SQL Server 2008存儲結(jié)構(gòu)之GAM、SGAM介紹

當(dāng)我們創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)庫的時候，例如以缺省的方式CREATE DATABASE TESTDB，SQLServer自動幫我們創(chuàng)建好如下兩個數(shù)據(jù)庫文件。

這兩個數(shù)據(jù)文件是實(shí)實(shí)在在的操作系統(tǒng)文件，其中一個是叫行數(shù)據(jù)文件，用來存儲數(shù)據(jù)庫的各種對象，另外一個是日志文件，從來記錄數(shù)據(jù)變化的過程。

　　從邏輯角度而言，數(shù)據(jù)庫的最小存儲單位為頁即8kb。

　　數(shù)據(jù)庫被分成若干邏輯頁面(每個頁面8KB)，并且在每個文件中，所有頁面都被連續(xù)地從0到x編號，其中x是由文件的大小決定的。我們可以通過指定一個數(shù)據(jù)庫ID、一個文件ID、一個頁碼來引用任何一個數(shù)據(jù)頁。每個數(shù)據(jù)頁則用來存儲表和索引，以及相關(guān)的數(shù)據(jù)庫管理信息。

　　我們順著上面數(shù)據(jù)文件的路徑可以找到該文件，觀察一下新建的數(shù)據(jù)文件的大小為：

　　2.18 MB (2,293,760 字節(jié))=2,293,760b/8kb=280個頁面=35個區(qū)

　　數(shù)據(jù)庫進(jìn)行空間管理的最小單位為區(qū)(extents)。

　　一個區(qū)由8個邏輯上連續(xù)的頁面組成(64KB的空間)。為了能夠更有效地分配空間，SQL Server 2008不會為少量的數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)表分配整區(qū)的空間。SQL Server 2008有兩種類型的區(qū)。

　　統(tǒng)一類型的區(qū) 這些區(qū)為單個對象所有，區(qū)中所有的8個數(shù)據(jù)頁只能被所屬對象使用。

　　混合類型的區(qū) 這些區(qū)能為最多8個對象共享。

　　SQL Server為新的表或索引從混合類型的區(qū)中分配頁面。當(dāng)該表或索引增長到8個頁面時，以后所有的分配都使用統(tǒng)一類型的區(qū)。

　　當(dāng)一張表或一個索引需要更多的空間時，SQL Server需要找到能夠用來分配的空間。如果該表或索引整體仍然少于8個頁面，SQL Server必須找到能夠用來分配的混合類型區(qū)構(gòu)成的空間。如果表或索引有8個頁面或更大，SQL Server必須找到一個自由的統(tǒng)一類型的區(qū)。

　　SQL Server使用兩種特殊類型的頁面來記錄哪些區(qū)已經(jīng)被分配出去了，哪些類型(混合類型或統(tǒng)一類型)的區(qū)可供使用：

　　全局分配映射(Global Allocation Map，GAM)頁面 這些頁面記錄了哪些區(qū)已經(jīng)被分配并用作何種用途。一個GAM頁面在它所覆蓋空間里針對每一個區(qū)都有一個數(shù)據(jù)位。如果數(shù)據(jù)位為0，那么對應(yīng)的區(qū)正在使用;如果該數(shù)據(jù)位為1，那么該區(qū)為自由區(qū)。一個GAM頁面除了頁面頭部和其他一些需要記入的開銷大概有8 000字節(jié)或者說64 000位空間可用，所以每個GAM頁面可以覆蓋64 000個區(qū)，也就是大約4GB的數(shù)據(jù)。這意味著一個文件的每4GB空間對應(yīng)一個GAM頁面。

　　共享全局分配映射(Shared Global Allocation Map，SGAM)頁面 這些頁面記錄了哪些區(qū)當(dāng)前被用作混合類型的區(qū)，并且這些區(qū)需含有至少一個未使用的頁面。就像一個GAM頁面，每一個SGAM頁面覆蓋了大約64 000個區(qū)，也就是大約4GB的數(shù)據(jù)。一個SGAM頁面在它所覆蓋空間里針對每一個區(qū)都有一個數(shù)據(jù)位。如果數(shù)據(jù)位為1，那么對應(yīng)的被使用的區(qū)為混合類型，并且該區(qū)有一些自由頁面;如果數(shù)據(jù)位為0，那么對應(yīng)的區(qū)不是一個混合類型的區(qū)，或者雖然是一個混合類型的區(qū)，但是所有的頁面都已被使用了。

