數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)層(數(shù)據(jù)庫)

時(shí)間：2022-11-16 18:30:01 | 來源：信息時(shí)代

時(shí)間：2022-11-16 18:30:01 來源：信息時(shí)代

    數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)層 : DBMS中負(fù)責(zé)和計(jì)算機(jī)硬件或操作系統(tǒng)打交道的最底層,其功能是進(jìn)行存儲(chǔ)管理,亦即管理系統(tǒng)緩沖區(qū),管理外存和負(fù)責(zé)內(nèi)外存交換。它的下層接口有兩種情況,或以硬件設(shè)備作為基礎(chǔ),或以操作系統(tǒng)的存取原語作為基礎(chǔ)。它向上一層提供的則是存儲(chǔ)器接口,即系統(tǒng)緩沖區(qū)。系統(tǒng)緩沖區(qū)處于內(nèi)存,是由定長(zhǎng)頁面組成的邏輯線性地址空間,一切其他系統(tǒng)層或系統(tǒng)成分均立足于系統(tǒng)緩沖區(qū)之上,與實(shí)在的外存設(shè)備是互相隔離的。外存設(shè)備的變動(dòng)不會(huì)影響其他系統(tǒng)成分,從而提供了設(shè)備獨(dú)立性。作為內(nèi)存中承載數(shù)據(jù)處理的平臺(tái),由定長(zhǎng)的頁面組成系統(tǒng)緩沖區(qū)。
系統(tǒng)緩沖區(qū)的大小和定長(zhǎng)頁面的尺寸因各系統(tǒng)而異,不同的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),不同的操作系統(tǒng)和不同的硬件配置會(huì)有不同大小的系統(tǒng)緩沖區(qū)和不同尺寸的定長(zhǎng)頁面。一般頁面尺寸可能是8K byte,16K byte甚至是64K byte。
通常數(shù)據(jù)庫的規(guī)模都十分龐大,不易管理。一種常用的方法是將數(shù)據(jù)庫劃分成段(segment或area)。段是邏輯上互相關(guān)聯(lián)的地址空間,利用相對(duì)字節(jié)(byte)地址進(jìn)行直接編址,其編址起自段頭,終于段尾,不考慮段內(nèi)分頁的邊界。段作為存儲(chǔ)管理的單位可看作存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)關(guān)系的容器,包括所有被包含關(guān)系的描述信息,所有的元組和存取路徑都統(tǒng)一地由段進(jìn)行存儲(chǔ)、檢查和管理。應(yīng)注意關(guān)系只能屬于一個(gè)段,即不能跨段存儲(chǔ)。
數(shù)據(jù)庫分段的理由很多,摘要而言有:
(1)便于將數(shù)據(jù)庫劃分為聯(lián)機(jī)存儲(chǔ)和脫機(jī)存儲(chǔ)。
(2)便于動(dòng)態(tài)地分配不同類型的存儲(chǔ)。
(3)便于數(shù)據(jù)的物理恢復(fù)。
(4)便于有效地封鎖
(5)便于數(shù)據(jù)安全。
數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的存儲(chǔ)系統(tǒng)層涉及的對(duì)象有外存、系統(tǒng)緩沖區(qū)和內(nèi)存。數(shù)據(jù)庫(DB)由于規(guī)模龐大,一般不可能同時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)緩沖區(qū)(system buffer,SB),更不可能同時(shí)進(jìn)入內(nèi)存(memory,M)。設(shè)DB由D頁組成,SB由N頁組成,SB能取用的內(nèi)存數(shù)為M頁。一般總有D>>N>M。
當(dāng)發(fā)生一數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí),亦即請(qǐng)求存取DB的某個(gè)頁面時(shí),總是先查找SB,看該DB頁是否在SB中。如果在SB中則可繼續(xù)進(jìn)行處理; 若不在SB中就稱為發(fā)生了SB頁故障或SB缺頁(system buffer page faults,SBF)。這時(shí)就需由系統(tǒng)緩沖區(qū)管理程序(system buffer manager,SBM)將所請(qǐng)求的DB頁從DB取入SB中。
系統(tǒng)緩沖區(qū)(SB)是一個(gè)虛存,一般不可能全部處于內(nèi)存中。當(dāng)所請(qǐng)求的SB頁不在內(nèi)存中時(shí)就發(fā)生M頁故障或M缺頁(memory page faults,MF)。這時(shí)需由虛存管理程序(virtual memory manager,VMM)將所請(qǐng)求的SB頁調(diào)入內(nèi)存。調(diào)頁關(guān)系如圖1所示。

