Структура современной СУБД на примере Microsoft SQL Server 2008

10.3. Архитектура базы данных. Физический уровень

Физический уровень это представление данных в памяти ЭВМ. Как уже отмечалось в "Физические модели данных (внутренний уровень)" основными понятиями, используемыми для представления структуры хранения (физического уровня) являются понятия файла (физического) и единицы обмена между внешней и оперативной памятью (физической записи или страницы). Рассмотрим, как представлены соответствующие понятия в СУБД Microsoft SQL Server 2008 (http://msdn.microsoft.com).

Файлы и файловые группы

На физическом уровне база данных в Microsoft SQL Server 2008 представляется набором файлов операционной системы. Данные и сведения журналов транзакций всегда размещаются в разных файлах. Отдельные файлы используются только одной базой данных. Файловые группы представляют собой именованные коллекции файлов и используются для упрощения размещения данных и выполнения задач администрирования, например резервного копирования и восстановления.

Базы данных SQL Server содержат файлы трех типов:

• Первичные файлы данных.

  Первичный файл данных является отправной точкой базы данных. Он указывает на остальные файлы базы данных. В каждой базе данных имеется один первичный файл данных. Для имени первичного файла данных рекомендуется использовать расширение MDF.
• Вторичные файлы данных.

  Ко вторичным файлам данных относятся все файлы данных, за исключением первичного файла данных. Базы данных могут вообще не содержать вторичных файлов данных, или содержать один или несколько вторичных файлов данных. Для имени вторичного файла данных рекомендуется использовать расширение NDF.
• Файлы журналов.

  Файлы журналов содержат все сведения журналов, используемые для восстановления базы данных. В каждой базе данных должен быть по меньшей мере один файл журнала, но их может быть и больше. Для имен файлов журналов рекомендуется использовать расширение MDF, NDF и LDF. Однако эти расширения помогают пользователю идентифицировать различные виды файлов и правильно их использовать.

В SQL Server расположение всех файлов базы данных записывается в первичный файл базы данных и в специальную служебную структуру СУБД SQL Server, называемую базой данных master. В большинстве случаев при работе с базой данных компонент СУБД (SQL Server Database Engine) использует сведения о размещении файлов, хранимые в базе данных master. Однако в некоторых случаях (например, при восстановлении базы данных master из копии, при определенным образом проводимом присоединении базы данных) компонент Database Engine использует сведения о расположении файлов из первичного файла, чтобы инициализировать записи о расположении файлов в базе данных master.

Файлы SQL Server имеют два имени:

• logical_file_name — имя, используемое для ссылки на физический файл во всех инструкциях Transact-SQL. Логическое имя файла должно соответствовать правилам для идентификаторов SQL Server и быть уникальным среди логических имен файлов в соответствующей базе данных.
• os_file_name — это имя физического файла, включая путь к каталогу. Оно должно соответствовать правилам для имен файлов операционной системы.

Изначально можно указать максимальный размер каждого файла. Если максимальный размер файла не указан, файлы SQL Server могут автоматически увеличиваться в размерах, превосходя первоначально заданные показатели, пока не займут все доступное место на диске. При определении файла пользователь может указывать требуемый шаг роста. Каждый раз при заполнении файла его размер увеличивается на указанный шаг роста. Если в файловой группе имеется несколько файлов, их автоматический рост начинается лишь по заполнении всех файлов. Затем файлы увеличиваются в размерах по кольцевому списку. Эта функция особенно полезна в случаях, когда SQL Server используется в качестве базы данных, внедренной в приложение, где пользователь не имеет удобного доступа к системному администратору. По мере необходимости пользователь может предоставить файлам возможность увеличиваться в размерах автоматически, тем самым снимая с администратора часть забот по наблюдению за свободным пространством базы данных и по распределению дополнительного пространства вручную.