　　表4-2顯示了基于每一個區(qū)當(dāng)前的使用情況，在GAM和SGAM中該區(qū)所對應(yīng)的比特位模式。

　　如果SQL Server需要找到一個新的完全沒有使用的區(qū)，那么它可以使用任何一個在GAM頁面中對應(yīng)的比特位值為1的區(qū)。如果SQL Server需要找到一個有著可用空間(有一個或多個自由頁面)的混合類型的區(qū)，那么它可以尋找一個對應(yīng)的GAM中的值為0、SGAM中的值為1的區(qū)。如果不存在有可用空間的混合類型的區(qū)，SQL Server會使用GAM頁面來尋找一個全新的區(qū)并將其分配為混合類型的區(qū)，然后使用該區(qū)中的一頁。如果根本沒有自由區(qū)，那么這個文件已經(jīng)滿了。

　　SQL Server能夠迅速地鎖定一個文件中的GAM頁面，因?yàn)樗偸俏挥谌魏螖?shù)據(jù)庫文件的第三頁上(頁碼為2)。SGAM頁面是在第四頁上(頁碼為3)。下一個GAM頁面出現(xiàn)在第一個GAM頁面(頁碼為2)以后的每511 230個頁面中，并且下一個SGAM頁面出現(xiàn)在第一個SGAM頁面(頁碼為3)以后的每511 230個頁面中。每一個數(shù)據(jù)庫文件的頁碼為0的頁面是文件頭頁面，并且每個文件僅有一頁。頁碼0是頭文件頁，頁碼1是頁面自由空間頁(Page Free Space，PFS)。

　　在SQLServer2008的每一個數(shù)據(jù)庫中的前八頁順序都是固定的。

　　除了第9頁為數(shù)據(jù)庫的BOOT頁以外，從第8頁到第173頁為SQLServer2008內(nèi)部系統(tǒng)表的相關(guān)存儲信息，然后從第174頁到第279頁為未分配頁面。因?yàn)榈谝豁搹?開始，所以剛好280頁，即和我們看到的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)文件的大小完全相等。

　　以下截圖是通過SQLServer2008的Internals Viewer插件看到的整體頁面結(jié)構(gòu)，該插件是從http://www.SQLInernalsViewer.com網(wǎng)站下載的，分為不同的.net版本。

　　備注：TESTDB為新創(chuàng)建的空數(shù)據(jù)庫，沒有任何用戶自定義對象，直到有建表腳本為止;


關(guān)于數(shù)據(jù)庫頁類型如下所示：

　　實(shí)際上SQLServer還包括一些未公開的頁面類型，例如type 19，type 14等等。

　　本章我們主要介紹GAM頁和SGAM頁，其他頁面類型會稍后介紹。

　　那么如何查看頁面信息呢，從SQLServer2000起便開始提供了一個讀取數(shù)據(jù)頁結(jié)構(gòu)的命令DBCC Page。該命令為非文檔化的命令，具體如下：

　　DBCC Page ({dbid|dbname},filenum,pagenum[,printopt])

