《数据库的存储结构》课件

数据库的存储结构课程概述课程目标主要内容12理解数据库存储结构的基本概数据库存储结构基础、文件组念和原理，掌握常见的文件组织方式、索引结构、数据压织方式和索引结构，熟悉数据缩、缓冲区管理、事务处理与压缩技术和缓冲区管理策略，恢复、并发控制、查询处理与了解事务处理和并发控制机优化、分布式数据库存储、新制，掌握查询处理和优化的方型数据库存储技术以及数据库法，以及熟悉分布式数据库存存储性能优化储和新型数据库存储技术学习要求第一部分数据库存储结构基础本部分将介绍数据库存储结构的基础知识，包括数据库文件组织、存储管理器的作用、页面结构、页面大小以及记录格式我们将从文件系统与数据库系统的区别入手，深入了解数据库文件的特点，并详细介绍存储管理器在文件划分、页面管理和空间分配方面的作用此外，还将探讨页面结构、页面大小对数据库性能的影响，以及定长记录和变长记录的格式数据库文件组织文件系统数据库系统数据库文件的特点vs文件系统是一种操作系统提供的用于管理计算机存储设备上的文数据库文件具有结构化、持久化、共享性和安全性等特点结构件的方法数据库系统则是一种专门用于管理和存储结构化数据化指的是数据库文件中的数据按照预定义的模式进行组织，便于的系统，它提供了更高级的数据管理功能，如事务处理、并发控查询和管理持久化指的是数据库文件中的数据可以长期保存，制和数据完整性约束数据库系统通常构建在文件系统之上，但即使系统重启也不会丢失共享性指的是多个用户可以同时访问它对数据的组织和管理方式更加复杂和高效和修改数据库文件中的数据安全性指的是数据库系统提供了各种安全机制，如权限控制和数据加密，以保护数据库文件中的数据不被非法访问和篡改存储管理器的作用文件划分页面管理空间分配将数据库文件划分为更管理数据库中的页面，为数据库中的数据分配小的单元，如数据页或包括页面的分配、释放存储空间，包括数据数据块，以便于管理和和回收页面管理的目页、索引页和日志页访问合理的文件划分标是保证数据库的存储等空间分配的目标是可以提高存储空间的利空间能够被有效地利保证数据库中的数据能用率和数据访问的效用，并且能够快速地访够被有效地存储，并且率问到所需的数据能够快速地访问到所需的数据页面结构页头包含页面的元数据信息，如页面类型、页面大小、页面编号、校验和等页头的作用是描述页面的基本属性，以便于数据库系统对页面进行管理和维护数据区存储实际的数据记录，数据记录的格式可以是定长记录或变长记录数据区是页面中最重要的部分，它存储了数据库中实际的数据页尾包含页面的校验和信息，用于检测页面是否损坏页尾的作用是保证页面的数据完整性，防止数据被篡改或损坏页面大小常见页面大小页面大小的影响因素常见的页面大小包括4KB、8KB、16KB和32KB等页面大小的页面大小的选择受到多个因素的影响，包括硬件环境、操作系选择需要根据具体的应用场景和硬件环境进行权衡较小的页面统、数据库类型和应用场景等硬件环境主要影响I/O操作的性大小可以提高存储空间的利用率，但会增加I/O操作的次数；较能，操作系统主要影响内存管理和文件系统的性能，数据库类型大的页面大小可以减少I/O操作的次数，但会降低存储空间的利主要影响数据存储和索引的效率，应用场景主要影响数据访问的用率模式和频率记录格式定长记录变长记录每条记录的长度固定，所有字段的长度都是预先定义的定每条记录的长度不固定，字段的长度可以根据实际数据进行长记录的优点是存储空间利用率高，访问速度快，但缺点是调整变长记录的优点是支持变长字段，灵活性较好，但缺不支持变长字段，灵活性较差点是存储空间利用率较低，访问速度较慢记录在页面中的存储槽式页面