人人都是 DBA（VIII）SQL Server 页存储结构

原文:

当在 SQL Server 数据库中创建一张表时，会在多张系统基础表中插入所创建表的信息，用于管理该表。通过目录视图 sys.tables, sys.columns, sys.indexes 可以查看新建的表的元数据信息。

下面使用创建 Customer 表的过程作为示例。

USE [TEST]
GO

DROP TABLE [dbo].[Customer]
GO

CREATE TABLE [dbo].[Customer](
    [ID] [int] NOT NULL,
    [Name] [varchar](50) NOT NULL,
    [Address] [varchar](100) NULL,
    [Phone] [varchar](100) NULL
) 
GO

select * from sys.tables where [name] = ‘Customer‘;
select * from sys.columns where object_id = (select object_id from sys.tables where [name] = ‘Customer‘);
select * from sys.indexes where object_id = (select object_id from sys.tables where [name] = ‘Customer‘);

如果一张表没有聚集索引（Clustered Index），则数据本身没有结构，这样的表称为堆（Heap）。sys.indexes 中堆的 index_id 为 0，可以看到 Customer 表没有建立任何索引，所以 index_id 为 0，并且 type_desc 为 HEAP。

堆中的数据没有任何结构，当有新的数据行插入时，SQL Server 会寻找空闲的可用空间直接插入。存储数据的数据页之间也没有连接关系，不会形成一个链表。

如果为表建立上非聚集索引（Non-Clustered Index），则 index_id 从 2 开始增长。1 的位置始终留给聚集索引（Clustered Index）。 

CREATE NONCLUSTERED INDEX [IX_Customer_Name] ON [dbo].[Customer] ([Name]);

ALTER TABLE [dbo].[Customer] ADD CONSTRAINT [PK_Customer] PRIMARY KEY CLUSTERED ([ID]);

SQL Server 在构成 Primary Key 约束的列上创建一个唯一索引，如果不明确指定，则默认该索引类型是唯一聚集索引。建立 Primary Key 后，可以在 sys.key_constraints 视图中查看主键信息。

select * from sys.check_constraints
select * from sys.default_constraints
select * from sys.key_constraints
select * from sys.foreign_keys

当为表建立聚集索引后，表内的数据会重构成树状结构，也就是使用 B 树形式进行存储。

SQL Server 数据库的每张表和索引都可以存储在多个分区上，sys.partitions 视图为堆或索引的每个分区包含一行数据。每个堆或索引都至少有一个分区，即使没有专门进行分区。

select * from sys.partitions where object_id = (select object_id from sys.tables where [name] = ‘Customer‘);

SQL Server 用于描述某个分区上某张表或索引子集的术语是 hobt，代表 Heap Or B-Tree，即堆或 B 树，发音读作 "hobbit"。所以上图中可以看到存在一列为 hobt_id，使得 partition_id 和 hobt_id 形成 一对一的关系，实际上这两列总是具有相同的值。

分区上可以存储 3 种类型的数据页：

• 行内数据页（In-Row Data Pages）
• 行溢出页（Row-Overflow Data Pages）
• LOB 数据页（LOB Data Pages）

一个分区下的一种数据页类型的一组页面称为分配单元（Allocation Unit），可以使用 sys.allocation_units 视图来查看。

SELECT object_name(object_id) AS [name]
    ,partition_id
    ,partition_number AS pnum
    ,rows
    ,allocation_unit_id AS au_id
    ,type_desc AS page_type_desc
    ,total_pages AS pages
FROM sys.partitions p
JOIN sys.allocation_units a ON p.partition_id = a.container_id
WHERE object_id = OBJECT_ID(‘dbo.Customer‘);

如果行的长度超过了最大值 8060 字节，那么行的数据会被存放到行溢出页中。如果行中存在 LOB 类型的字段，则会使用 LOB 数据页存储。

ALTER TABLE [dbo].[Customer] ADD [OrderDescription] varchar(8000);
ALTER TABLE [dbo].[Customer] ADD [OrderDetails] text;