　　具體參數(shù)描述如下：

　　dbid               包含頁面的數(shù)據(jù)庫ID

　　dbname       包含頁面的數(shù)據(jù)庫的名稱

　　filenum         包含頁面的文件編號

　　pagenum      文件內(nèi)的頁面

　　printopt            可選的輸出選項(xiàng);選用其中一個值：

　　                          0:默認(rèn)值，輸出緩沖區(qū)的標(biāo)題和頁面標(biāo)題

　　                         1:輸出緩沖區(qū)的標(biāo)題、頁面標(biāo)題(分別輸出每一行)，以及行偏移量表

　　                         2:輸出緩沖區(qū)的標(biāo)題、頁面標(biāo)題(整體輸出頁面)，以及行偏移量表

　　                         3:輸出緩沖區(qū)的標(biāo)題、頁面標(biāo)題(分別輸出每一行)，以及行偏移量表;每一行后跟分別列出的它的列值

　　如果要想看到這些輸出的結(jié)果，還需要設(shè)置DBCC TRACEON(3604)。

　　如前文所述，GAM頁一定存在于該數(shù)據(jù)庫的第二個頁面，SGAM頁則一定存在于該數(shù)據(jù)庫的第三個頁面;而每一個數(shù)據(jù)庫都會存在文件編號為1的數(shù)據(jù)庫文件，所以我們執(zhí)行以下命令即可。

　　讓我們首先從GAM頁開始看起：

　　BUFFER部分：

　　顯示給定頁面的緩沖信息，是內(nèi)存中的結(jié)構(gòu)，用于管理頁面，該信息僅當(dāng)該頁面處于內(nèi)存時才有意義。關(guān)于這個部分我們知之甚少，基本上無法找到相關(guān)材料。

　　PAGE HEADER部分：
PAGE HEADER部分顯示的是該頁面上的所有報頭字段的數(shù)據(jù)

PAGE HEADER這部分內(nèi)容只有通過DBCC PAGE(TESTDB,1,2,2)即整體輸出頁面才能夠展現(xiàn);通過與上面表格的對照，我們勉強(qiáng)能識別一些相關(guān)存儲信息;當(dāng)這部分缺乏官方文檔的支持，為了避免無謂的猜測，所以暫時就不做深入探討了。

DATA 部分

DATA部分一般分為若干插槽號(Slot)，如果是數(shù)據(jù)頁或索引頁的話，可以理解為一行記錄，SQLServer通過文件號+頁面號+插槽號用來唯一標(biāo)識表中的每一條記錄。但在GAM頁中我們可以把Slot 0理解為GAM頁的保留頁，共計94個字節(jié)。

　　從第194個字節(jié)開始(頁面總是從第0個字節(jié)開始的)，到第196個字節(jié)，這三個字節(jié)代表已分配的分區(qū)的情況。即0000C0。

　　我們再來看一下DBCC PAGE(TESTDB,1,2,3)的執(zhí)行結(jié)果。

上面顯示從第1頁到第168頁已分配，而第176頁到272頁未分配，和DBCC PAGE(TESTDB,1,2,2)顯示的194個頁面似乎有些矛盾，實(shí)際上是不矛盾的。如前文所述，GAM對未使用的分區(qū)標(biāo)識為0，而對已分配的分區(qū)標(biāo)識為1
　　1個分區(qū)=64頁，因?yàn)榍?28個頁面均已分配，所以前兩個字節(jié)為00 00
　　從第128個頁面起到第175個頁面也均已分配，實(shí)際上為6個區(qū)為0也就是說連續(xù)6個bit為0，一個字節(jié)為8個bit，最后兩個bit為11，所以該字節(jié)為0000 0011，在此需要反轉(zhuǎn)一下相關(guān)二進(jìn)制位;反轉(zhuǎn)之后為1100 0000即為C0。
　　最后讓我們用Internals Viewer插件看一下GAM頁的全貌吧。



SGAM頁面

PAGE: (1:3)

BUFFER:
BUF @0x0358A7F4
bpage = 0x062AE000 bhash = 0x00000000 bpageno = (1:3)
bdbid = 8 breferences = 3 bUse1 = 14428
bstat = 0xc00009 blog = 0x21212159 bnext = 0x00000000

