PostgreSQL 18底层性能变革解读

过去谈到数据库性能优化，很多人的第一反应通常是：

• 给查询增加索引；
• 调整 SQL；
• 引入 Redis；
• 增加只读副本；
• 实在不行就分库分表。

这些方法当然仍然有效，但 PostgreSQL 18 带来的变化更值得关注，因为它开始从数据库底层重新设计数据读取、索引访问和数据建模方式。

PostgreSQL 18 于 2025 年 9 月 25 日正式发布。截至 2026 年 8 月，PostgreSQL 18 已更新至 18.6，PostgreSQL 19 仍处于开发版本阶段，因此本文以 PostgreSQL 18.6 为基准展开讨论。生产环境也应优先选择最新的 18.x 维护版本，而不是停留在最初发布的 18.0。

PostgreSQL 18 的重要变化并不只是多了几个 SQL 函数，而是同时触及了四个层面：

flowchart LR
    A[PostgreSQL 18] --> B[存储访问]
    A --> C[查询优化]
    A --> D[数据建模]
    A --> E[应用交互]

    B --> B1[异步 I/O]
    B --> B2[更完善的 I/O 观测]

    C --> C1[B-Tree Skip Scan]
    C --> C2[Hash Join 与聚合优化]

    D --> D1[UUIDv7]
    D --> D2[虚拟生成列]

    E --> E1[RETURNING OLD / NEW]
    E --> E2[更平滑的版本升级]

其中最值得普通开发者和数据库运维人员关注的，是异步 I/O、Skip Scan、UUIDv7、虚拟生成列以及增强后的 RETURNING。

一、异步 I/O：数据库终于不必“读一页、等一页”

1. 同步 I/O 的问题

传统同步读取的执行过程可以简单理解为：

1. 数据库向操作系统发起读取请求；
2. 当前执行流程等待数据返回；
3. 数据进入共享缓冲区；
4. 查询继续处理下一批数据；
5. 再次发起读取请求。

当数据已经位于 PostgreSQL 的共享缓冲区或者操作系统页缓存中时，这种等待可能并不明显。

但在以下场景中，I/O 等待会迅速成为瓶颈：

• 大表顺序扫描；
• Bitmap Heap Scan；
• VACUUM；
• 数据量明显大于内存；
• 使用网络云盘；
• 存储单次访问延迟较高；
• 分析型查询需要读取大量数据页。

同步模式下，即使磁盘能够同时处理大量请求，数据库也可能因为逐个等待而无法充分利用存储吞吐能力。

2. PostgreSQL 18 的异步读取方式

PostgreSQL 18 引入了新的异步 I/O 子系统，可以提前提交多个 I/O 请求，让多个读取任务同时处于执行状态，而不是完成一个之后再提交下一个。

sequenceDiagram
    participant Q as 查询执行器
    participant A as AIO 调度器
    participant S as 存储设备

    Q->>A: 提交数据页 1、2、3、4
    A->>S: 并发发起多个读取请求
    S-->>A: 返回数据页 2
    S-->>A: 返回数据页 1
    A-->>Q: 交付已完成的数据页
    Q->>Q: 继续执行查询
    S-->>A: 返回数据页 3、4
    A-->>Q: 交付剩余数据页

这并不会让单次磁盘读取本身变快，但能够减少查询执行器空等 I/O 的时间，并提高存储设备的并发利用率。

PostgreSQL 官方说明显示，异步 I/O 首批覆盖了顺序扫描、Bitmap Heap Scan、VACUUM 等路径。在部分存储读取场景中，官方测试观察到了最高约 3 倍的性能提升，但这并不代表所有业务升级后都会自动获得同等收益。

二、三种 I/O 模式应该怎么选

PostgreSQL 18 通过 io_method 参数控制异步 I/O 的实现方式。

模式	实现方式	适用场景
sync	将可异步执行的 I/O 仍按同步方式处理	兼容性验证、问题排查、性能对照
worker	由独立 I/O Worker 进程执行请求	默认模式，适合作为升级后的起点
io_uring	使用 Linux io_uring 接口	Linux 环境下进一步测试低开销异步 I/O

PostgreSQL 18 默认使用 worker，默认启动 3 个 I/O Worker。io_uring 需要 PostgreSQL 在构建时启用 liburing 支持，而且相关参数只能在服务器启动时生效。