圖1 存儲(chǔ)空間的組織和映射

系統(tǒng)緩沖區(qū)管理程序(SBM)和虛存管理程序(VMM)在外存、虛存和內(nèi)存之間進(jìn)行調(diào)頁。在解決缺頁故障時(shí)需遵循一定的算法,稱為調(diào)頁算法或頁替換算法。常用的算法有FIFO法,即先進(jìn)先替換算法(first in first out,FIFO); LRU法,即最近最少使用法(least recently used,LRU); 以及隨機(jī)算法RAND(random)。以上算法的實(shí)現(xiàn)技術(shù)十分簡(jiǎn)單,明了,非常有效。
為了調(diào)頁,需首先確定所請(qǐng)求的DB頁是否在SB中,所請(qǐng)求的SB頁是否在內(nèi)存中,這就需要進(jìn)行查找。通常的查找算法有順序查找法、折半查找法和雜湊(Hash)查找法等。
前已提及,為了便于管理常將數(shù)據(jù)庫劃分為段S_k,k=1,2,…,n,段又由定長(zhǎng)的頁面組成,S_k＝{P_i|1≤i≤mk}。定長(zhǎng)頁面的長(zhǎng)度由具體的實(shí)現(xiàn)規(guī)定。將DB各段的頁面分配或映射到外存去可以有兩種方法。一種是由DBMS的存儲(chǔ)系統(tǒng)利用設(shè)備接口來進(jìn)行,自行實(shí)現(xiàn)外存管理和頁面存取。另一種方法是利用操作系統(tǒng)提供的現(xiàn)成的外存存取原語來實(shí)現(xiàn)對(duì)外存的映射和存取。對(duì)于后者,可以同具體的設(shè)備隔離開來,從而獲得設(shè)備獨(dú)立性和可移植性。當(dāng)將數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)向另一操作系統(tǒng)移植時(shí)只需將存儲(chǔ)管理系統(tǒng)的存取原語換成目標(biāo)操作系統(tǒng)的存取原語即可。但缺點(diǎn)是受現(xiàn)成操作系統(tǒng)各種特定規(guī)定的限制,缺乏靈活性,且操作系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的特殊需要的支持也嫌不足。對(duì)于前者即由DBMS的存儲(chǔ)系統(tǒng)自行實(shí)現(xiàn)外存管理和頁面存取就可以克服經(jīng)由操作系統(tǒng)的不足。
實(shí)現(xiàn)DB各段的頁面分配或映射到外存的存儲(chǔ)頁面上去有兩種方法,即直接法和間接法。直接法又可以細(xì)分為靜態(tài)連續(xù)分配和外存分區(qū)分配兩種。各方法有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),在簡(jiǎn)單、高效和動(dòng)態(tài)、靈活上進(jìn)行權(quán)衡,決定取舍。它們?cè)谝褜?shí)現(xiàn)的著名系統(tǒng)中均有良好的表現(xiàn)。
數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用要求數(shù)據(jù)庫必須安全可靠,如銀行的數(shù)據(jù)。但數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)發(fā)生故障又是不可避免的,因此為保證可靠就需要強(qiáng)有力的恢復(fù)機(jī)制。對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)而言,它是數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ),理應(yīng)有相應(yīng)的手段給予支持。著名的影子存儲(chǔ)方法(shadow memory)就是一種簡(jiǎn)明高效的支持恢復(fù)的存儲(chǔ)方法。