第13章1

在本章中，我们探讨了数据库系统中的数据存储结构，主要关注为何数据库管理系统（DBMS）通常不完全依赖操作系统（OS）来管理内存，并且深入讨论了数据库存储面临的两个核心问题。 为什么DBMS不完全依赖操作系统？尽管操作系统提供了内存映射（mmap）功能，允许将文件内容直接加载到进程的地址空间，但DBMS往往选择自己控制数据的管理和移动。这是因为OS在处理多线程访问时可能不足以应对复杂的并发控制，特别是在存在多个写入者的情况下。mmap对于只读访问可能效果良好，但它缺乏对加锁、脏页跟踪以及页面延迟写回等关键功能的支持。DBMS需要更精细的控制，例如按正确顺序刷新脏页面到磁盘、执行专门的预取策略、缓存替换策略以及线程/进程调度。因此，DBMS通常能够更好地执行这些任务，而不是完全依赖OS。 接着，我们面临数据库存储的两大问题： 问题#1：DBMS如何在磁盘上的文件中表示数据库。数据库被存储为一系列文件，每个文件包含一组记录。记录由字段序列组成。一个简单的方法是假设记录大小固定，每个文件只包含一种类型的记录，不同的文件用于表示不同的关系。这种情况下实现起来最简单，但在后续讨论中会考虑可变长度的记录。这里我们假定记录小于一个磁盘块的大小。 问题#2：DBMS如何管理内存以及如何在磁盘之间来回移动数据。这是数据库设计的核心，因为高效的数据存储和检索直接影响系统的性能。文件组织方式对此至关重要。例如，可以采用固定长度记录的方式，这样便于管理和查找。然而，实际数据库系统通常需要处理各种长度的记录，这就引入了更多的复杂性，如记录的排序、索引和块管理。 文件组织的进一步细节包括记录的布局和访问方法。固定长度记录简化了存储，但可变长度记录更能适应不同数据类型的需求。为了优化I/O操作，DBMS通常使用块（或页）的概念，其中多个记录被组合在一个物理磁盘块中。这涉及到了I/O缓冲区的设计，需要考虑如何有效地缓存频繁访问的记录，以及何时将脏数据写回磁盘。 此外，数据库系统还需要解决诸如如何有效地搜索记录（通过索引）、如何处理数据的插入、删除和更新等问题。索引结构如B树、B+树和哈希索引提供了快速查找的能力。同时，事务管理确保了数据的一致性和完整性，这涉及到事务的ACID属性（原子性、一致性、隔离性和持久性）。 数据库管理系统在数据存储方面需要克服多个挑战，包括如何在磁盘上表示数据，如何高效地管理内存，以及如何在读写操作中保证数据的一致性和性能。这些都需要DBMS自身具备高级别的控制和优化机制，而不是完全依赖操作系统提供的基本服务。