结构记录指针1页面中包含一个槽数组，每个槽指向一记录指针是指向记录在页面中的位置的个记录槽数组记录了记录在页面中的2指针记录指针可以用于快速定位和访偏移量和长度，可以有效地管理变长记问记录，提高数据访问的效率录第二部分文件组织方式本部分将介绍常见的文件组织方式，包括堆文件组织、顺序文件组织、散列文件组织和聚簇文件组织我们将详细介绍每种文件组织方式的概念、优缺点及其适用场景通过本部分的学习，您将能够掌握不同文件组织方式的特点，为数据库设计和优化选择合适的文件组织方式堆文件组织概念优缺点堆文件组织是一种最简单的文件组织方式，它将数据记录无序地优点简单易实现，适用于小型数据库或数据仓库缺点查询存储在文件中，没有特定的顺序或结构新记录可以添加到文件效率低，需要扫描整个文件才能找到目标记录；删除记录后会在的末尾，删除记录后会在文件中留下空洞堆文件组织的优点是文件中留下空洞，容易产生碎片；不支持高效的索引结构简单易实现，但缺点是查询效率低，需要扫描整个文件才能找到目标记录顺序文件组织概念优缺点顺序文件组织是一种按照某个或多个字段的顺序存储数据记录的优点查询效率高，特别是对于范围查询和排序操作；支持高效文件组织方式顺序文件组织可以提高查询效率，特别是对于范的索引结构缺点插入和删除操作比较复杂，需要维护数据的围查询和排序操作顺序文件组织的缺点是插入和删除操作比较顺序；需要预先排序数据，增加了数据加载的时间；不适用于频复杂，需要维护数据的顺序繁的插入和删除操作散列文件组织概念优缺点散列文件组织是一种使用散列函数将数据记录映射到存储位置的优点查询效率高，特别是对于单记录查询；实现简单缺点文件组织方式散列文件组织可以实现快速的单记录查询，但不不支持范围查询和排序操作；容易产生冲突，需要解决冲突的问支持范围查询和排序操作散列文件组织的缺点是容易产生冲题；存储空间利用率较低，因为需要预留一定的空间来解决冲突，需要解决冲突的问题突聚簇文件组织概念优缺点聚簇文件组织是一种将相关的数据记录存储在一起的文件组织方优点查询效率高，特别是对于关联查询和连接操作；减少I/O式聚簇文件组织可以提高关联查询的效率，特别是对于连接操操作的次数缺点更新操作比较复杂，需要维护数据的聚簇作聚簇文件组织的缺点是更新操作比较复杂，需要维护数据的性；存储空间利用率较低，因为需要预留一定的空间来维护聚簇聚簇性性；不适用于频繁的更新操作第三部分索引结构本部分将介绍常见的索引结构，包括B树索引、B+树索引、哈希索引和位图索引我们将详细介绍每种索引结构的原理、优缺点及其适用场景通过本部分的学习，您将能够掌握不同索引结构的特点，为数据库设计和优化选择合适的索引结构索引概述索引的作用索引是一种用于提高数据库查询效率的数据结构它可以帮助数据库系统快速定位到目标记录，而不需要扫描整个表索引可以大大提高查询速度，特别是对于大型表和复杂查询索引的类型常见的索引类型包括B树索引、B+树索引、哈希索引和位图索引等每种索引类型都有其特定的适用场景和优缺点选择合适的索引类型可以提高查询效率，并减少存储空间的占用树索引B树结构查询过程BB树是一种平衡的多路搜索树，它可以有效地支持范围查询和排B树的查询过程是从根节点开始，沿着树的路径向下搜索，直到序操作B树的每个节点可以包含多个子节点，这使得B树的高找到目标记录或确定目标记录不存在B树的查询效率较高，特度较低，从而减少了I/O操作的次数别是对于大型表和复杂查询树索引B+树结构与树的区别B+BB+树是B树的一种变体，它将所有的数据记录存储在叶子节点B+树与B树的主要区别在于B+树的所有数据记录都存储在叶子节上，非叶子节点只存储索引信息B+