主存存取和磁盤存取原理筆記

前言

主存存取原理、磁盤存取原理、MySql 使用的B+/-Tree原理

數據庫索引爲什麼採用B+Tree

1. 紅黑樹等數據結構能夠用來實現索引
2. 文件系統及數據庫系統廣泛採用B-/B+ Tree 做爲索引結構
3. MySql 廣泛採用 B+Tree 實現
4. 索引自己很大，不可能所有存儲內存，所以須要以索引文件的形式存儲磁盤
5. 相對於內存讀取，I/O存取的消耗要高几個數量級(兩個,內存1s,磁盤100多s),所以索引的結構組織儘可能減小查找過程當中的磁盤I/O操做

主存存取原理

1. 主存基本就是隨機讀寫存儲器(RAM),簡化之，以下：
   
2. 抽象角度看，主存是一系列的存儲單元(晶體管)組成的矩陣,經過行地址和列地址能夠定位惟一存儲單元
   
3. 主存存取過程：當系統須要讀取主存時，將地址信號放到地址總線,主存讀到地址信號，後解析信號並定位指定存儲單元，而後將此存儲單元數據放到數據總線，供其它部件讀取；
4. 寫主存：系統將要寫入單元地址和數據分別放在地址總線和數據總線，主存讀取兩個總線的內容，作相應的寫操做

磁盤存儲原理

1. 磁盤總體結構示意圖：
   
2. 一個磁盤由大小相同且同軸的圓形盤片組成，圓盤能夠轉動，磁頭能夠沿磁盤半徑方向運動(尋道)
   
3. 圓片被劃分一系列同心圓，每一個同心環叫作一個磁道，全部半徑相同的磁道組成一個柱面。磁道被沿半徑線劃分紅一個個小段，每一個段叫作一個扇區
4. 爲了讀取這個扇區的數據，須要將磁頭放到這個扇區上方，這個過程叫作尋道,花費時間叫作尋道時間，而後磁盤旋轉將目標扇區旋轉到磁頭下，這個過程耗時叫旋轉耗時。

局部性原理和磁盤預讀

1. 因爲存儲介質的特性，磁盤自己存取就比主存慢不少，再加上機械運動耗費(尋道+ 旋轉)，磁盤的存取速度每每是主存的幾百分之一
2. 計算機科學著名的局部性原理：當一個數據被用到時，其附近的數據也一般會立刻被使用。(磁盤讀取會有被預讀，相好比尋道時間，只需不多的旋轉時間就能完成磁盤順序讀取，減小IO操做。)
3. 預讀的長度通常爲頁(page)的整數倍。頁是計算機存儲器的邏輯塊，頁的大小一般爲4K。

4. 計算機存儲緩存

5. 寄存器 64bit: CPU工做臺,存放計算數據的地方
6. 一級緩存L1 4x 64K
7. 二級緩存L2 4x 256K
8. 三級緩存L3 8MB
9. 內存 4GB
10. 磁盤 500GB

B-/+ Tree 索引的性能分析

1. 巧妙地利用磁盤預讀原理，將一個樹節點大小設爲一個頁(4k)，使得每一個節點只須要一次IO 就能夠徹底載入
2. 一般B-/+Tree的高(h)爲3，而度(d)會很大，度越大索引性能越好
   
3. 存儲引擎MylSAM 索引方式，key 域存儲主鍵，data域存儲值得地址，非彙集，索引文件和數據文件是分離的。
   

4. 存儲引擎InnoDB，data域存儲完整的數據邏輯。彙集型，數據文件自己就是索引文件。
   

   InnoDB 索引引擎主鍵的選擇

5. 自增主鍵 pk 業務主鍵(身份證)
6. 自增主鍵，每次 insert 操做會按順序添加到當前索引節點的後續位置，當一頁寫滿，自動開闢一個新的頁。

7. 非自增主鍵(身份證號或學號),因爲每次插入主鍵的值都近似隨機，所以每次新記錄都會查到現有索引頁的中間位置，不得不產生一次數據移動