1.1.1 数据库的发展历程
在开始学习PostgreSQL 18之前，让我们先了解一下数据库的发展历史，这有助于我们理解PostgreSQL在数据库领域的地位和价值。
1.1.1.1 从文件系统到数据库系统
早期的数据存储主要依靠文件系统，例如使用Excel、CSV文件等管理数据。然而，随着数据量的增长和业务复杂度的提高，文件系统暴露出许多问题：
- 数据冗余：相同的数据可能被存储在多个文件中
- 数据不一致：修改一处数据时，其他副本可能忘记更新
- 访问控制困难：难以实现精细的权限管理
- 并发访问问题：多个用户同时修改数据时容易产生冲突
- 查询效率低下：对于复杂查询，文件系统处理速度极慢
为了解决这些问题，数据库管理系统（DBMS）应运而生。DBMS是一种专门用于管理数据的软件，它提供了数据定义、数据操作、数据存储、数据安全等功能。
1.1.1.2 关系型数据库的崛起
1970年，IBM研究员埃德加·科德（Edgar F. Codd）提出了关系模型理论，奠定了关系型数据库的基础。关系模型将数据组织成二维表格形式，通过行（记录）和列（字段）来表示数据，使用SQL（结构化查询语言）进行操作。
关系型数据库具有以下优势：
- 数据结构化：采用表格形式，数据组织清晰
- ACID特性：保证数据的原子性、一致性、隔离性和持久性
- 强大的查询能力：支持复杂的SQL查询
- 事务支持：确保数据操作的可靠性
- 数据完整性：通过约束（主键、外键、唯一性等）保证数据质量
1.1.1.3 PostgreSQL的诞生与发展
PostgreSQL的前身是Ingres，由加州大学伯克利分校的Michael Stonebraker教授领导开发于20世纪70年代。1986年，Stonebraker教授启动了Postgres项目，旨在解决Ingres的局限性。
1995年，Postgres项目加入了SQL支持，更名为PostgreSQL。从那时起，PostgreSQL进入了快速发展阶段，逐渐成为最受欢迎的开源关系型数据库之一。
PostgreSQL的发展理念是：
- 开源免费：基于PostgreSQL许可证，允许自由使用、修改和分发
- 功能强大：支持丰富的数据类型和高级特性
- 可扩展性强：允许用户自定义数据类型、函数和扩展
- 可靠性高：以稳定性和数据完整性著称
- 社区驱动：由全球开发者社区共同维护和发展
1.1.2 PostgreSQL的核心特性
PostgreSQL之所以受到广泛欢迎，是因为它具备许多强大的特性，使其在各种应用场景中都能表现出色。
1.1.2.1 数据类型丰富
PostgreSQL支持多种数据类型，包括：
- 基本数据类型：整数、浮点数、字符串、布尔值、日期时间等
- 复合数据类型：数组、JSON/JSONB、XML、HSTORE（键值对）
- 空间数据类型：支持PostGIS扩展，用于地理信息系统（GIS）
- 自定义数据类型：允许用户根据需求创建自己的数据类型
1.1.2.2 高级SQL支持
PostgreSQL支持SQL:2016标准，并提供了许多扩展功能：
- 高级查询功能：JOIN操作、子查询、聚合函数、窗口函数
- Common Table Expressions (CTE)：使用WITH子句简化复杂查询
- 递归查询：支持树形结构数据查询
- 全文搜索：内置强大的全文搜索功能
1.1.2.3 事务与并发控制
PostgreSQL严格遵循ACID特性，并实现了多版本并发控制（MVCC），允许多个事务同时访问数据库而不会互相阻塞，提高了系统的并发处理能力。
1.1.2.4 可扩展性
PostgreSQL的可扩展性体现在多个方面：
- 扩展机制：支持通过扩展添加新功能，如PostGIS、pg_stat_statements等
- 自定义函数：允许使用多种语言（SQL、PL/pgSQL、Python、C等）编写自定义函数
- 分区表：支持将大表分割成多个小表，提高查询效率
- 并行查询：支持查询并行执行，加快查询速度
1.1.2.5 可靠性与安全性
