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  • SQLServer存储引擎——01.数据库如何读写数据

    一、引言

      在SQL Server数据库中,数据是如何被读写的?日志里都有些什么?和数据页之间是什么关系?数据页又是如何存放数据的?索引又是用来干嘛的?

    一起看看SQL Server的存储引擎。

    二、SQL Server的存储引擎

      大致分为以下几部分:

       1. 数据库如何读写数据

       2. 内存

       3. 日志

       4. 数据

       5. 索引的结构和分类

       6.索引的遍历和维护

    下面一 一详细介绍:

     1. 数据库如何读写数据

       1.1. 数据读写流程简要

        SQL Server作为一个关系型的数据库,自然也维持了事务的ACID特性,数据库的读写冲突由事务的隔离级别控制。无论有没有显式开启事务,事务都是存在的。

                                                                           

        (1)事务开始

                 (1.1)所有DML语句必然是基于事务的,如果没有显式开启事务(即手动写下begin tran),则事务处理的最小单位是每一条DML语句,并自动提交事务。

          (1.2)如果手动开启一个事务(begin tran),或开启隐式事务(set implicit_transactions on),才需要手动提交事务(commit tran),否则SQL Server自动提交事务。

        (2)发起DML

          (2.1)DML语句包括:insert、delete、update;

          (2.2)DDL语句最终是被转化为对系统表的DML,在SQL SERVER中DDL语句也可以被回滚,比如:CREATE/ALTER/DROP/TRUNCATE,在ORACLE里是不可以的,另外SQL Server中的DCL语句:DENY,REVOKE,也可以被回滚;

        (3)数据是否在内存

          (3.1)在内存中使用hash算法查找数据,如果找到记为逻辑读;

          (3.2)如果数据页不在内存中,则需要从磁盘上的数据文件中,读取相应的数据页到内存中,即物理读,物理读也会被记数为逻辑读,也就是说无论内存中有没有数据,逻辑读是一定有的。

        (4)修改数据

          (4.1)在SQL Server内存的数据缓冲区中将数据页修改,此时数据页称为脏页(Dirty Page);

          (4.2)在SQL Server内存的日志缓冲区中记录REDO LOG,暂称为脏日志;

        (5)事务结束

          (5.1)提交(COMMIT),此时将当前事务的脏日志刷新到数据库的日志文件中,并打上事务结束标记(COMMIT),脏页有可能暂未被刷新到数据文件中;

              事务日志结构如下(可通过log explorer等工具查看)

              BEGIN TRAN

              DML

              COMMIT TRAN

          (5.2)回滚(ROLLBACK),此时读REDO LOG得到反向DML操作,反向修改脏页,正向DML 与 反向DML都会被记录在数据库的日志文件中,并打上事务结束标记(ROLLBACK),同样,脏页有可能暂未被刷新到数据文件;

            事务日志结构如下:

              BEGIN TRAN

              DML

              反向DML

              ROLLBACK TRAN

            不难发现,SQL SERVER的日志容易成为一个瓶颈,因为在写的同时引入了读,即引入了竞争,而ORACLE用UNDO SEGMENT很好地避免了这个问题,REDO LOG永远只是在被串行写。

        (6)刷新数据页

          (6.1)SQL Server数据库遵循预写日志(WAL:Write-Ahead Logging)原则,因为关系型数据库是基于事务的,而日志正是事务ACID特性的保证,也是数据恢复的保证。

          (6.2)检查点(Checkpoint),检查点周期性的将脏页刷新到数据库的数据文件中,最终在日志文件上打上检查点标记(Checkpoint),至此上面事务中修改的数据被正式写入 到磁盘上的数据文件中。

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      1.2 数据读写流程深入          

        试想:

        (1) 日志是不是一定要在COMMIT后才写到日志文件?如果有个很长很大的事务,那么提交日志时,日志从缓冲区被写入磁盘,岂不是要等很久?

        (2) 数据是不是一定要在日志提交后,发生了CHECKPOINT,才写到数据文件?如果日志一直没提交,那么数据缓冲区岂不是很拥挤?

        考虑到这2点,SQL Server还会通过Log Writer/Lazy Writer不定时的刷新日志/数据到磁盘,至于日志和数据的一致性,在启动或者数据库还原时,SQL Server会去做检查,也即是我们常说的前滚(REDO)和回滚(UNDO)。

                                                        

        (1)SQL SERVER MEMORY

          (1.1) SQL SERVER 占用服务器内存的一部分,非SQL SERVER 占用的内存,供操作系统及服务器上的其他应用程序使用;

          (1.2) SQL SERVER 内存结构可分为两大块,关于内存结构参见下面说的内存部分,图中仅标出Buffer Pool中的数据及日志缓存;

        (2) 事务结束

          (2.1)事务结束的前提是日志缓存成功写入到日志文件中,此时,数据库才会返回事务结束的响应。也就是说客户端收到COMMIT/ROLLBACK语句运行成功的消息时,日志已被成功写入日志文件(数据还不定是否被写入数据文件);

          (2.2)日志缓存并不是一定要等到事务结束时才刷新到日志文件的。

        (3) LOG WRITER

          (3.1)当遇到长事务时,不必等到发出事务结束命令,LOG WRITER也会周期性地将脏日志刷新到日志文件,以保证用户发出COMMIt时快速响应并结束;

          (3.2)微软公司并没有公布SQL SERVER除去COMMIT外,LOG WRITER将脏日志刷新到日志文件的周期,这里可以参考ORACLE的,每3秒;或者日志缓冲区1/3满;或者包含1M的脏日志。

        (4) LAZY WRITER

          (4.1)LAZY WRITER周期性扫描缓存(默认1s),维护自由页面列表(free page),根据LRU算法将已刷新到磁盘的页释放;

          (4.2)如果是脏页则刷新到磁盘(这时事务可能还未提交),同样也是先将日志刷新到日志文件中,然后再将脏页刷新到数据文件中,最终内存页释放并加入自由页面列表;

        (5)CHECKPOINT

          (5.1)CHECKPOINT同LAZY WRITER一样也会刷新脏页到数据文件中(只刷新已提交的事务数据),但不会维护内存自由页面列表;

          (5.2)可以设置SP_CONFIGURE ‘RECOVERY INTERVAL’选项来改变CHECKPOINT发生的频率,默认为1分钟一次。

       

      小结:可以发现,数据和日志被写入数据/日志文件,并不是同步的。有可能写入/提交了日志,数据没有写入磁盘;有可能写入了数据,事务未被提交;

      (1) 针对有完整事务日志,数据未被写入磁盘的情况,启动/还原数据库时,SQL SERVER做前滚(REDO);

      (2) 针对有数据写入数据文件,日志未完整提交的事务,启动/还原数据库时,SQL SERVER做回滚(UNDO)。

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