树的叶子节点之间通过指点上，非叶子节点只存储索引信息；B+树的叶子节点之间通过针连接，这使得B+树可以有效地支持范围查询和排序操作指针连接B+树的优点是可以更有效地支持范围查询和排序操作，缺点是插入和删除操作比较复杂哈希索引哈希函数冲突处理哈希函数是一种将数据记录映射到存储位置的函数好的哈希函冲突是指不同的数据记录被映射到同一个存储位置常见的冲突数应该能够将数据记录均匀地分布到不同的存储位置，以减少冲处理方法包括开放寻址法和链地址法开放寻址法是指当发生冲突的发生突时，在存储位置的周围寻找空闲的存储位置；链地址法是指将所有冲突的数据记录存储在一个链表中位图索引适用场景优缺点位图索引适用于低基数列，即列中不同值的数量较少位图索引优点查询效率高，特别是对于多条件查询；存储空间占用较的原理是为每个不同的值创建一个位图，位图中的每一位代表一小，特别是对于低基数列缺点只适用于低基数列；更新操作个记录，如果该记录包含该值，则该位设置为1，否则设置为比较复杂，需要更新多个位图0第四部分数据压缩本部分将介绍常见的数据压缩技术，包括行压缩、页压缩和字典压缩我们将详细介绍每种数据压缩技术的原理、优缺点及其适用场景通过本部分的学习，您将能够掌握不同数据压缩技术的特点，为数据库设计和优化选择合适的数据压缩技术数据压缩概述压缩的目的压缩的类型减少数据存储空间，降低存储成本；减少I/O操作的次数，提高查常见的压缩类型包括有损压缩和无损压缩有损压缩是指压缩过询效率；减少网络传输的数据量，提高网络传输速度程中会丢失一部分数据，但可以获得更高的压缩率；无损压缩是指压缩过程中不会丢失任何数据，但压缩率相对较低行压缩概念实现方式行压缩是指对数据表中的每一行数据进行压缩行压缩可以有效常见的行压缩实现方式包括前缀压缩、后缀压缩和游程编码等地减少数据存储空间，提高查询效率，但压缩和解压缩操作会增前缀压缩是指将相邻行中相同的前缀字符串只存储一次；后缀压加CPU的负担缩是指将相邻行中相同的后缀字符串只存储一次；游程编码是指将连续重复的数据只存储一次页压缩概念实现方式页压缩是指对数据表中的每一个数据页进行压缩页压缩可以有常见的页压缩实现方式包括DEFLATE算法、LZ4算法和Zstd算法效地减少数据存储空间，提高查询效率，但压缩和解压缩操作会等这些算法都是基于字典的无损压缩算法，可以有效地压缩数增加CPU的负担据页中的重复数据字典压缩概念适用场景字典压缩是指将数据表中重复出现的值存储在一个字典中，然后字典压缩适用于重复值较多的列，如性别、国家和地区等字典用字典中的索引值来代替原始值字典压缩可以有效地减少数据压缩可以有效地减少这些列的存储空间，提高查询效率存储空间，提高查询效率，但需要维护一个字典，并且查询时需要进行字典查找第五部分缓冲区管理本部分将介绍数据库系统的缓冲区管理，包括缓冲池的作用、结构和缓冲区替换策略我们将详细介绍LRU、Clock和LRU-K等常见的缓冲区替换策略通过本部分的学习，您将能够掌握缓冲区管理的基本概念和原理，为数据库性能优化提供支持缓冲池作用缓冲池是数据库系统用于缓存数据和索引的内存区域它可以减少磁盘I/O操作的次数，提高查询效率缓冲池的大小直接影响数据库系统的性能结构缓冲池通常由多个缓冲区组成，每个缓冲区存储一个数据页或索引页缓冲池还需要维护一个缓冲池管理器，用于管理缓冲区的分配、释放和替换缓冲区替换策略LRU Clock12LRU（Least