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KV 缓存

PostgreSQL KV 缓存函数，轻量级 Redis 替代方案

pg kv 将一组 KV 缓存函数部署到 PostgreSQL 实例，将其转变为轻量级 Redis 替代方案，用于纯键值缓存。它不是完整的 Redis 替代——没有计数器、没有有序集合、没有发布/订阅——只有快速、原子化、基于 TTL 的键值存储，支持自动过期。

提供两个变体：BYTEA（二进制值，通用缓存）和 JSONB（结构化 JSON，支持字段级更新和包含查询）。两者可以一起或分别部署。

适用场景

会话存储 —— 存储用户会话、OAuth 令牌或 API 密钥，自动过期。当应用已经连接 PostgreSQL 时，比 Redis sidecar 更简单。
配置缓存 —— 缓存不频繁变更的应用配置或功能开关。JSONB 变体支持部分字段更新，无需重写整个对象。
限流 —— 按用户/IP 跟踪请求计数或时间戳。UPSERT 原子性防止并发写入时的竞态条件。
临时数据 —— 任务队列、锁令牌、一次性代码。UNLOGGED TABLE 意味着无 WAL 开销；对于临时缓存，崩溃丢数据可接受。
原型开发 —— 避免为副项目启动 Redis。一条命令（pg kv -i myinst --database myapp）即可获得可用缓存。

不适用场景

高吞吐（持续 >500 QPS）—— 使用 Redis 或 Memcached。PostgreSQL 未针对每秒数百万个小 KV 操作优化。
有序集合、计数器、发布/订阅 —— 这些是 PostgreSQL 不复刻的 Redis 特性。使用 Redis 或应用层逻辑。
大值（每个键 >1 MB）—— BYTEA 存储可行但效率低。使用对象存储（S3/MinIO）或文件系统。
需要持久化 —— UNLOGGED TABLE 意味着崩溃或非正常关机时数据丢失。如果缓存丢失不可接受，使用普通表或带 AOF 的 Redis。

用法

# 部署 BYTEA 和 JSONB 两个变体（默认）
pg kv -i myinst --database myapp

# 仅部署 BYTEA（通用二进制值）
pg kv -i myinst --database myapp --type bytea

# 仅部署 JSONB（结构化 JSON，支持字段更新）
pg kv -i myinst --database myapp --type json

# 通过 DSN 目标远程数据库
pg kv --dsn postgres://user:pass@host:5432/otherdb --database myapp

# 预览 SQL 不执行
pg kv -i myinst --database myapp --dry-run

--database 标志是必填的——pgcli 不会自动创建数据库，目标必须已存在。命令是幂等的：多次运行是安全的（函数使用 CREATE OR REPLACE，表使用 IF NOT EXISTS）。

BYTEA 变体

通用二进制键值缓存。值存储为 BYTEA（任意二进制数据）。用于字符串、序列化对象或原始字节。

表

CREATE UNLOGGED TABLE kv_cache (
    key TEXT PRIMARY KEY,
    value BYTEA NOT NULL,
    expires_at TIMESTAMPTZ NOT NULL
);

函数

函数	签名	返回值	描述
`kv_set`	`(p_key TEXT, p_value BYTEA, p_ttl_seconds INT DEFAULT 300)`	`VOID`	以 UPSERT 原子性写入缓存。默认 TTL 300秒。
`kv_set_with_result`	`(p_key TEXT, p_value BYTEA, p_ttl_seconds INT DEFAULT 300)`	`BOOLEAN`	与 `kv_set` 相同，成功返回 `TRUE`，错误返回 `FALSE`。
`kv_get`	`(p_key TEXT)`	`BYTEA`	读取缓存（自动过滤过期）。未找到或已过期返回 `NULL`。
`kv_get_text`	`(p_key TEXT)`	`TEXT`	读取缓存并转换为文本（`convert_from` UTF-8）。未找到返回 `NULL`。
`kv_del`	`(p_key TEXT)`	`VOID`	删除缓存条目。
`kv_cleanup_batch`	`(max_rows INT DEFAULT 1000)`	`INT`	删除最多 `max_rows` 条过期条目。返回实际删除数量。

