1、基本概念

1、内存数据库与磁盘数据库的特征比较

	内存数据库	磁盘数据库
存取时间	10−810^{-8}10−8s 量级	10−310^{-3}10−3s 量级
数据存储	不需要连续存储	连续存储
缓冲管理	不需要	需要
索引结构	哈希，AVL树，T树，B树	B树，B+树，Hash
并发控制	大粒度锁	细粒度锁加锁，解锁，死锁检测
查询优化	基于处理器代价以及 cache 代价	基于 I/O 代价

2、LRU： Least Recently Used，该算法的设计原则是，如果一个数据在最近一段时间没有被访问到，那么在将来它被访问的可能性也很小，也就是说，当限定的空间已经存满数据时，应当把最久没有被访问到的数据淘汰。

2、文件组织

一个数据库被映射到多个不同的文件，这些文件由底层的操作系统来维护。文件在逻辑上是数据记录的集合，文件的结构取决于所属的文件系统。

块（block） 是数据在文件中存储和读取的基本单元，其大小固定，大多数数据库默认使用 4~8KB 的块大小，在创建数据库实例时，有些数据库允许指定块的大小，要根据数据的特征来决定多个的块更合理。

一个块可能包含多条记录，对于大数据，比如图片，视频等，比块要大得多，需要单独存储，并在记录中保存指向大数据的指针。

每条记录都存储在相同的块中，不能一部分在 A 块中，另一部分在 B 块中，这样的设计能简化并加速数据访问。

关系型数据库中，不同表的记录通常具有不同的大小，这时数据库可以选择映射到多个文件中，同一文件中只存储固定长度的记录；也可以构建特殊的文件，支持容纳不定长度的记录。很显然，后者实现起来更复杂。

2.1 定长记录

定长记录占用固定大小的存储空间，管理上比较简单，有两点需要注意：

单条记录不能跨 块 存储，一个块上只能存储整数个记录；
文件中的记录是连续存储的，在删除记录后，需要对剩余的记录进行整理，不然会出现大量零碎的空闲空间。

记录整理大体有两个方向：

移动填充： 当删除记录时，移动剩余的记录，使存储保持连续；可以把后续的记录往前移，使文件中存储的记录依然保持连续；也可以把最后一个移过来，填充删除的记录所在的位置。
空闲列表： 在文件头维护一个空闲列表，在删除记录时，将其所在的位置添加到空闲列表中，在下一个记录插入时再填充。

对定长记录文件的插入和删除是容易实现的，因为被删除记录留下的可用空间恰好是插入记录所需的空间。

2.2 变长记录

数据库文件中使用变长记录的场景：

多种记录类型在一个文件中存储；
允许一个或多个字段是变长的记录类型；
允许可重复字段的记录类型，例如数组或多重集合；

实现变长记录需要解决两个问题：

如何存取块中的记录：在块中如何存储变长记录，使得块中的记录可以轻松地抽取；
如何存取记录中的属性：如何描述一条记录，使得单个属性可以轻松地抽取；
.

1、下面是一条变长记录，它包含了四个部分；

空值位图用来表示记录中的按个属性是空值，0000 表示四个属性都不为空，0010 表示第三个属性的值为空。这里需要注意，空值位图之前的部分为记录的 定长部分，无论哪个属性为空，这个结构的大小从始至终都是不变的，当某个属性为空值时，只表明可以忽略其所对应的定长部分 对应的值。

也有一些设计中，空值位图存储在记录的开头，并且对空属性不存储数据（值或偏移量/长度），这种方式是典型的 时间换空间 设计，对于稀疏型记录比较有效。

2、分槽的页结构（slotted-page structure）一般用于在块中组织记录：

分槽页结构 是 变长记录 的存储管理技术中的一种，用于在块中组织记录。

每个块的开始处有一个块头，块头中包含的信息有：

块头中已经存储的记录的条目个数；
块中空闲空间的末尾地址；
条目数组，每个条目中存储了该条目所对应变长记录的大小和地址；

记录在块中是从后往前连续存储的，空闲空间 处于 块头 和 记录 之间，当插入新的记录时，记录的 (大小，位置) 对应的 entry 添加到块头的末尾，记录本身的值添加空闲空间的末尾。

2.3 文件中记录的组织

文件中记录组织的几种方式：

堆文件组织（heap file organization）：一条记录可以放在文件中的任何地方，只要那个地方有空间存放这条记录，记录是没有顺序的，通常每个关系使用一个单独的文件。
顺序文件组织（sequential file organization）：记录根据其 search key 的值顺序存储。
散列文件组织（hashing file organization）：在每条记录的某些属性上计算一个散列函数，散列的结果确定了记录应放到文件的哪个块中。

通常，每个关系的记录用一个单独的文件存储，但是在多表聚簇文件组织（multitable clustering file organization）中，几个不同关系的记录存储在同一个文件中，而且，不同关系的相关记录存储在相同的块中，这样一个 I/O 操作可以从所有关系中取到相关的记录。

3 缓冲区

缓冲区替换策略（buffer replacement strategy）：当缓冲区中没有剩余空间时，在新块读入缓冲区之前，必须把一个块从缓冲区中移出，多数操作系统使用 LRU 策略；
被钉住的块（pinned block）：为了使数据库系统能够从系统崩溃中恢复，限制一个块写回磁盘的时间是十分必要的。
块的强制写出（forced output of block）:

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