- 数据完整性：支持主键、外键、唯一性约束、检查约束等
- 备份与恢复：提供多种备份方式，如pg_dump、基础备份等
- 安全认证：支持多种认证方式，如密码认证、SSL加密、LDAP认证等
- 细粒度权限控制：可以精确控制用户对数据库对象的访问权限
1.1.3 PostgreSQL 18的新特性
PostgreSQL 18是PostgreSQL的最新版本，于2025年发布，带来了许多令人期待的新特性和改进。
1.1.3.1 性能提升
- 并行查询增强：进一步优化了并行查询机制，提高了多核CPU利用率
- 向量处理加速：支持向量数据类型和向量运算，为AI应用提供更好的支持
- 查询优化器改进：优化了查询计划生成算法，提高了复杂查询的执行效率
- 存储引擎优化：减少了磁盘I/O开销，提高了数据读写性能
1.1.3.2 向量数据库功能
PostgreSQL 18增强了对向量数据的支持，使其成为强大的向量数据库：
- 内置向量数据类型：支持高效存储和查询向量数据
- 向量索引：支持向量相似度查询的索引，如IVFFlat、HNSW等
- 向量函数：提供丰富的向量运算函数，如点积、余弦相似度等
- 与AI框架集成：便于与Python的PyTorch、TensorFlow等AI框架集成
1.1.3.3 开发者体验改进
- SQL/JSON路径表达式增强：提供更强大的JSON数据查询能力
- 存储过程改进：支持更灵活的存储过程编写
- 错误信息优化：提供更清晰、更有用的错误信息，便于调试
- 开发工具集成：与主流IDE和开发工具更好地集成
1.1.3.4 管理与监控增强
- 增强的监控指标：提供更多系统性能指标，便于监控和调优
- 自动统计信息收集：改进了统计信息收集机制，提高了查询优化器的准确性
- 配置管理简化：提供了更简洁的配置选项，便于数据库管理
- 日志格式改进：日志格式更易读，便于分析和监控
1.1.3.5 安全性增强
- 更强的加密支持：支持更多加密算法和加密选项
- 访问控制改进：提供更细粒度的访问控制机制
- 安全审计增强：增强了审计日志功能，便于追踪和合规
1.1.4 PostgreSQL的应用场景
PostgreSQL的强大功能使其适用于各种应用场景：
1.1.4.1 Web应用
PostgreSQL是Web应用的理想数据库，支持高并发访问，提供可靠的数据存储和查询能力。许多知名网站和应用都使用PostgreSQL，如Reddit、Discord、Instagram等。
1.1.4.2 数据分析与数据仓库
PostgreSQL支持复杂查询和聚合操作，适合用于数据分析和数据仓库。结合PostgreSQL的分区表、并行查询等特性，可以处理大规模数据。
1.1.4.3 地理信息系统（GIS）
通过PostGIS扩展，PostgreSQL成为强大的GIS数据库，支持空间数据存储、查询和分析，广泛应用于地图、导航、城市规划等领域。
1.1.4.4 物联网（IoT）
PostgreSQL支持高并发写入和复杂查询，适合用于物联网数据的存储和分析。结合时序数据库扩展（如TimescaleDB），可以高效处理物联网设备产生的海量时序数据。
1.1.4.5 人工智能与机器学习
PostgreSQL 18增强的向量数据库功能使其成为AI和机器学习应用的理想选择，可以高效存储和查询模型嵌入向量，支持相似度搜索等AI应用场景。
1.1.5 为什么选择PostgreSQL？
在众多数据库中，为什么要选择PostgreSQL？以下是几个主要原因：
1.1.5.1 开源免费
PostgreSQL是完全开源的，基于PostgreSQL许可证，允许自由使用、修改和分发，无需支付任何许可费用，降低了企业的成本。
1.1.5.2 功能强大
PostgreSQL提供了丰富的功能，几乎可以满足所有数据库需求，从简单的Web应用到复杂的数据分析和AI应用。
1.1.5.3 可靠性高
PostgreSQL以稳定性和数据完整性著称，经过多年的发展和测试，已经在各种生产环境中得到了验证。
