CMU 15-445 -- 存储篇 - 02

引言
Database Storage
- Disk Manager 简介
- - 计算机存储体系
  - 为什么不使用 OS 自带的磁盘管理模块
  - 磁盘管理模块的核心问题
  - 在文件中表示数据库
  - - File Storage
    - Database Pages
    - - Heap File Organization
      - Page Layout
        Data Layout
        Tuple Layout
        Tuple Storage
      - Data Representation
    - System Catalogs
  - OLTP & OLAP
  - Data Storage Models

引言

本系列为 CMU 15-445 Fall 2022 Database Systems 数据库系统 [卡内基梅隆] 课程重点知识点摘录，附加个人拙见，同样借助CMU 15-445课程内容来完成MIT 6.830 lab内容。

Database Storage

Disk Manager 简介

传统的 DBMS 架构都属于 disk-oriented architecture，即假设数据主要存储在非易失的磁盘（non-volatile disk）上。于是 DBMS 中一般都有磁盘管理模块（disk manager），它主要负责数据在非易失与易失（volatile）的存储器之间的移动。

这里需要理解两点：

为什么需要将数据在不同的存储器之间移动？
为什么要自己来做数据移动的管理，而非利用 OS 自带的磁盘管理模块？

计算机存储体系

在这里插入图片描述

磁盘管理模块的存在就是为了同时获得易失性存储器的性能和非易失性存储器的容量，让 DBMS 的数据看起来像在内存中一样。

为什么不使用 OS 自带的磁盘管理模块

OS 为开发者提供了如 mmap 这样的系统调用，使开发者能够依赖 OS 自动管理数据在内外存之间的移动，那么 DBMS 为什么要重复造这样的轮子？主要原因在于，OS 的磁盘管理模块并没有、也不可能会有 DBMS 中的领域知识，因此 DBMS 比 OS 拥有更多、更充分的知识来决定数据移动的时机和数量，具体包括：

将 dirty pages 按正确地顺序写到磁盘
根据具体情况预获取数据
定制化缓存置换（buffer replacement）策略

磁盘管理模块的核心问题

DBMS 的磁盘管理模块主要解决两个问题：

（本节）如何使用磁盘文件来表示数据库的数据（元数据、索引、数据表等）
如何管理数据在内存与磁盘之间的移动

在文件中表示数据库

本节大纲：

File Storage
Page Layout
Tuple Layout
Data Representation
System Catalogs
Storage Models

File Storage

DBMS 通常将自己的所有数据作为一个或多个文件存储在磁盘中，而 OS 只当它们是普通文件，并不知道如何解读这些文件。虽然 DBMS 自己造了磁盘管理模块，但 DBMS 一般不会自己造文件系统，主要原因如下：

通过 DIY 文件系统获得的性能提升在 10% - 15% 之间
使用 DIY 文件系统将使得 DBMS 的可移植性大大下降

综合考虑，这不值得。

Database Pages

OS 的文件系统通常将文件切分成 pages 进行管理，DBMS 也不例外。通常 page 是固定大小的一块数据，每个 page 内部可能存储着 tuples、meta-data、indexes 以及 logs 等等，大多数 DBMS 不会把不同类型数据存储在同一个 page 上。每个 page 带着一个唯一的 id，DBMS 使用一个 indirection layer 将 page id 与数据实际存储的物理位置关联起来。

注意：有几个不同的 page 概念需要分清楚

Hardware Page：通常大小为 4KB
OS Page: 通常大小为 4KB
Database Page：(1-16KB)

不同 DBMS 管理 pages 的方式不同，主要分为以下几种：

Heap File Organization
Sequential/Sorted File Organization
Hashing File Organization

Heap File Organization

heap file 指的是一个无序的 pages 集合，pages 管理模块需要记录哪些 pages 已经被使用，而哪些 pages 尚未被使用。那么具体如何来记录和管理呢？主要有以下两种方法 Linked List 和 Page Directory。

Linked List (双向链表)

pages 管理模块维护一个 header page，后者维护两个 page 列表：
free page list
data page list

如下图所示：
在这里插入图片描述

Page Directory(页目录)

pages 管理模块维护着一些特殊的 pages（directory pages），它们负责记录 data pages 的使用情况，DBMS 需要保证 directory pages 与 data pages 同步。