对表添加聚集索引不会修改 sys.allocation_units 中的行数，但会修改 partition_id，因为创建聚集索引会导致表在系统内重建。添加非聚集索引则会至少添加一行记录以跟踪该索引。

ALTER TABLE [dbo].[Customer] ADD CONSTRAINT [PK_Customer] PRIMARY KEY CLUSTERED ([ID]);
CREATE NONCLUSTERED INDEX [IX_Customer_Name] ON [dbo].[Customer] ([Name]);

SELECT convert(CHAR(8), object_name(i.object_id)) AS table_name
    ,i.NAME AS index_name
    ,i.index_id
    ,i.type_desc AS index_type
    ,partition_id
    ,partition_number AS pnum
    ,rows
    ,allocation_unit_id AS au_id
    ,a.type_desc AS page_type_desc
    ,total_pages AS pages
FROM sys.indexes i
JOIN sys.partitions p ON i.object_id = p.object_id
    AND i.index_id = p.index_id
JOIN sys.allocation_units a ON p.partition_id = a.container_id
WHERE i.object_id = object_id(‘dbo.Customer‘);

可以通过 DMV 视图查询索引状况。

SELECT *
FROM sys.dm_db_index_physical_stats(DB_ID(‘TEST‘), OBJECT_ID(N‘dbo.Customer‘), NULL, NULL, ‘DETAILED‘);

SQL Server 中的数据页具有 8KB（8192 Bytes）的固定长度，每个数据页由 3 部分组成：

• 页头（Page Header）占了 96 字节长度。向 Customer 表插入条数据看看。

  INSERT INTO [dbo].[Customer] (
      [ID]
      ,[Name]
      ,[Address]
      ,[Phone]
      )
  VALUES (
      1
      ,‘Dennis Gao‘
      ,‘Beijing Haidian‘
      ,‘18866667777‘
      )
  GO

  使用 sys.fn_dblog 查询事务日志，获取新插入的 Page 相关信息。

  SELECT [Current LSN]
      ,[Operation]
      ,[Context]
      ,[Transaction ID]
      ,[Log Record Length]
      ,[Previous LSN]
      ,[AllocUnitId]
      ,[AllocUnitName]
      ,[Page ID]
      ,[Slot ID]
      ,[Xact ID]
  FROM sys.fn_dblog(NULL, NULL)

  

  发现 LOP_INSERT_ROWS 操作对应的 Page ID 为 0001:0000008e，翻译成 10 进制为 1:142。也就是文件号为 1，页编号为 142。实际上，每个页都会通过一个 6 Bytes 的值来表示，其中包含 2 Bytes 的文件 ID 和 4 Bytes 的页编号。

  由于我们只插入了 1 条数据，可以使用 sys.system_internals_allocation_units 目录视图来查看首页地址。以 sys.system_internals_ 开头的目录视图是还未公开的目录视图。sys.system_internals_allocation_units 比 sys.allocation_units 视图多 3 个字段：first_page, root_page, first_iam_page。

  SELECT object_name(object_id) AS [name]
      ,rows
      ,type_desc AS page_type_desc
      ,total_pages AS pages
      ,first_page
      ,root_page
      ,first_iam_page
  FROM sys.partitions p
  JOIN sys.system_internals_allocation_units a ON p.partition_id = a.container_id
  WHERE object_id = object_id(‘dbo.Customer‘);

  

  这里的 first_page = 0x8E0000000100 十六进制结果可以翻译为 00 01 共 2 字节的文件号，和 00 00 00 8E 共 4 字节的页编号。与上面的 0001:0000008e 正好匹配。

  不过，这么计算基本上乐趣全无了，可以使用如下的 SQL 进行直接翻译。

  DECLARE @page_num BINARY (6) = 0x8E0000000100;
  