1.1.5.4 活跃的社区
PostgreSQL拥有庞大而活跃的社区，全球有数万名开发者参与其开发和维护，社区提供了丰富的资源和支持。
1.1.5.5 良好的兼容性
PostgreSQL支持SQL标准，并提供了与其他数据库（如Oracle、MySQL）的兼容模式，便于迁移和集成。
1.1.5.6 持续创新
PostgreSQL社区持续进行创新，不断引入新功能和改进，确保PostgreSQL始终处于数据库技术的前沿。
1.1.6 主流关系型数据库对比
为了帮助大家更好地理解PostgreSQL的优势和适用场景，我们将PostgreSQL 18与另外两个主流关系型数据库SQL Server 2019+和MySQL 8.0+进行对比。
1.1.6.1 基本信息对比
| 特性 | PostgreSQL 18 | SQL Server 2019+ | MySQL 8.0+ |
|---|---|---|---|
| 发布时间 | 2025年 | 2019年（最新版本2022） | 2018年（最新版本8.3） |
| 许可证 | 开源（PostgreSQL许可证） | 商业（有免费Express版本） | 开源（GPL许可证） |
| 开发组织 | PostgreSQL全球开发社区 | Microsoft | Oracle（收购自Sun） |
| 主要语言 | C | C++ | C/C++ |
| 默认端口 | 5432 | 1433 | 3306 |
1.1.6.2 核心特性对比
| 特性 | PostgreSQL 18 | SQL Server 2019+ | MySQL 8.0+ |
|---|---|---|---|
| SQL标准支持 | SQL:2016（高度兼容） | SQL:2016（良好兼容） | SQL:2011（部分兼容） |
| ACID支持 | 完全支持 | 完全支持 | 完全支持（InnoDB存储引擎） |
| 并发控制 | MVCC（多版本并发控制） | MVCC + 锁定机制 | MVCC（InnoDB存储引擎） |
| 存储引擎 | 单一存储引擎（可扩展） | 多种存储引擎（如In-Memory OLTP、Columnstore） | 多种存储引擎（InnoDB、MyISAM等） |
| 扩展性 | 强大的扩展机制（可自定义类型、函数、扩展） | 有限的扩展性（主要通过扩展包） | 有限的扩展性（插件系统） |
| 向量数据库支持 | 原生向量数据类型和索引 | 需通过扩展（如Azure AI Vector Search） | 需通过插件（如pgvector兼容层） |
| JSON支持 | 原生JSON/JSONB类型，强大的JSON查询功能 | 良好的JSON支持，包括JSONB和JSONPath | 原生JSON支持，包括JSONPath查询 |
| 空间数据支持 | 强大的PostGIS扩展，GIS功能全面 | 内置空间数据类型和函数 | 有限的空间数据支持（需MySQL Spatial扩展） |
| 并行查询 | 强大的并行查询支持，支持多种操作类型 | 良好的并行查询支持 | 有限的并行查询支持（主要在8.0后增强） |
1.1.6.3 架构差异对比
| 架构特性 | PostgreSQL 18 | SQL Server 2019+ | MySQL 8.0+ |
|---|---|---|---|
| 进程模型 | 多进程架构（每个连接对应一个进程） | 单进程多线程架构 | 多线程架构 |
| 内存管理 | 共享内存 + 进程私有内存 | 复杂的内存架构（缓冲池、计划缓存等） | 缓冲池 + 线程私有内存 |
| 存储结构 | 堆表存储（可扩展） | 堆表 + 聚集索引 | 聚集索引（InnoDB） + 二级索引 |
| 事务日志 | WAL（Write-Ahead Logging） | 事务日志（Transaction Log） | Redo Log + Undo Log（InnoDB） |
1.1.6.4 生态系统对比