可以先查看当前配置：

SHOW io_method;
SHOW io_workers;
SHOW effective_io_concurrency;
SHOW maintenance_io_concurrency;

一个用于测试环境的配置示例如下：

io_method = 'worker'
io_workers = 3

effective_io_concurrency = 16
maintenance_io_concurrency = 16

track_io_timing = on

其中：

• effective_io_concurrency 控制普通查询期望同时执行的 I/O 数量；
• maintenance_io_concurrency 面向 VACUUM 等维护任务；
• track_io_timing 用于记录 I/O 等待时间；
• io_workers 仅在 io_method = 'worker' 时有效。

PostgreSQL 18 中，effective_io_concurrency 和 maintenance_io_concurrency 的默认值均为 16。需要注意的是，并发值并不是越高越好。官方文档明确提示，设置过高可能增加整个系统的 I/O 延迟。

因此，不建议看到异步 I/O 后就直接把并发参数调整到几百。更合理的做法是从默认值开始，在接近真实业务的数据量和并发模型下逐步验证。

三、不要只看查询耗时，还要观察 I/O 到底发生了什么

PostgreSQL 18 增加了 pg_aios 系统视图，用于查看当前正在准备、提交、执行或者完成中的异步 I/O Handle。

可以按照状态和操作类型观察当前请求：

SELECT
    state,
    operation,
    count(*) AS handle_count,
    sum(length) AS total_bytes
FROM pg_aios
GROUP BY state, operation
ORDER BY state, operation;

pg_aios 更偏向实时状态查看，可以观察请求是否处于 STAGED、SUBMITTED 或已完成状态。该视图主要面向 PostgreSQL 开发者和性能调优场景，并且默认需要超级用户或者 pg_read_all_stats 权限。

对于累计 I/O 情况，可以使用 pg_stat_io：

SELECT
    backend_type,
    object,
    context,
    reads,
    pg_size_pretty(read_bytes::bigint) AS read_size,
    round(read_time::numeric, 2) AS read_time_ms,
    hits,
    evictions
FROM pg_stat_io
WHERE reads IS NOT NULL
ORDER BY read_bytes DESC NULLS LAST;

PostgreSQL 18 的 pg_stat_io 可以统计：

• 读取次数与读取字节数；
• 写入次数与写入字节数；
• 扩展文件次数；
• 缓冲区命中次数；
• 缓冲区淘汰次数；
• I/O 等待时间；
• bulkread、vacuum、normal 等不同上下文。

其中，read_time、write_time 等时间字段只有在启用 track_io_timing 后才会产生有效数据。官方也建议将 PostgreSQL 统计视图与操作系统监控工具结合使用，因为 PostgreSQL 无法完全区分数据究竟来自物理磁盘，还是已经存在于操作系统页缓存中。

四、异步 I/O 不是所有查询的“免费加速器”

异步 I/O 更可能改善以下负载：

• 大表扫描；
• 数据仓库和报表查询；
• 大量数据不在共享缓冲区中；
• 网络附加存储；
• 存储延迟较高但支持较高并发；
• VACUUM 读取大量数据页；
• Bitmap Heap Scan 比较频繁。

以下负载可能变化不明显：

• 数据基本全部位于内存；
• 查询主要走高度选择性的索引；
• 单次只读取极少量数据；
• 系统瓶颈位于 CPU；
• 锁竞争才是主要延迟来源；
• 应用连接池或者网络往返已经成为瓶颈；
• SQL 本身存在明显的执行计划问题。

因此，升级 PostgreSQL 18 后，仍然需要通过 EXPLAIN ANALYZE、BUFFERS、pg_stat_io 和操作系统监控确认瓶颈，而不能仅凭版本号推断性能一定会提高。

五、Skip Scan：联合索引不再绝对依赖最左前缀

假设订单表存在以下联合索引：

CREATE INDEX idx_orders_tenant_status_created
ON orders (tenant_id, status, created_at DESC);

传统索引设计经验通常认为，这个索引最适合以下查询：

SELECT *
FROM orders
WHERE tenant_id = 1001
  AND status = 'PAID'
ORDER BY created_at DESC;