Page Layout

每个 page 被分为两个部分：header 和 data，如下图所示：

在这里插入图片描述
header 中通常包含以下信息：

Page Size
Checksum
DBMS Version
Transaction Visibility
Compression Information

Data Layout

data 中记录着真正存储的数据，数据记录的形式主要有两种：
- Tuple-oriented：记录数据本身
- Log-structured：记录数据的操作日志

Tuple Oriented

Strawman Idea: 在 header 中记录 tuple 的个数，然后不断的往下 append 即可，如下图所示：

这种方法有明显的两个缺点：

一旦出现删除操作，每次插入就需要遍历一遍，寻找空位，否则就会出现空间浪费
无法处理变长的数据记录（tuple）

为了解决这两个问题，就产生了 slotted pages。

Slotted Pages, 如下图所示，header 中的 slot array 记录每个 slot 的信息，如大小、位移等

在这里插入图片描述

新增记录时：在 slot array 中新增一条记录，记录着tuple的入口地址。slot array 与 data 从 page 的两端向中间生长，二者相遇时，就认为这个 page 已经满了
删除记录时：假设删除 tuple #3，可以将 slot array 中的第三条记录删除，并将 tuple #4 及其以后的数据都都向下移动，填补 tuple #3 的空位。而这些细节对于 page 的使用者来说是透明的
处理定长和变长 tuple 数据都游刃有余

目前大部分 DBMS 都采用这种结构的 pages。

Log Structured

log-structured 只存储日志记录，如下图所示：
在这里插入图片描述
每次记录新的操作日志即可，增删改的操作都很快，但有得必有失，在查询场景下，就需要遍历 page 信息来生成数据才能返回查询结果。为了加快查询效率，通常会对操作日志在记录 id 上建立索引，如下图所示：
在这里插入图片描述
当然，定期压缩日志也是不可或缺的

Tuple Layout

上节讨论了 page 的 layout 可以分成 header 与 data 两部分，而 data 部分又分为 tuple-oriented 和 log structured 两种，那么在 tuple-oriented 的 layout 中，DMBS 如何存储 tuple 本身呢？

由于 tuple 本身还有别的元信息，如：

Visibility Info (concurrency control)：即 tuple 粒度的权限和并发控制
Bit Map for NULL values

因此不难猜到，tuple 中还可以分为 header 和 data 两部分，如下图所示：
在这里插入图片描述

通常 DBMS 会按照你在建表时候指定的顺序（并不绝对）来存储 tuple 的 attribute data，如下图所示：
在这里插入图片描述
有时候，为了提高操作性能，DBMS 会在存储层面上将有关联的表的数据预先 join 起来，称作 denormalize，如下图所示：

在这里插入图片描述

如果表 bar 与表 foo 经常需要被 join 起来，那么二者可以在存储阶段就预先 join 到一起，这么做当然有利有弊：

利：减少 I/O
弊：更新操作复杂化

在 DBMS 层面上，由于它需要跟踪每一个 tuple，因此通常会给每个 tuple 赋予一个唯一的标识符（record identifier），通常这个标识符由 page_id + offset/slot 组成，有时候也会包含文件信息。这属于 DBMS 实现的细节，虽然它是唯一的，但 DBMS 可能随时修改它，因此 DBMS 上层的应用不应该依赖于它去实现自己的功能。

Tuple Storage

在文件中，一个 tuple 无非就是一串字节，而如何解读这些字节中隐含的数据类型和数据本身，就是 DBMS 的工作。DBMS 的 catelogs 保存着数据表的 schema 信息，有了这些信息，DBMS 就能够解读 tuple 数据。

Data Representation

数据库支持的数据类型主要包含：

类型	实现
INTEGER/BIGINT/SMALLINT/TINYINT	C/C++ Representation
FLOAT/REAL vs. NUMERIC/DECIMAL	IEEE-754 Standard / Fixed-point Decimals
VARCHAR/VARBINARY/TEXT/BLOB	Header with length, followed by data bytes
TIME/DATE/TIMESTAMP	32/64-bit integer of (micro) seconds since Unix epoch

FLOAT/REAL/DOUBLE vs. NUMERIC/DECIMAL

float, real, double 类型的数字按照 IEEE-754 标准存储，它们都是 fixed-precision，在 range 和 precision 上作了取舍，无法保证精确度要求很高的计算的正确性，如：

#include <stdio.h>

int main(int argc, char* argv[]) {
    float x = 0.1;
    float y = 0.2;
    printf("x+y = %.20f\n", x+y)
    printf("0.3 = %.20f\n", 0.3)
}