示例

-- 写入缓存条目（文本转换为 bytea）
SELECT kv_set('session:abc123', 'user_id=42'::bytea, 3600);

-- 以文本读取
SELECT kv_get_text('session:abc123');
-- 返回: user_id=42

-- 以原始 bytea 读取（十六进制编码）
SELECT kv_get('session:abc123');
-- 返回: \x757365725f69643d3432

-- 检查键是否存在（过期或缺失返回 NULL）
SELECT kv_get('session:xyz') IS NOT NULL;

-- 删除键
SELECT kv_del('session:abc123');

-- 清理过期条目（通过 cron 或应用定期运行）
SELECT kv_cleanup_batch(1000);

JSONB 变体

结构化 JSON 缓存，支持字段级更新和包含查询。值存储为 JSONB，带 GIN 索引用于高效的 @> 查询。

表

CREATE UNLOGGED TABLE kv_cache_json (
    key TEXT PRIMARY KEY,
    value JSONB NOT NULL,
    expires_at TIMESTAMPTZ NOT NULL,
    created_at TIMESTAMPTZ DEFAULT NOW()
);

CREATE INDEX idx_kv_cache_json_gin ON kv_cache_json USING GIN (value);

GIN 索引服务于用户编写的临时查询（WHERE value @> '{"status":"active"}'）。函数 API 使用主键查找，因此 json_get/json_set 不使用该索引。

函数

函数	签名	返回值	描述
`json_set`	`(p_key TEXT, p_value JSONB, p_ttl_seconds INT DEFAULT 300)`	`VOID`	以 UPSERT 原子性写入 JSON 缓存。默认 TTL 300秒。
`json_set_with_result`	`(p_key TEXT, p_value JSONB, p_ttl_seconds INT DEFAULT 300)`	`BOOLEAN`	与 `json_set` 相同，成功返回 `TRUE`。
`json_get`	`(p_key TEXT)`	`JSONB`	读取整个 JSON 对象。未找到或已过期返回 `NULL`。
`json_get_field`	`(p_key TEXT, p_field TEXT)`	`TEXT`	以文本读取指定字段（`->>` 操作符）。键或字段缺失返回 `NULL`。
`json_get_field_json`	`(p_key TEXT, p_field TEXT)`	`JSONB`	以 JSONB 读取指定字段（`->` 操作符）。键或字段缺失返回 `NULL`。
`json_contains`	`(p_key TEXT, p_query JSONB)`	`BOOLEAN`	检查缓存的 JSON 是否包含查询子集（`@>` 操作符）。键缺失返回 `FALSE`。
`json_update_field`	`(p_key TEXT, p_field TEXT, p_new_value TEXT, p_ttl_seconds INT DEFAULT NULL)`	`BOOLEAN`	部分更新指定字段。智能类型转换（数字/布尔/数组/对象/字符串）。`p_ttl_seconds NULL` 保留原过期时间；非 NULL 重置它。`p_new_value SQL NULL` 返回 `FALSE`（防止意外字段删除）。键缺失返回 `FALSE`。
`json_del`	`(p_key TEXT)`	`VOID`	删除 JSON 缓存条目。
`json_cleanup_batch`	`(max_rows INT DEFAULT 1000)`	`INT`	删除最多 `max_rows` 条过期条目。返回实际删除数量。

示例

-- 写入 JSON 对象
SELECT json_set('user:42', '{"name":"Alice","age":30,"roles":["admin","user"]}'::jsonb, 3600);

-- 以文本读取字段
SELECT json_get_field('user:42', 'name');
-- 返回: Alice

-- 以 JSONB 读取字段（保留类型）
SELECT json_get_field_json('user:42', 'age');
-- 返回: 30（整数类型）

-- 读取整个对象
SELECT json_get('user:42');
-- 返回: {"age": 30, "name": "Alice", "roles": ["admin", "user"]}

