SQL Server性能優化（7）理解數據庫文件組織

1、基本單位「頁」

    SQL Server是用8KB的頁來存儲數據。物理I/O操做也是在頁級執行。頁的種類有不少，具體參考（MSDN）。咱們關注更多的是數據頁的結構，包括三部分：頁頭（96bytes）、數據區（數據行和可用空間）以及行偏移數組（槽，最少是7bytes）：

爲何數據頁的大小是8k，這有什麼優缺點，有兩篇文章解釋的很好（數據頁結構，壞的一面）。總結下，

a. 數據區大小 =（8192 - 頁頭96bytes+偏移數組7byte） = 8053bytes，這是一個頁能分配給咱們的數據使用的最大空間。咱們的數據就一行一行的放在這寫數據內部。

b. 若是咱們一行數據包含兩個int列，那一共能夠存儲 8053%(4+4)= 999.125,最後餘7byte空間沒法存入，也就是這這個頁裏浪費了7bytes。如

c. 果咱們一行數據包含三列（一個int、一個char(4000)、一個char(100)，共4104byte），那每一個頁只能存儲一行，浪費了3 949bytes，很明顯這不是一個好的數據庫設計。

d. 能夠利用free_space_in_bytes來查看頁面空閒狀況。

SELECT
   DB_NAME(database_id),
   SUM(free_space_in_bytes) / 1024 AS 'Free_KB'
FROM sys.dm_os_buffer_descriptors
WHERE database_id <> 32767
GROUP BY database_id
ORDER BY SUM(free_space_in_bytes) DESC
GO

e. 包含 varchar、nvarchar、varbinary 或 sql_variant 列的表不受此限制的約束。MSDN上有進一步解釋行溢出數據超過 8 KB。

f. 要進一步瞭解數據頁內部的結構，參考：http://www.cnblogs.com/woodytu/p/4484328.html

2、頁的上層--「區」和分配映射表

區是管理空間的基本單位。一個區是八個物理上連續的頁（即 64 KB）。這意味着 SQL Server 數據庫中每 MB 有 16 個區。

因爲歷史緣由，SQL Serve有兩種類型的區：同一區、混合區。

混合區：區內的8個頁，能夠是不一樣的表、索引等。

統一區：區內的8個頁，是同一個表、索引。

新建表的時候，先在混合區插入一條記錄，當其佔用的這個混合區的表或索引增加到 8 頁時，將變成使用統一區進行後續分配，每次擴展84kb（8頁）。問題是如何管理這兩種分區？答案是GAM頁和SGAM頁。

1. 全局分配映射表（GAM: Global Allocation Map Pages）---爲統一區管理服務

    這是一個頁，共64000位（8000bytes）的掩碼位圖（參考位圖算法），用一個位管理一個byte管理4Gbyte。因此每隔4G的數據文件都要有一個GAM頁進行管理（64000 * 64 /1024 /1024)。

2. 共享全局分配映射表（SGAM: Shared Global Allocation Map Pages）---爲混合區管理服務

    原理同全局分配映射表。

3、可用空間管理頁面：PFS頁（Page Free Space）

該頁面用來跟蹤一個文件中每個特定的頁面的利用率狀況，是以頁爲單位的。一個文件中第二個頁面(頁碼1,以下圖)就是PFS頁面，該頁面的每一個字節都記錄了相應頁面的分配狀況、頁面類型、是否IAM頁、是否包含刪除記錄、以及空間利用率信息;PFS可以管理和跟蹤8088個頁面的使用狀況，即接近64M的空間，之後每8088個頁面將再出現一次（參考）。

PFS每一個字節管理一個頁面，字節結構爲：

4、索引分配映射頁:IAM頁

主要用來標示 SQL Server 對象使用了哪些區。好比A表的非彙集索引B佔用了 六、七、八、9 這4個區。這樣，在再對此對象作更改的時候，可以快速的找到這4個區，更改文件。

當 SQL Server 數據庫引擎必須在當前頁中插入新行，而當前頁中沒有可用空間時，它將使用 IAM 和 PFS 頁查找要將該行分配到的頁，或者（對於堆或 Text/Image 頁）查找具備足夠空間容納該行的頁。分配的過程是：

1. 數據庫引擎使用 IAM 頁查找分配給分配單元的區。

2. 對於每一個區，數據庫引擎將搜索 PFS 頁，以查看是否有可用的頁。

每一個 IAM 和 PFS 頁覆蓋大量數據頁，所以一個數據庫內只有不多的 IAM 和 PFS 頁。這意味着 IAM 和 PFS 頁一般位於內存中的 SQL Server 緩衝池中，因此可以很快找到它們。對於索引，新行的插入點由索引鍵設置。在這種狀況下，不會出現上述搜索過程。

另外，一個 IAM 頁能夠映射的範圍 4 GB，與 GAM 或 SGAM 頁的範圍相同。若是分配單元包含來自多個文件的區，或者超過一個文件的 4 GB 範圍，那麼一個 IAM 鏈中將連接多個 IAM 頁。

5、已修改區域的管理（參考MSDN）

SQL Server 使用兩個內部數據結構跟蹤被大容量複製操做修改的區，以及自上次完整備份後修改的區。這些數據結構極大地加快了差別備份的速度。當數據庫使用大容量日誌恢復模式時，這些數據結構也能夠加快將大容量複製操做記錄至日誌的速度。與全局分配圖 (GAM) 和共享全局分配圖 (SGAM) 頁相同，這些結構也是位圖，其中的每一位表明一個單獨的區。 包括

1. 差別更改映射表 (DCM)
2. 大容量更改映射表 (BCM)
DCM 頁和 BCM 頁的間隔與 GAM 和 SGAM 頁的間隔相同，都是 64,000 個區。在物理文件中，DCM 和 BCM 頁位於 GAM 和 SGAM 頁以後。

6、總結

經過以上介紹，咱們大致知道了SQL Server物理文件的結構：

有一篇更深刻的介紹http://www.cnblogs.com/woodytu/p/4495021.html

 

參考：索引概念分類：https://technet.microsoft.com/zh-cn/library/ms175049(v=sql.105).aspx

彙集索引結構：https://technet.microsoft.com/zh-cn/library/ms177443(v=sql.105).aspx

Sql Server 中 GAM、SGAM、PAM、IAM、DCM 和 BCM 的詳解與區別

SQL Server 深刻解析索引存儲(上)

SQL Server 深刻解析索引存儲(中)

SQL Server 深刻解析索引存儲(下)