因为查询条件包含联合索引最左侧的 tenant_id。

但如果查询没有传入租户：

SELECT *
FROM orders
WHERE status = 'PAID'
  AND created_at >= now() - interval '1 day';

过去执行计划很可能无法高效缩小联合索引的扫描范围，因为缺少最左列条件。

PostgreSQL 18 的 B-Tree Skip Scan 可以在一定条件下，根据索引前导列的不同值，动态生成类似下面的查询过程：

tenant_id = 1 AND status = 'PAID'
tenant_id = 2 AND status = 'PAID'
tenant_id = 3 AND status = 'PAID'

数据库并不是真的生成多条 SQL，而是在索引内部反复定位不同前导列分组，从而跳过大量不可能匹配的数据页。

PostgreSQL 官方文档指出，当前导列的不同值较少，而后续列具备有效过滤条件时，优化器可能选择 Skip Scan。如果前导列基数非常高，重复定位的成本可能超过收益，优化器通常仍会选择顺序扫描。

可以通过执行计划观察数据库是否利用了现有索引：

EXPLAIN (ANALYZE, BUFFERS)
SELECT *
FROM orders
WHERE status = 'PAID'
  AND created_at >= now() - interval '1 day';

Skip Scan 不代表可以忽略索引顺序

Skip Scan 是优化器增加的一种选择，而不是对最左前缀原则的彻底废除。

以下场景仍然应该考虑创建更匹配的索引：

• 查询非常高频；
• 前导列基数很高；
• 查询延迟要求严格；
• 后续条件选择性不高；
• Skip Scan 需要重复进行大量索引定位；
• 现有联合索引体积非常大。

正确的理解应该是：

PostgreSQL 18 让部分“差一点就能用上联合索引”的查询有了新的执行路径，但索引仍应围绕真实访问模式设计。

六、UUIDv7：兼顾分布式生成与索引局部性

很多系统会使用 UUID 作为主键。

传统 UUIDv4 具有很好的随机性，但随机值写入 B-Tree 索引时，插入位置也会比较分散。随着数据增长，可能带来更多随机页访问、缓存抖动和页面分裂。

PostgreSQL 18 原生提供了 uuidv7()：

CREATE TABLE orders (
    id uuid PRIMARY KEY DEFAULT uuidv7(),
    tenant_id bigint NOT NULL,
    status varchar(20) NOT NULL,
    amount numeric(12, 2) NOT NULL,
    created_at timestamptz NOT NULL DEFAULT now()
);

UUIDv7 在 UUID 中加入时间信息。PostgreSQL 的实现使用毫秒级 Unix 时间戳、亚毫秒时间信息以及随机数据构造 UUID，因此同一时间段生成的值通常具有更好的排序局部性。

可以直接提取版本和时间：

WITH generated AS (
    SELECT uuidv7() AS id
)
SELECT
    id,
    uuid_extract_version(id) AS uuid_version,
    uuid_extract_timestamp(id) AS generated_time
FROM generated;

PostgreSQL 官方将 UUIDv7 定位为更适合数据库索引和缓存访问的时间有序 UUID。与完全随机的 UUIDv4 相比，UUIDv7 通常能够让新数据更集中地写入索引尾部附近。

UUIDv7 仍然不是自增 ID

UUIDv7 虽然大致按照时间排序，但不能把它当成严格连续的业务序号。

它不能保证：

• 不同服务器之间绝对按生成先后排序；
• 同一毫秒内严格递增；
• UUID 顺序等于事务提交顺序；
• UUID 顺序等于消息处理顺序。

订单编号、支付流水号等需要严格业务语义的字段，仍然应该单独设计。

时间信息可能被外部观察

由于 UUIDv7 的时间戳可以被提取，如果将其直接暴露在公开接口中，调用方可能推断出记录的大致生成时间。

这不一定是安全漏洞，但属于数据设计时需要考虑的信息暴露问题。对于对时间敏感的业务，可以继续使用随机外部标识，将 UUIDv7 仅作为内部主键。

七、虚拟生成列：把确定性计算收回数据库

假设订单明细中存在数量、单价和总金额：

CREATE TABLE order_item (
    id uuid PRIMARY KEY DEFAULT uuidv7(),
    order_id uuid NOT NULL,
    quantity integer NOT NULL CHECK (quantity > 0),
    unit_price numeric(12, 2) NOT NULL CHECK (unit_price >= 0),
    amount numeric(14, 2)
        GENERATED ALWAYS AS (quantity * unit_price) VIRTUAL
);

