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#19 資料庫的資料實體儲存單位 Page

在上一篇文章中提到了有關資料庫 Storage manager 一點點的資訊.因此,這一篇文章就來談談更基礎的東西,叫 Page.它是什麼呢 ? 它就是 Storage manager 在處理儲存資料上的一種邏輯格式,也就是每個邏輯儲存空間的大小.這樣說可能還不好了解,讓我來直接舉個例子.資料庫引擎中有一個管理員叫 storage manager,它是負責資料儲存和讀取用,也就是說,今天使用者發出一個請求如 select * from table123,那麼這個命令就會經由資料庫引擎裡各式各樣的管理員來做語法確認解析,來做語法最佳化,然後可能還會經由其他管理員的檢查,最後才會到 storage manager,而 storage manager 負責的工作就是到磁碟機上正確的位置點,把資料讀取出來然後再回傳給呼叫它的管理員,最後資料就一直這樣被回傳到使用者端.因此,storage manager 就是負責找到資料在硬碟上的那個地方,然後進行資料讀寫.所以,你現在可以知道 storage manager 的工作是非常底層的.

那 Page 和 storage manager 又是什麼關係呢 ? Page 是資料儲存空間的一種單位.依不同的產品設計,Page 的大小可能不同,如 Microsoft SQL Server 的 Page 設計成 8KB. 所以,如果你的資料庫檔案設定為 8000KB,那就表示你這個資料庫檔案就有 1000 個 Page.然後這一千個 page 並不是全部都可以做為使用者資料儲存的用途,因為需要有一些空間用來儲存資料庫的設定與變數等,但我們在此先不討論這些系統所需的空間,我們把 1000 個 page 視為都是可供使用者儲存資料用.而 Page 設計的概念就是我們以前說過的 Linked List 概念,所以 Page 裡會有一個 pointer 指向下一個 Page 在那裡,因此,相鄰的 Page 在實體位址上不一定要在隔壁,他們可以分別位在硬碟裡前後不同的位置上.

所以,假設你現在要寫入一筆資料到一個新的表格,也假設這個表格只有一個欄位,其 data type 是 char(1000),而且這個欄位是 primary key.當你寫入第一筆資料 "1111" 時,這筆資料就會被記錄在 page 1 的最前面,如果你寫入第二筆資料 "2222" 時,這筆資料也會被記錄在 Page 1 且在 "1111" 的後面,如下圖所示:


在上圖中,假設寬度剛好是 1000 字元,所以你會到 "1111" 在第一行,由於 data type 是 char,所以後面有 996 個空白,而第二行是 "222",後面接著是 996 個空白字元.如果你繼續寫入更多的資料時,第一個 Page 看起來就會如下:


如果你再繼續寫入資料的話,後面的資料就會從第二個 Page 開始寫.所以 storage manager 在讀取這表格的資料時就會從這個表格的第一個 page 開始讀資料.

假設,此時你要寫入 "4567" 到這個表格中,因為這個欄位是 primary key,所以預設上來看,字元的順序就是實體資料要擺放的順序,因為 "4567" 必須放在 "4444" 和 "5555" 之間.但由於這一個 Page 的空間已被佔滿了,因此 storage manager 只好做一個 page split 的動作,也就是把一個 Page 拆成兩個 Page ,然後再寫入資料.


如果用 List 的動作來看,這就是在一個 List 中插入一個元素的動作.用 storage manager  的角度來看,它要先尋找一個完全沒用過的 Page ,然後將需要分開的資料搬到新的 Page 上,最後再更改 page pointer 位置來讓新 Page 的順序能安排在其中.這個動作並不是一個單純的動作,花費的成本還不小,從這裡就可以了解到,當我們做 insert 或 update 資料時,如果沒有安排好的話很可能就會造成大量的 page split 導致硬碟會很忙碌而形成效能上的瓶頸.

當我們討論到資料庫的讀寫效能時,Page 是一個很好的對象讓我們知道一份資料被讀取時一共讀了多少個 Page,這也就是代表了資料庫引擎的效能.由此可見,對資料庫引擎而言,這是多麼重要的基礎考量.


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