【如此简单！数据库入门系列】之效率基石 -- 磁盘空间管理

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1 前言

如何将表中的记录存储在物理磁盘上呢？

1. 概念模式中，记录（Record）表示表中的一行数据，由多个列（字段或者属性）构成
2. 物理模式中
   • 记录以字节为单位（记录的字节表示）存储在内存中
   • 必要时（例如内存空间不足），被进一步存储在磁盘中（通常称为刷盘）

如何将内存中的记录保存在磁盘中？以什么方式保存？

这就是磁盘空间管理要解决的问题。

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2 磁盘空间管理

磁盘空间管理是数据库读写效率的基石。

磁盘空间管理的目标：

• 将内存中的Page映射到磁盘的位置
• 将Page从磁盘加载到内存
• 将Page保存回磁盘并确保写入
• 为上层提供Page相关的服务，例如Page的创建、读取、写入和注销

Page是什么意思？

Page是内存中一块连续的区域，用于保存记录。内存中的数据写入磁盘，或者从磁盘读取，并不是以记录为单位进行的，而是以Page为单位。

为什么要把记录组织成Page再写入磁盘中？

还记得磁盘的工作原理吗？为了优化磁盘I/O性能，要尽可能将数据写入一个连续的区域内（称为块或Block）。内存中的Page就是为了对应磁盘中的Block。

通常情况下，Page和Block是等价的，都是指一块儿连续的区域，是磁盘读写的基本单位。通常，在内存中常用Page，而在磁盘中常用Block。

3 磁盘空间管理的实现

整体来说，存在两种实现方法：

1. 直接依赖于物理设备
   • 在深入理解物理设备特性基础上，可以做到性能最好
   • 但是过于依赖物理设备细节，无法实现可移植性
2. 基于文件系统（filesystem）
   • 将数据以某种方式组织在一起并保存在文件（File）中
   • 文件系统善于对文件进行顺序访问
   • 数据库会产生多个数据文件，这些文件可能存储在多个物理磁盘上
     

显然，基于文件系统的方式更好。理论上，如果直接基于物理设备去实现，相当于实现了一套定制化的文件系统。

文件是文件系统提供的抽象对象。一个文件由多个Page/Block组成。

4 存储对象关系

Table、Page、和File都是存储记录的载体。它们之间是什么关系？

• Table：记录的逻辑存储载体，处于概念模式，属于关系模型中的概念
• Page：记录的字节表示在内存中的存储载体，是文件读写的基本单位，处于物理模式
• File：由多个Page/Block组成的物理文件，处于物理模式，通常一个Table对应一个数据文件

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5 总结

关于文章开头的问题：

如何将内存中的记录保存在磁盘中？以什么方式保存？

目前我们只讨论了第一个问题：

• 在物理模式的最下层，实现了磁盘空间管理模块
• 它负责将内存中的Page写入文件系统，并从文件系统读取Page
• 它对上提供了Page相关服务，并隐藏了文件读写的实现细节

在下一篇文章中，我们继续讨论第二个问题：如何在Page中组织记录，以及如何在File中组织Page。

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6 系列文章

更多系列文章，请参考：【如此简单！数据库入门系列】之思想地图 – 系列目录

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