应用只需要写入 quantity 和 unit_price，amount 由数据库计算。

PostgreSQL 18 支持两种生成列：

类型	计算时机	是否占用表存储
VIRTUAL	查询读取时计算	不存储计算结果
STORED	插入或更新时计算	存储计算结果

PostgreSQL 18 默认使用虚拟生成列。虚拟列更接近普通视图中的表达式，而存储生成列更接近自动维护的物化结果。

生成列适合承载以下逻辑：

• 金额计算；
• 单位换算；
• 字符串标准化；
• 状态映射；
• 日期拆分；
• 多字段组合；
• 确定性业务派生值。

这样可以避免多个应用分别实现相同计算规则，减少不同服务之间出现结果不一致的概率。

但生成表达式存在明确限制：

• 只能使用不可变函数；
• 不能包含子查询；
• 不能引用其他生成列；
• 不能直接引用当前行之外的数据；
• 不能同时定义默认值；
• 不能作为分区键；
• 虚拟生成列对用户自定义函数和类型还有额外限制。

这些限制意味着生成列适合处理“当前行内部的确定性计算”，不适合处理库存查询、汇率转换、跨表统计等动态业务逻辑。

八、RETURNING OLD / NEW：一次 SQL 同时拿到修改前后数据

过去执行更新时，如果应用需要知道数据修改前后的差异，常见做法是：

1. 查询旧数据；
2. 在应用中计算新数据；
3. 执行更新；
4. 再次查询更新结果；
5. 写入审计记录。

这种方式不仅增加数据库往返次数，还容易在高并发下出现查询结果与实际更新数据不一致的问题。

PostgreSQL 18 可以在 RETURNING 中同时访问 OLD 和 NEW：

UPDATE account
SET balance = balance - 100
WHERE id = 42
  AND balance >= 100
RETURNING
    id,
    old.balance AS balance_before,
    new.balance AS balance_after,
    old.balance - new.balance AS deducted_amount;

还可以结合数据修改 CTE，在同一条 SQL 中写入审计记录：

WITH changed AS (
    UPDATE product
    SET price = round(price * 1.05, 2)
    WHERE category_id = 10
    RETURNING
        id,
        old.price AS old_price,
        new.price AS new_price,
        clock_timestamp() AS changed_at
)
INSERT INTO product_price_audit (
    product_id,
    old_price,
    new_price,
    changed_at
)
SELECT
    id,
    old_price,
    new_price,
    changed_at
FROM changed
RETURNING *;

INSERT、UPDATE、DELETE 和 MERGE 均支持 RETURNING。PostgreSQL 18 新增了对修改前后数据的显式访问，可以避免为了获取修改结果而额外执行一次查询。对于 INSERT，旧值通常为空；对于 DELETE，新值通常为空。

不过，RETURNING OLD / NEW 并不能替代完整的审计体系。

如果系统要求长期保留变更历史，仍然应该使用：

• 审计表；
• 数据库触发器；
• CDC；
• 逻辑复制；
• 领域事件；
• 不可变操作日志。

RETURNING 解决的是单次修改过程中的数据获取问题，而不是长期历史追踪问题。

九、PostgreSQL 18 升级后的统计信息恢复更快

数据库大版本升级后，一个常见问题是执行计划突然变差。

原因并不一定是新版本优化器存在问题，而可能是旧集群中的优化器统计信息没有被保留下来。新集群在完成大规模 ANALYZE 之前，对数据分布了解不足，可能生成不理想的执行计划。

PostgreSQL 18 的 pg_upgrade 可以迁移旧集群中的大部分优化器统计信息，从而减少升级后等待统计信息重新生成的时间。

但并不是所有统计信息都会迁移，例如：

• 显式创建的扩展统计信息；
• 扩展提供的自定义统计信息；
• 累计统计系统中的部分数据。

官方仍然建议升级后补充执行分阶段统计收集和完整分析。

vacuumdb --all \
  --analyze-in-stages \
  --missing-stats-only \
  --jobs=4

vacuumdb --all \
  --analyze-only \
  --jobs=4

更稳妥的升级流程如下：

flowchart LR
    A[采集旧版本性能基线] --> B[复制生产数据进行预演]
    B --> C[执行 pg_upgrade --check]
    C --> D[完成测试升级]
    D --> E[恢复缺失统计信息]
    E --> F[回放真实业务负载]
    F --> G{性能和兼容性达标}
    G -- 否 --> H[调参或回滚]
    H --> B
    G -- 是 --> I[灰度升级生产环境]
    I --> J[持续观察执行计划与 I/O]