  SELECT (convert(VARCHAR(2), (
          convert(INT, substring(@page_num, 6, 1)) * power(2, 8)) 
          + (convert(INT, substring(@page_num, 5, 1)))) 
      + ‘:‘ 
      + convert(VARCHAR(11), (
          convert(INT, substring(@page_num, 4, 1)) * power(2, 24)) 
          + (convert(INT, substring(@page_num, 3, 1)) * power(2, 16)) 
          + (convert(INT, substring(@page_num, 2, 1)) * power(2, 8)) 
          + (convert(INT, substring(@page_num, 1, 1))
          ))) AS page_number;

  

  另一种确认页编号的方式是使用 DBCC IND 命令，用于查找表中的所有的页。

  DBCC IND([TEST], ‘dbo.Customer‘, -1)  
  GO

  

  实际上，还有一种查询页编号的方式是使用内部函数 sys.fn_PhysLocFormatter，不过很遗憾，这个函数的返回结果存在问题，不准确。

  SELECT %%physloc%%, sys.fn_PhysLocFormatter (%%physloc%%) AS RID, * FROM dbo.Customer;

  DBCC TRACEON(3604, -1)
  GO
  
  DBCC PAGE([TEST], 1, 142, 1)  
  GO

  DBCC PAGE 的输出结果分成 4 个部分：BUFFER，PAGE HEADER，DATA，OFFSET TABLE。

  • BUFFER 部分显示给定页面的缓冲区信息。
  • PAGE HEADER 部分显示 Page 页头信息。
  • DATA 部分显示 Page 中存放的记录信息。
  • OFFSET TABLE 部分显示行偏移数组信息。 

  PAGE: (1:142)
  
  
  BUFFER:
  
  
  BUF @0x000000027D0048C0
  
  bpage = 0x0000000272292000          bhash = 0x0000000000000000          bpageno = (1:142)
  bdbid = 7                           breferences = 0                     bcputicks = 0
  bsampleCount = 0                    bUse1 = 17332                       bstat = 0x10b
  blog = 0x15acc                      bnext = 0x0000000000000000          
  
  PAGE HEADER:
  
  
  Page @0x0000000272292000
  
  m_pageId = (1:142)                  m_headerVersion = 1                 m_type = 1
  m_typeFlagBits = 0x0                m_level = 0                         m_flagBits = 0x8000
  m_objId (AllocUnitId.idObj) = 110   m_indexId (AllocUnitId.idInd) = 256 
  Metadata: AllocUnitId = 72057594045136896                                
  Metadata: PartitionId = 72057594040287232                                Metadata: IndexId = 0
  Metadata: ObjectId = 1045578763     m_prevPage = (0:0)                  m_nextPage = (0:0)
  pminlen = 8                         m_slotCnt = 1                       m_freeCnt = 8039
  m_freeData = 151                    m_reservedCnt = 0                   m_lsn = (34:369:91)
  m_xactReserved = 0                  m_xdesId = (0:0)                    m_ghostRecCnt = 0
  m_tornBits = 0                      DB Frag ID = 1                      
  
  Allocation Status
  
  GAM (1:2) = ALLOCATED               SGAM (1:3) = ALLOCATED              
  PFS (1:1) = 0x61 MIXED_EXT ALLOCATED  50_PCT_FULL                        DIFF (1:6) = CHANGED
  ML (1:7) = NOT MIN_LOGGED           
  
  DATA:
  
  
  Slot 0, Offset 0x60, Length 55, DumpStyle BYTE
  
  Record Type = PRIMARY_RECORD        Record Attributes =  NULL_BITMAP VARIABLE_COLUMNS
  Record Size = 55                    
  Memory Dump @0x000000000B7DA060
  
  0000000000000000:   30000800 01000000 04000003 001d002c 00370044  0..............,.7.D
  0000000000000014:   656e6e69 73204761 6f426569 6a696e67 20486169  ennis GaoBeijing Hai
  0000000000000028:   6469616e 31383836 36363637 373737             dian18866667777
  