| 生态特性 | PostgreSQL 18 | SQL Server 2019+ | MySQL 8.0+ |
|---|---|---|---|
| 管理工具 | pgAdmin、psql、DBeaver | SQL Server Management Studio (SSMS)、Azure Data Studio | MySQL Workbench、DBeaver |
| 第三方集成 | 丰富的第三方工具和框架支持 | 与Microsoft生态深度集成（.NET、Azure等） | 广泛的Web应用框架支持（PHP、Node.js等） |
| 云服务支持 | 所有主流云平台支持（AWS RDS、Azure Database、Google Cloud SQL） | Azure SQL Database、AWS RDS、Google Cloud SQL | 所有主流云平台支持 |
| 社区活跃度 | 活跃的开源社区，全球贡献者众多 | 主要由Microsoft维护，社区活跃度一般 | 活跃的开源社区，广泛的用户基础 |
1.1.6.5 适用场景对比
| 场景类型 | PostgreSQL 18 | SQL Server 2019+ | MySQL 8.0+ |
|---|---|---|---|
| Web应用 | 适合复杂Web应用，尤其是需要高级特性的场景 | 适合.NET生态的企业级Web应用 | 适合中小型Web应用，尤其是LAMP/MEAN栈 |
| 数据分析 | 强大的分析能力，适合数据仓库和BI场景 | 优秀的数据分析和BI支持，尤其是与Microsoft BI工具集成 | 有限的分析能力，适合简单的数据分析 |
| 企业应用 | 适合需要高可靠性和复杂数据模型的企业应用 | 适合大型企业应用，尤其是Microsoft技术栈 | 适合中小型企业应用，成本敏感场景 |
| GIS应用 | 行业领先的GIS支持，适合地图、导航等应用 | 良好的GIS支持，适合企业级空间应用 | 有限的GIS支持，适合简单空间应用 |
| AI/ML应用 | 原生向量数据库支持，适合AI嵌入向量存储和查询 | 需集成Azure AI服务，适合Microsoft生态的AI应用 | 需通过插件扩展，适合简单AI应用 |
| IoT应用 | 适合需要复杂查询的IoT数据处理 | 适合企业级IoT解决方案，与Azure IoT集成 | 适合高并发写入的IoT场景，成本敏感 |
1.1.6.6 迁移兼容性
| 迁移方向 | PostgreSQL 18 | SQL Server 2019+ | MySQL 8.0+ |
|---|---|---|---|
| 从Oracle迁移 | 良好的Oracle兼容模式和迁移工具 | 强大的Oracle迁移工具和兼容层 | 有限的Oracle兼容性，迁移复杂 |
| 从SQL Server迁移 | 良好的SQL Server兼容层和迁移工具 | - | 有限的SQL Server兼容性，迁移复杂 |
| 从MySQL迁移 | 强大的MySQL迁移工具和兼容模式 | 良好的MySQL迁移工具 | - |
| 迁移到云平台 | 平滑的云迁移体验，支持多种云服务 | 与Azure深度集成，迁移到Azure便捷 | 广泛的云服务支持，迁移便捷 |
1.1.7 PostgreSQL 18学习资源
为了帮助大家更好地学习PostgreSQL 18，以下是一些推荐的学习资源：
1.1.7.1 官方文档
- PostgreSQL 18官方文档：https://www.postgresql.org/docs/18/ - 最权威、最全面的PostgreSQL参考资料
1.1.7.2 在线课程
- PostgreSQL官方培训：提供由PostgreSQL专家讲授的培训课程
- Coursera、Udemy：有许多关于PostgreSQL的在线课程，适合不同水平的学习者
1.1.7.3 书籍
- 《PostgreSQL实战》：适合初学者入门
