Физическая организация

Организация и создание базы данных

Работа с базой данных

База данных хранится в виде набора файлов Windows. Каждый файл принад­ле­жит только одной базе данных. Дисковое пространство, зани­ма­е­мое файлами базы, представляет собой набор страниц c фиксиро­ван­ным раз­­ме­ром 8 КБ. Физически смежные страницы груп­пи­руют­ся в экстенты.

Каждый набор страниц и его страница (внутри набора) имеют свои уни­кальные идентификационные номера. Нулевая страница содержит но­ме­ра наборов и адреса первой записи каждого из наборов. Специальный на­­бор содержит страницы с адресами пустых страниц.

На одной странице могут распола­гаться одна или несколько строк, таблиц или индексов, и наоборот ‑ одна таблица или строка может занимать несколь­ко страниц или экстентов. Каждая страница содержит заголовок с физи­ческим адресом на логически следующую страницу.

Страницы заполняются равномерно сог­лас­но установленному поль­зо­вате­лем процента (фактора) запол­не­ния стра­ницы (от 0 до 100). Нулевое значение фак­то­ра заполнения или его отсутствие в соответ­ст­ву­ющей ко­манде равносильно значению 100.

Для уменьшения времени доступа к данным СУБД по возможности (при уменьшении фактора заполнения возможности увеличиваются) сохраняет логически близкие страницы в одном или в нескольких физи­чес­ки соседних экстентах (принцип класте­ризации) и размещает или удаляет стра­ницы в наборах не по одной, а целыми экстен­тами.

При частом обновлении базы данных может возникнуть неже­ла­тельная (устраняемая (п. 4.3.6.10)) фраг­мен­тация, при которой принцип клас­те­ри­зации не соблюдается.

Рассмотрим более подробно физическую организацию [19].

Файл. Каждая база данных содержит не менее двух файлов. Один из них отводится под журнал транзакций. Каждый файл может принадлежать только одной базе данных.

Страница. Файлы делятся на страницы размером по 8 Кбайт каждая. Логический номер страницы складывается из внутреннего номера базы данных, номера файла и номера страницы в файле. В рамках БД файлы нумеруются, начиная с 1, и так же нумеруются страницы в рамках файла.

Блоки (экстенты, extents). Пространство под объекты отводится блоками по 8 следующих друг за другом страниц. Блок является основной единицей отведения пространства. Поэтому при создании БД можно указывать размер файла с точностью до 64 Кбайт. Для суперкомпьютеров заложена возможность увеличения размера блоков до 128 страниц.

Все страницы однородного блока принадлежат одному объекту БД. Разные страницы в блоке принадлежат разным объектам.

В SQL 7.0 существуют уже 7 типов страниц:

• страница данных (Data page);
• индексные страницы (Index page);
• страницы журнала транзакций (Log page);
• текстовые страницы (Text/image page);
• карты распределения блоков (Global allocation map page);
• карты свободного пространства (Page free space page);
• индексные карты размещения (Index allocation map page).

Все страницы имеют заголовок размером 96 байтов. В заголовке хранится общая информация, используемая ядром СУБД для работы со страницами. На странице в отличие от блока хранится однородная информация. Поэтому среди параметров страницы задаются:

• номер страницы в формате <номер файла, номер страницы>;
• идентификатор объекта, которому принадлежит страница;
• номер индекса, которому принадлежит страница;
• уровень внутри индексного дерева, которому принадлежит страница;
• количество отведенных строк на странице, количество заполненных слотов;
• общий объем свободного пространства на странице;
• указатель на расположение свободного пространства после последней строки на странице;
• минимальная длина строки на странице;
• объем зарезервированного пространства.

После заголовка следует информация о статусе страницы в картах распределения блоков и карте свободного пространства.

Новыми в архитектуре дисковой памяти являются страницы размещения. В этих страницах хранятся сведения о размещении данных. SQL Server 7.0 использует три типа страниц размещения: карты распределения блоков, карты свободного пространства, индексные карты размещения. SQL Server 7.0 хранит информацию размещения на разных уровнях: на уровне блоков, на уровне страниц, на уровне объектов. Такой разносторонний мониторинг помогает СУБД оптимизировать работу в соответствии с требованиями конкретного запроса.

Карты распределения блоков.

В данных картах хранится информация о распределении блоков. Карта распределения блоков состоит из стандартного заголовка и одного битового массива в 64 000 битов. Каждый бит характеризует один блок. Поэтому одна страница карты распределения описывает пространство в 64 000 блоков или 4 Гбайт данных.

Карты распределения блоков делятся на два типа:

• Глобальная карта распределения (Global allocation map, GAM) хранит информацию об использовании блоков. Если бит установлен в 0, то блок занят данными, если в 1 — то блок свободен.
• Вторичная глобальная карта распределения (Secondary global allocation map, SGAM) хранит информацию о типе блоков. Если бит установлен в 1, то блок смешанный и минимум одна страница в нем свободна, в остальных случаях (блок свободен, блок смешанный, но свободных страниц нет, блок однородный) бит равен 0.

При отведении пространства сервер использует обе карты распределения.

Карты свободного пространства.

