）
2. cold partition 設 autovacuum_enabled = false（已不寫的舊 partition）、減少 worker 競爭
3. partition 數量本身要克制 — 100+ partition 是訊號該重新評估 partition strategy

Case 5：Index bloat 沒被 vacuum 處理

徵兆：表 vacuum 跑完了、n_dead_tup 為 0、但 index size 持續長大；query 用該 index 越來越慢、跟 sequential scan 差不多。

根因：autovacuum 只處理 heap（table data）跟 index leaf pages；index B-tree 內部結構 fragmentation 不被 vacuum 處理。dead pointer 留在 index leaf page、查詢仍 traverse 過、IO 多。

修法：

1. REINDEX CONCURRENTLY 線上重建 index（PG 12+）、不鎖表
2. 監測 index bloat：pgstattuple_approx extension 或 pg_repack
3. 預防：B-tree index 設計避免 high cardinality + 大量 UPDATE 同欄位（typical 場景：status column update）；考慮 partial index 或 hash index（PG 10+ logged）
4. 大量 bloat index 用 pg_repack 重建（不需要 superuser、不鎖表）

容量規劃

vacuum capacity 用 跟得上 dead tuple 產生速度 衡量：

實務 default：

• OLTP write-heavy（事件 / 訂單）：cost_limit 2000-5000、scale_factor 0.05、freeze_max_age 100M
• OLTP read-heavy（user / config）：default 即可
• Append-only log：scale_factor 0.5、freeze_max_age 800M、autovacuum_enabled = false for cold partition

整合 / 下一步

跟 partitioning 整合

partitioning 是 vacuum 問題的長期解：

• 大表（> 100GB）vacuum 時間隨 size 線性、partition 後 vacuum 只動最近 partition
• Cold partition autovacuum_enabled = false 完全停掉、新數據只在 hot partition
• 缺點：partition 數量爆炸時、autovacuum_max_workers 也要拉

跟 monitoring 整合

關鍵 metric：

 1-- bloat 比例
 2SELECT relname, n_dead_tup, n_live_tup,
 3       round(n_dead_tup::numeric / nullif(n_live_tup, 0) * 100, 1) AS dead_pct
 4FROM pg_stat_user_tables
 5WHERE n_live_tup > 1000
 6ORDER BY n_dead_tup DESC LIMIT 20;
 7
 8-- vacuum 進度
 9SELECT * FROM pg_stat_progress_vacuum;
10
11-- xid wraparound 距離
12SELECT datname, age(datfrozenxid) FROM pg_database ORDER BY age DESC;

Prometheus alert 三條：dead_pct > 30、vacuum_running_seconds > 3600、xid_age > 500000000。

跟 backup window

VACUUM FREEZE 在 backup 前跑能減少 backup size（freeze tuple 不需要 special handling）：

1. 每週 maintenance window 跑 VACUUM (FREEZE, ANALYZE) hot_table — 預先 freeze + 更新 stats
2. backup 前避免長 transaction、確保 vacuum 能跑

下一步議題

• HOT update 跟 fillfactor：UPDATE 同頁可重用空間、fillfactor 80 為 hot table 留 20% buffer
• pg_repack vs VACUUM FULL：online vs offline、長期維護工具選擇
• PostgreSQL 14+ parallel vacuum：index vacuum 平行化、大表受益明顯

相關連結

• 上游 vendor 頁：PostgreSQL
• 上游 chapter：High Concurrency Access — vacuum 是 concurrency 治理一環
• 平行 deep article：Patroni HA / Declarative Partitioning / MVCC + Lock Model（為什麼會有 dead tuple、跟 lock 互動）
• Methodology：Vendor 深度技術文章的寫作方法論