- 《PostgreSQL权威指南》：全面介绍PostgreSQL的核心特性
- 《PostgreSQL高性能指南》：专注于PostgreSQL性能优化
1.1.7.4 社区资源
- PostgreSQL中文社区：https://www.postgresql.org.cn/ - 提供中文学习资源和交流平台
- PostgreSQL邮件列表：可以与全球PostgreSQL开发者交流
- PostgreSQL会议：如PgCon、PGConf等，提供学习和 networking 机会
1.1.8 最佳实践
1.1.8.1 版本选择建议
- 生产环境：选择稳定版本，建议使用PostgreSQL 18的正式版，确保稳定性和安全性
- 测试环境：可以使用PostgreSQL 18的最新版本，体验新特性
- 升级策略：从旧版本升级到PostgreSQL 18时，建议先在测试环境验证，再进行生产环境升级
1.1.8.2 学习资源利用
- 官方文档优先：PostgreSQL官方文档是最权威的学习资源，建议从官方文档开始学习
- 实践中学习：结合实际项目或练习，加深对PostgreSQL特性的理解
- 参与社区：加入PostgreSQL社区，与其他开发者交流学习经验
1.1.8.3 技能提升路径
- 基础阶段：学习SQL语法、PostgreSQL安装配置、基本数据类型和操作
- 进阶阶段：深入学习索引优化、事务处理、备份恢复等高级特性
- 高级阶段：研究PostgreSQL源码、性能调优、高可用架构等
1.1.9 总结
PostgreSQL是一款功能强大、可靠性高、开源免费的关系型数据库，在数据库领域具有重要地位。通过与SQL Server 2019+和MySQL 8.0+的对比，我们可以看到PostgreSQL在开源生态、扩展性、GIS支持、向量数据库等方面具有明显优势，适合各种复杂应用场景。
PostgreSQL 18作为最新版本，带来了许多令人期待的新特性，特别是在性能提升、向量数据库功能、开发者体验等方面的改进，使其在AI时代具有更强的竞争力。
选择PostgreSQL作为学习和使用的数据库，不仅可以掌握一门强大的数据库技术，还可以参与到活跃的开源社区中，与全球开发者交流和合作。同时，通过与其他主流数据库的对比学习，你将建立更全面的数据库知识体系，提升在不同数据库间迁移和切换的能力。
在接下来的章节中，我们将逐步学习PostgreSQL 18的基础知识、安装配置、SQL语法、高级特性等，帮助大家从零基础成长为PostgreSQL专家。
让我们开始PostgreSQL 18的学习之旅吧！
1.1.10 思考与练习
1.1.10.1 思考问题
- 关系型数据库的核心优势是什么？与非关系型数据库相比有哪些不同？
- PostgreSQL 18的哪些新特性最吸引你？为什么？
- 在选择数据库时，你会考虑哪些因素？PostgreSQL在这些方面表现如何？
- PostgreSQL 18的向量数据库功能有哪些应用场景？
- 与SQL Server 2019+和MySQL 8.0+相比，PostgreSQL的竞争优势是什么？
1.1.10.2 练习题
- 简述数据库的发展历程，从文件系统到关系型数据库再到PostgreSQL的演变过程。
- 列出PostgreSQL的5个核心特性，并简要解释每个特性的作用。
- 对比PostgreSQL 18与SQL Server 2019+在向量数据库支持方面的差异。
- 分析PostgreSQL在Web应用、数据分析、GIS应用和AI/ML应用中的优势。
- 为什么说PostgreSQL是开源免费的？开源许可证对PostgreSQL的发展有什么影响？
- 简述PostgreSQL 18在性能提升方面的主要改进。
- 分析PostgreSQL的可扩展性体现在哪些方面。
- 对比PostgreSQL与MySQL在并发控制机制上的差异。
- 简述PostgreSQL的应用场景，并举例说明。
- 制定一个学习PostgreSQL 18的计划，包括学习内容、学习资源和实践项目。