Из объектов баз данных и файлов можно формировать файловые группы, используемые для решения задач распределения и административного управления. Файлы журналов не могут входить в состав файловых групп. Управление пространством журнала отделено от управления пространством данных. Файл не может входить в состав нескольких файловых групп. Таблицы, индексы и данные больших объектов могут быть ассоциированы с указанной файловой группой. В этом случае все их страницы будут размещены внутри файловой группы; либо таблицы и индексы могут быть секционированы. Данные секционированных таблиц и индексов разделяются на блоки, каждый из которых может быть помещен в отдельную файловую группу базы данных. В каждой базе данных одна файловая группа назначается файловой группой по умолчанию. Если при создании таблицы или индекса файловая группа не указывается, предполагается, что все страницы будут распределяться из файловой группы по умолчанию. В каждый момент времени лишь одна файловая группа может быть файловой группой по умолчанию.

Страницы и экстенты

Основной единицей хранилища данных и обмена информацией между внешней и оперативной памятью в SQL Server является страница. Место на диске, предоставляемое для размещения файла данных (MDF- или NDF-файл) в базе данных, логически разделяется на страницы с непрерывным перечислением от 0 до n. Дисковые операции ввода-вывода выполняются на уровне страницы. А именно, SQL Server считывает или записывает целые страницы данных. В SQL Server размер страницы составляет 8 КБ. Это значит, что в одном мегабайте базы данных SQL Server содержится 128 страниц. Каждая страница начинается с 96-байтового заголовка, который используется для хранения системных данных о странице. Эти данные включают номер страницы, тип страницы, объем свободного места на странице и идентификатор единицы распределения объекта, которому принадлежит страница. В файлах данных базы данных SQL Server используется 8 типов страниц (данные с типами данных небольших размеров, данные с типами данных больших размеров, записи индекса, сведения о размещении экстентов, сведения о размещении страниц и доступном на них свободном месте и т. д.).

Для эффективного управления памятью страницы объединяются в экстенты , которые являются основными единицами организации пространства.

Экстент — это коллекция, состоящая из восьми физически непрерывных страниц или 64 Кб; они используются для эффективного управления страницами. Все страницы хранятся в экстентах. Таким образом, в одном мегабайте базы данных SQL Server содержится 16 экстентов.

Чтобы сделать распределение места эффективным, SQL Server не выделяет целые экстенты для таблиц с небольшим объемом данных. SQL Server имеет два типа экстентов:

• Однородные экстенты принадлежат одному объекту (определенной таблице, индексу и т. д.); все восемь страниц могут быть использованы только этим владеющим объектом.
• Смешанные экстенты могут находиться в общем пользовании у не более восьми объектов. Каждая из восьми страниц в экстенте может находиться во владении разных объектов.

Новая таблица или индекс — это обычно страницы, выделенные из смешанных экстентов. При увеличении размера таблицы или индекса до восьми страниц эти таблица или индекс переходят на использование однородных экстентов для последовательных единиц распределения. При создании индекса для существующей таблицы, в которой содержится достаточно строк, чтобы сформировать восемь страниц в индексе, все единицы распределения для индекса находятся в однородных экстентах. Пример размещения объектов в смешанном и однородном экстентах приводится на рис. 10.2.

Рис. 10.2. Размещение объектов в смешанном и однородном экстентах

Страницы файлов данных

Страницы файлов данных SQL Server нумеруются последовательно; первая страница файла получает нулевой номер (0). Каждый файл базы данных имеет уникальный цифровой идентификатор. Чтобы уникальным образом определить страницу базы данных, необходимо использовать как идентификатор файла, так и номер этой страницы. На рис. 10.3. показаны номера страниц базы данных, содержащей первичный файл данных объемом в 4 МБ и вторичный файл данных объемом в 1 МБ.

Рис. 10.3. Пример нумерации страниц файлов базы данных

Первая страница каждого файла (страница с номером 0) — это страница заголовка файла; она содержит сведения об атрибутах данного файла. Страницы с номерами 1,2,3 будут описаны ниже.