PAGE HEADER:
Page @0x062AE000
m_pageId = (1:3) m_headerVersion = 1 m_type = 9
m_typeFlagBits = 0x0 m_level = 0 m_flagBits = 0x200
m_objId (AllocUnitId.idObj)=99 m_indexId (AllocUnitId.idInd)=0 Metadata: AllocUnitId=6488064
Metadata: PartitionId = 0 Metadata: IndexId = 0 Metadata: ObjectId = 99
m_prevPage = (0:0) m_nextPage = (0:0) pminlen = 90
m_slotCnt = 2 m_freeCnt = 6 m_freeData = 8182
m_reservedCnt = 0 m_lsn = (18:435:5) m_xactReserved = 0
m_xdesId = (0:0) m_ghostRecCnt = 0 m_tornBits = 177043542
Allocation Status
GAM (1:2)=ALLOCATED SGAM (1:3)=NOT ALLOCATED PFS(1:1)=0x44 ALLOCATED 100_PCT_FULL
DIFF (1:6) = CHANGED ML (1:7) = NOT MIN_LOGGED

DATA:
Slot 0, Offset 0x60, Length 94, DumpStyle BYTE
Record Type = PRIMARY_RECORD Record Attributes =
Memory Dump @0x4F32C060
00000000: 00005e00 00000000 00000000 00000000 ?..^.............
00000010: 00000000 00000000 00000000 00000000 ?................
00000020: 00000000 00000000 00000000 00000000 ?................
00000030: 00000000 00000000 00000000 00000000 ?................
00000040: 00000000 00000000 00000000 00000000 ?................
00000050: 00000000 00000000 00000000 0000??????..............

Slot 1, Offset 0xbe, Length 7992, DumpStyle BYTE
Record Type = PRIMARY_RECORD Record Attributes =
Memory Dump @0x4F32C0BE
00000000: 0000381f 20ee2000 00000000 00000000 ?..8. . .........
00000010: 00000000 00000000 00000000 00000000 ?................
00001F30: 00000000 00000000 ???????????????????........

　　以下為DBCC PAGE(TESTDB,1,3,3)得到的相關(guān)信息，有興趣的可以和20ee20做一下對比。

(1:0) - (1:32) = NOT ALLOCATED
(1:40) - = ALLOCATED
(1:48) - (1:64) = NOT ALLOCATED
(1:72) - (1:88) = ALLOCATED
(1:96) - = NOT ALLOCATED
(1:104) - (1:120) = ALLOCATED
(1:128) - (1:160) = NOT ALLOCATED
(1:168) - = ALLOCATED
(1:176) - (1:272) = NOT ALLOCATED

　　最后讓我們用Internals Viewer插件看一下SGAM頁的全貌吧。



總結(jié)一下，關(guān)于GAM和SGAM頁比較困難的地方：

　　1、 關(guān)于GAM和SGAM頁中的BUFFER信息基本無法理解，也找不到相關(guān)材料。

　　2、 PAGE HEADER的部分信息和Slot 0中的一部分信息，也無法找到相關(guān)材料。

　　3、 SGAM頁中的NOT ALLOCATED實(shí)際上是統(tǒng)一類型區(qū)或者已使用完的混合類型的區(qū)，而ALLOCATED實(shí)際上為含有自由頁面的混合區(qū)。

　　4、 GAM頁中0代表已分配，1代表自由區(qū);和一般的標(biāo)志位的含義剛好相反。

　　5、 GAM和SGAM實(shí)際上只分配了280個頁面，即35個區(qū);顯示出來的數(shù)據(jù)內(nèi)容雖然很多，但后面的分區(qū)信息實(shí)際上是不存在的。

　　6、 GAM和SGAM通過DBCC的printopt為3的屬性顯示出來的頁面分配信息看似是斷號的。

　　7、 GAM和SGAM的區(qū)信息的字節(jié)是通過二級制反轉(zhuǎn)得到的。

　　GAM和SGAM頁的總的大小為8192個字節(jié);文件頭為96個字節(jié)，slot 0為94個字節(jié)，slot 1的頭部的系統(tǒng)信息為4個字節(jié)，尾部的系統(tǒng)信息為10個字節(jié)，所以有效存儲應(yīng)為7988個字節(jié)，63904個區(qū)，511230個頁;事實(shí)上當(dāng)數(shù)據(jù)文件超過約4G的時候，我們將能在第511232頁、 第511233頁分別找到其對應(yīng)的GAM、SGAM頁面。