-- 检查对象是否包含子集
SELECT json_contains('user:42', '{"age":30}'::jsonb);
-- 返回: t

-- 更新单个字段（保留其他字段，智能类型转换）
SELECT json_update_field('user:42', 'age', '31');
SELECT json_get_field('user:42', 'age');
-- 返回: 31（仍是整数，不是字符串）

-- 添加新字段
SELECT json_update_field('user:42', 'email', 'alice@example.com');

-- 更新字段并重置 TTL
SELECT json_update_field('user:42', 'age', '32', 7200);

-- 更新字段不改变过期时间
SELECT json_update_field('user:42', 'age', '33', NULL);

-- 删除键
SELECT json_del('user:42');

-- 清理过期条目
SELECT json_cleanup_batch(1000);

并发与原子性

两个变体都使用 ON CONFLICT（UPSERT）实现原子写入。对同一键的并发 kv_set 调用不会竞态——一个获胜，另一个覆盖。除单行外不持有锁。

读操作（kv_get、json_get）无副作用且永不阻塞。过期条目通过 WHERE expires_at > NOW() 过滤——它们不会物理删除，直到 kv_cleanup_batch 运行。

过期与清理

条目基于 TTL（默认 300 秒）过期。过期条目不会自动删除——它们保留在表中，直到调用 kv_cleanup_batch 或 json_cleanup_batch。

推荐的清理策略：

应用层 cron —— 每 5-10 分钟从应用或 cron 任务调用 kv_cleanup_batch(1000)。
pg_cron 扩展 —— 如已安装，通过 cron.schedule 调度 SELECT kv_cleanup_batch(1000)。
惰性清理 —— 每 N 次写入后调用清理（例如 if (rand() < 0.01) kv_cleanup_batch(1000)）。

max_rows 参数限制每次清理，防止长事务。每批 1000 行，即使有数百万过期条目，清理也只需 <10ms。

限制

无持久化 —— UNLOGGED TABLE 意味着崩溃时数据丢失。缓存可接受，主数据不可接受。
无复制 —— UNLOGGED TABLE 不被逻辑复制复制（它们被物理流复制复制，但仅表结构，非数据）。
无分区 —— 所有键在单表中。对于超大缓存（>1000万键），考虑按键前缀分片或使用 Redis。
无 TTL 索引 —— 过期条目未单独索引。清理使用普通 B 树索引扫描 expires_at < NOW()。

验证

部署后，验证函数是否存在：

# 检查函数数量（--type all 应为 15）
pg exec -i myinst -c "SELECT COUNT(*) FROM pg_proc WHERE proname LIKE 'kv_%' OR proname LIKE 'json_%'"

# 列出所有 KV 函数
pg exec -i myinst -c "SELECT proname FROM pg_proc WHERE proname LIKE 'kv_%' OR proname LIKE 'json_%' ORDER BY proname"

--type all 的预期输出：

         proname
-------------------------
 json_cleanup_batch
 json_contains
 json_del
 json_get
 json_get_field
 json_get_field_json
 json_set
 json_set_with_result
 json_update_field
 kv_cleanup_batch
 kv_del
 kv_get
 kv_get_text
 kv_set
 kv_set_with_result
(15 rows)

测试

scripts/test-kv-cache.sh 提供了测试脚本。覆盖所有 15 个函数（6 个 BYTEA + 9 个 JSONB），包括边缘情况（NULL 处理、TTL 保留、过期条目清理）。

# 对本地实例运行测试
bash scripts/test-kv-cache.sh myinst

# 对默认实例运行测试
bash scripts/test-kv-cache.sh

如果所有测试通过，脚本以代码 0 退出；如果有任何失败，以代码 1 退出。在 CI 或升级后使用它确认函数按预期工作。

卸载

没有 pg kv remove 命令。函数和表保留在数据库中，直到手动删除：

-- 移除 BYTEA 变体
DROP TABLE IF EXISTS kv_cache CASCADE;

-- 移除 JSONB 变体
DROP TABLE IF EXISTS kv_cache_json CASCADE;

CASCADE 子句自动删除依赖函数。