十、升级 PostgreSQL 18 前需要注意什么

1. 不要在生产环境直接验证异步 I/O

应该先复制接近生产规模的数据，回放真实 SQL，再比较：

• P50、P95、P99 延迟；
• 查询吞吐量；
• CPU 使用率；
• I/O 等待；
• 缓存命中率；
• VACUUM 时间；
• 临时文件写入量；
• 执行计划变化。

2. 不要只测试平均响应时间

异步 I/O 可能提高整体吞吐量，但如果并发参数配置过高，也可能增加部分查询的尾延迟。因此必须同时观察 P95 和 P99。

3. 检查认证配置

PostgreSQL 18 已将 MD5 密码认证标记为弃用，并计划在未来版本移除。仍然使用 MD5 的系统，应逐步迁移到 SCRAM。

4. 注意新集群默认启用数据页校验和

PostgreSQL 18 新建集群时默认启用数据页校验和。使用 pg_upgrade 时，新旧集群的校验和配置需要匹配，因此升级前应先检查现有集群状态。

5. 检查扩展、驱动和连接池

数据库内核升级成功，不代表周边组件一定兼容。需要验证：

• 数据库扩展；
• ORM 和数据库驱动；
• 连接池；
• 数据同步工具；
• 备份工具；
• 数据库代理；
• 监控采集器；
• CDC 组件。

6. 保留完整回滚路径

升级前至少应该具备：

• 可验证的全量备份；
• 恢复演练记录；
• 旧版本数据目录保护方案；
• 应用版本回滚方案；
• 数据双写或停机窗口策略；
• 明确的回滚触发指标。

十一、哪些功能最值得优先采用

对于不同类型的项目，可以采用不同的优先级。

新项目

优先考虑：

1. 使用 uuidv7() 作为内部 UUID 主键；
2. 使用 RETURNING OLD / NEW 简化更新结果获取；
3. 将确定性行内计算放入生成列；
4. 从一开始建立 pg_stat_io 监控。

已有 OLTP 系统

优先考虑：

1. 升级到最新 PostgreSQL 18.x 维护版本；
2. 检查现有 UUIDv4 主键带来的索引写入情况；
3. 分析联合索引是否可能受益于 Skip Scan；
4. 验证驱动、连接池和扩展兼容性；
5. 不要因为异步 I/O 而盲目提高并发参数。

报表和分析型系统

优先考虑：

1. 对大表顺序扫描进行基准测试；
2. 比较 worker 与 io_uring；
3. 观察 bulkread 上下文的 I/O 数据；
4. 验证 VACUUM 和批量任务耗时；
5. 同时监控存储吞吐和尾延迟。

十二、结语

PostgreSQL 18 最值得关注的地方，不是简单增加了几个新语法，而是数据库正在从“等待操作系统替自己猜测读取需求”，转向主动调度多个 I/O 请求；从严格依赖联合索引前导列，转向在合适的数据分布下尝试 Skip Scan；从随机 UUID，转向更适合索引写入的时间有序 UUID；从应用层重复计算，转向数据库统一维护确定性派生字段。

但这些能力也传递出一个非常重要的信息：

数据库版本升级不会自动替代性能工程，它只是给优化器和开发者提供了更多可选路径。

异步 I/O 是否有效，要看存储延迟和访问模式；Skip Scan 是否执行，要看列基数和统计信息；UUIDv7 是否适合，要看业务是否允许暴露时间特征；虚拟生成列是否划算，要看读取频率与计算成本。

真正可靠的升级方式，仍然是基于真实数据、真实 SQL 和真实业务流量完成测试。

PostgreSQL 18 不是让所有查询突然变快，而是让数据库在面对现代硬件、云存储和复杂业务访问模式时，拥有了更合理的底层能力。