Степень заполнения страниц в SQL 7.0 отслеживает специальный механизм — карты свободного пространства (Page free space page, PFS). Каждая PFS-страни-ца хранит информацию о 8000 страниц, по 1 байту на страницу. Каждый байт представляет собой битовую карту, которая сообщает о степени занятости страницы и о том, принадлежит ли она объекту.

Первые страницы файла БД всегда используются под карты распределения. Страница № 1 состоит из двух частей. После стандартного заголовка страницы следует заголовок файла, содержащий его описание, затем размешается блок PFS. Страницы PFS повторяются через каждые 8000 страниц, если размер файла

превосходит один блок. Страница № 2 — это GAM, страница № 3 — это SGAM. Карты распределения блоков повторяются через каждые 512 000 страниц. Кроме того, каждая девятая страница первичного файла — это загрузочная страница БД (database boot page), содержащая описание БД и параметры конфигурации.

Карты размещения.

Для организации связи между блоками и расположенными на них объектами используются индексные карты размещения (Index Allocation Map, IАМ). Каждая таблица или индекс имеют одну или более страниц IАМ. В каждом файле, в котором размещаются таблица или индекс, существует минимум одна карта размещения для этой таблицы или индекса. Страницы IАМ размещаются про,-извольно внутри файла и отводятся по мере необходимости. IAM объединены друг с другом в цепочку двунаправленными ссылками. Указатель на первую карту размещения содержится в поле FirstIAM системной таблицы Sysindex.

Каждая IAM описывает некоторый диапазон блоков и представляет собой битовую карту: если бит установлен в 1, то в данном блоке есть страницы, принадлежащие данному объекту, если в 0 — то нет.

Все страницы размещения не связаны напрямую с некоторым объектом БД, они соответствуют некоторой системной информации, поэтому параметр «идентификатор объекта» для всех этих страниц одинаков и равен 99.

Страницы данных.

На самом общем уровне здесь, так же как и в предыдущей версии, страница данных делится на 3 зоны: заголовок, область данных и таблицу смещений, но размер страницы увеличен, размер заголовка также и некоторые отличия существуют и в структуре остальных зон.

Прежде всего стоит отметить, что в отличие от SQL Server 6.5 в новой версии страницы данных не связаны друг с другом в цепочки. За связь между страницами и объектами отвечает новая специальная структура — карты размещения.

Кроме того, ранее данные на странице хранились непрерывно. При удалении строки данные внутри страницы перемещались так, чтобы не оставалось пустот. Однако такой подход затруднял строчные блокировки. И в новой версии данные на странице не обязательно хранятся непрерывно. Здесь допустимы пропуски. При удалении строки пустое пространство помечается и потом его может занять новая строка, но перемещения строк не происходит.

В SQL Server 7.0 теперь поддерживается классический термин слот (Slot), и это место размещения строки на странице. Если таблица не имеет кластеризованного индекса, то номер слота является идентификатором строки и не меняется, пока не будет удалена соответствующая строка. Если же таблица имеет кластеризованный индекс, то слоты располагаются в порядке, задаваемом индексом.

Строки данных.

Отметим наиболее важные моменты.

• Номера строки больше нет — строка идентифицируется номером слота, который ее определяет, либо значением кластерного ключа.
• В версии 6.5 поля, допускающие NULL, хранятся точно так же, как поля переменной длины. В версии 7.0 поля фиксированной длины всегда занимают свою полную длину, значение NULL задается специальным флагом. Это облегчает замену неопределенного значения на некоторое конкретное без перемещения строк на странице.
• Фиксированные поля вместе с описателями хранятся до полей переменной длины, так же как и в 6.5.
• В каждой строке хранится общая длина строки и текущие длины полей переменной длины. Отсутствуют таблицы смещений и подстройки смещений. Данные считываются последовательно с начального адреса.
• Максимальное количество полей в строке 1024, в версии 6.5 только 256.

Текстовые страницы.

В версии 7.0 изменены принципы хранения текстовых полей. Строки данных по-прежнему содержат 16-байтные указатели на текстовые данные. Однако хранение самих текстовых данных производится иначе.

Текстовая страница теперь может содержать несколько текстовых полей.

Собственно данные хранятся в виде сбалансированного дерева (B-tree). Строка данных содержит указатель на корневую структуру (Root structure) размером 84 байта.

Данные длиной менее 64 байт хранятся в корневой структуре. Для данных до 32 Кбайт корневая структура (Root structure) может адресовать 4 блока данных (это не блоки страниц) до 8 Кбайт каждый. Блоки наращиваются до 8 Кбайт (реально на одной текстовой странице может быть размещено 8080 байт). Например, если первая порция данных составляет 4 Кбайта, то отводится один блок. Если в дальнейшем данные увеличиваются до 6 Кбайт, то первый блок увеличивается до 6 Кбайт, а второй блок имеет размер всего 2 Кбайта.

Если же длина текстового поля более 32 Кбайт, то строятся промежуточные узлы.

В версии 7.0 текстовая страница может содержать данные нескольких текстовых полей.

Под журнал транзакций отводится всегда отдельный файл.

Дата добавления: 2014-12-10