// =>
// x+y = 0.30000001192092895508
// 0.3 = 0.29999999999999998890

如果希望允许数据精确到任意精度（arbitrary precision），则可以使用 numeric/decimal 类型类存储，它们就像 VARCHAR 一般，长度不定，以 Postgres 的 NUMERIC 为例，它的实际数据结构如下所示：

typedef unsigned char NumericDigit;
typedef struct {
    int ndigits;           // # of Digits
    int weight;            // Weight of 1st Digit
    int scale;             // Scale Factor
    int sign;              // Positive/Negative/NaN
    NumericDigit * digits; // Digit Storage
} numeric;

Large Values

大部分 DBMSs 不允许一个 tuple 中的数据超过一个 page 大小，如果想要存储这样的 large values，DBMS 通常会使用 overflow/TOAST page：
在这里插入图片描述

External Value Storage:

一些 DBMSs 甚至允许你在外部存储二进制大文件，即 BLOB，但 DBMSs 一般不会负责管理外部文件，没有 durability protections 和 transaction protections，而且数据库的 dump 操作不会对外部文件起作用，转移数据时需要单独处理。

System Catalogs

除了数据本身，DBMS 还需要存储数据的元数据，即数据字典，它们包括：

Table, columns, indexes, views
Users, permissions
Internal statistics

几乎所有 DBMSs 都将这些元数据也存储在一个特定的数据库中，它们本身也会被存储为 table、tuple。根据 SQL-92 标准，你可以通过 INFORMATION_SCHEMA 数据库来查询这些数据库的元信息，但一般 DBMSs 都会提供更便捷的命令来查询这些信息，示例如下：

# sql92
SELECT *
  FROM INFORMATION_SCHEMA.TABLES
 WHERE table_catalog = '<db name>';
 
SELECT *
  FROM INFORMATION_SCHEMA.TABLES
 WHERE table_name = 'student';

# postgress
\d;
\d student; 

# mysql
SHOW TABLES;
DESCRIBE student;

# sqllite
.tables;
.schema student;

OLTP & OLAP

数据库的应用场景大体可以用两个维度来描述：操作复杂度和读写分布，如下图所示：
在这里插入图片描述

坐标轴左下角是 OLTP（On-line Transaction Processing），OLTP 场景包含简单的读写语句，且每个语句都只操作数据库中的一小部分数据，举例如下：

SELECT P.*, R.*
  FROM pages AS P
 INNER JOIN revisions AS R
    ON P.latest = R.revID
 WHERE P.pageID = ?;
 
UPDATE useracct
   SET lastLogin = NOW(),
       hostname = ?
 WHERE userID = ?
 
 INSERT INTO revisions
 VALUES (?,?...,?)

在坐标轴右上角是 OLAP（On-line Analytical Processing），OLAP 主要处理复杂的，需要检索大量数据并聚合的操作，举例如下：

SELECT COUNT(U.lastLogin)
       EXTRACT (month FROM U.lastLogin) AS month
  FROM useracct AS U
 WHERE U.hostname LIKE '%.gov'
 GROUP BY EXTRACT(month FROM U.lastLogin);

通常 OLAP 操作的就是 OLTP 应用搜集的数据

Data Storage Models

Relational Data Model 将数据的 attributes 组合成 tuple，将结构相似的 tuple 组合成 relation，但它并没有指定这些 relation 中的 tuple，以及 tuple 的 attributes 的存储方式。一个 tuple 的所有 attributes 并不需要都存储在同一个 page 中，它们的实际存储方式可以根据数据库应用场景优化，如 OLTP 和 OLAP。

目前常见的 Data Storage Models 包括：

行存储：N-ary Storage Model (NSM)
列存储：Decomposition Storage Model (DSM)

NSM

NSM 将一个 tuple 的所有 attributes 在 page 中连续地存储，这种存储方式非常适合 OLTP 场景，如下图所示：
在这里插入图片描述
DBMS 针对一些常用 attributes 建立 Index，如例子中的 userID，一个查询语句通过 Index 找到相应的 tuples，返回查询结果，流程如下：

但对于一个典型的 OLAP 查询，如下图所示：

尽管整个查询只涉及到 tuple 的 hostname 与 lastLogin 两个 attributes，但查询过程中仍然需要读取 tuple 的所有 attributes。