  OFFSET TABLE:
  
  Row - Offset                        
  0 (0x0) - 96 (0x60)  

  我们发现 m_objId 和 m_indexId 两个字段的值没有在之前的查询中出现过：

  • m_objId (AllocUnitId.idObj) = 110 
  • m_indexId (AllocUnitId.idInd) = 256 

  实际上这两个字段的值是计算出来的结果，计算规则：

  • 将 m_indexId 向左移 48 位，记录为值 A；
  • 将 m_objId 向左移 16 位，记录为值 B；
  • AllocUnitId = A|B；（逻辑或）

  例如，使用上面的页中的值，

  • A = 256 << 48 = 72057594037927936
  • B = 110 << 16 = 7208960
  • A|B = 72057594045136896

  可以使用如下 SQL 进行计算。

  SELECT 256 * CONVERT(BIGINT, POWER(2.0, 48));
  SELECT 110 * CONVERT(BIGINT, POWER(2.0, 16));
  SELECT 256 * CONVERT(BIGINT, POWER(2.0, 48)) | 110 * CONVERT(BIGINT, POWER(2.0, 16));

  

  那么，反向根据 AllocUnitId 求 m_objId 和 m_indexId 的方式和上面的规则正好相反：

  • m_indexId = AllocUnitId >> 48
  • m_objId = (AllocUnitId - (m_indexId << 48)) >> 16

  可以使用下面的 SQL 语句进行计算。

  DECLARE @alloc BIGINT = 72057594045136896;
  DECLARE @index BIGINT;
  
  SELECT @index = CONVERT(BIGINT, CONVERT(FLOAT, @alloc) * (1 / POWER(2.0, 48))
      );
  
  SELECT CONVERT(BIGINT, CONVERT(FLOAT, @alloc - (@index * CONVERT(BIGINT, POWER(2.0, 48)))) * (1 / POWER(2.0, 16))
      ) AS [m_objId]
      ,@index AS [m_indexId];
  GO

  

  DBCC PAGE 输出的 OFFSET TABLE 部分是一块 2 字节的条目块，其中每个条目指向着行数据页的起始位置。也就是，每一行数据都有一个 2 字节的条目在行偏移数组中。行偏移数组指向着页内数据的逻辑顺序。例如，对于一个聚集索引的表，SQL Server 会按照聚集索引的键的顺序对数据进行存储，这并不是说物理顺序就是按照键的顺序排列，而是在行偏移数组中的 slot 0 存放索引的第 1 个数据引用，slot 1 存放第 2 个数据引用，以此类推。这样，物理上数据就可以存放在任意位置了。

  对于数据行存储的结构，可以用下图所示，包括存储固定长度字段数据和变长字段数据。

  

  可以与 DBCC PAGE 输出的 DATA 数据段落进行数据对比分析，具体的内容较为复杂，这里就不详细展开了。

  Slot 0, Offset 0x60, Length 55, DumpStyle BYTE
  
  Record Type = PRIMARY_RECORD        Record Attributes =  NULL_BITMAP VARIABLE_COLUMNS
  Record Size = 55                    
  Memory Dump @0x000000000B1DA060
  
  0000000000000000:   30000800 01000000 04000003 001d002c 00370044  0..............,.7.D
  0000000000000014:   656e6e69 73204761 6f426569 6a696e67 20486169  ennis GaoBeijing Hai
  0000000000000028:   6469616e 31383836 36363637 373737             dian18866667777

  由于每页有固定的 8K 字节的大小。每一个数据页中都包含多条数据记录，一页中能存储多少条记录则直接依赖于记录本身的大小。由于时也是从磁道和柱面一次读取多个数据页，让后将数据页存放到内存缓冲区，所以如果每数据页可以存放更多的数据记录，则可以直接减少物理读的次数，而通过逻辑读来提高性能。

   

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