RecentlyClock策略是一种改进的LRUUsed）是指最近最少使用策策略，它使用一个指针指向最略，它将最近最少使用的缓冲近访问的缓冲区，当需要替换区替换出去LRU策略实现简缓冲区时，指针顺时针移动，单，但不能有效地处理循环访直到找到一个未被访问的缓冲问模式区LRU-K3LRU-K策略是一种更高级的LRU策略，它记录每个缓冲区的K次访问时间，并根据K次访问时间的平均值来决定替换哪个缓冲区LRU-K策略可以更有效地处理循环访问模式预读取概念实现方式预读取是指数据库系统在查询数据之前，预先将可能需要的数据常见的预读取实现方式包括顺序预读取和启发式预读取顺序预页或索引页加载到缓冲池中预读取可以减少查询过程中磁盘读取是指预先读取下一个数据页或索引页；启发式预读取是指根I/O操作的次数，提高查询效率据查询历史和统计信息，预测可能需要的数据页或索引页第六部分事务处理与恢复本部分将介绍数据库系统的事务处理与恢复，包括事务的ACID特性、日志的作用、检查点的概念和实现方式，以及ARIES算法我们将详细介绍事务处理与恢复的基本概念和原理，为数据库的可靠性和一致性提供保障事务的特性ACID原子性一致性隔离性原子性是指事务是一个不可分一致性是指事务执行前后，数隔离性是指多个事务并发执行割的操作单元，要么全部执据库的状态必须满足预定义的时，每个事务都感觉不到其他行，要么全部不执行如果事约束条件如果事务执行过程事务的存在事务之间的隔离务执行过程中发生错误，数据中违反了约束条件，数据库系程度可以通过隔离级别来控库系统会自动回滚事务，将数统会拒绝执行该事务制据库恢复到事务开始之前的状态持久性持久性是指事务一旦提交，对数据库的修改就会永久保存下来，即使系统发生故障也不会丢失持久性可以通过日志和检查点来实现日志重做日志撤销日志重做日志记录了事务对数据库的修改操作，用于在系统发生故障撤销日志记录了事务对数据库的修改操作，用于在事务执行过程后，将数据库恢复到事务提交后的状态重做日志记录了修改前中发生错误时，将数据库恢复到事务开始之前的状态撤销日志后的值只记录修改前的值检查点概念实现方式检查点是指数据库系统定期将缓冲池中的脏页刷新到磁盘上，并常见的检查点实现方式包括完全检查点和增量检查点完全检查将日志写入到磁盘上检查点可以减少系统发生故障后，恢复数点是指将缓冲池中的所有脏页都刷新到磁盘上；增量检查点是指据库所需的时间只将最近修改的脏页刷新到磁盘上恢复策略算法ARIESARIES（Algorithm forRecovery andIsolation ExploitingSemantics）是一种常用的数据库恢复算法ARIES算法结合了重做日志和撤销日志，可以有效地恢复数据库到一致的状态第七部分并发控制本部分将介绍数据库系统的并发控制，包括锁的概念、两阶段锁协议和多版本并发控制（MVCC）我们将详细介绍并发控制的基本概念和原理，为保证数据库的隔离性和一致性提供保障锁共享锁排他锁共享锁（Shared Lock）是指多个事务可以同时持有的锁共享排他锁（Exclusive Lock）是指只能由一个事务持有的锁排他锁用于读取数据，多个事务可以同时读取同一份数据，但不能修锁用于修改数据，只有一个事务可以修改同一份数据，其他事务改不能读取或修改两阶段锁协议概念实现两阶段锁协议（Two-Phase Locking，2PL）是指事务必须分为两阶段锁协议可以保证事务的隔离性，但容易导致死锁为了避两个阶段加锁阶段和解锁阶段在加锁阶段，事务可以申请免死锁，可以采用死锁检测和死锁预防等方法锁，但不能释放锁；在解锁阶段，事务可以释放锁，但不能申请锁多版本并发控制（）MVCC概念优势多版本并发控制（Multi-Version ConcurrencyControl，MVCC可以提高并发性能，减少锁的竞争；读操作不需要加锁，MVCC）是指数据库系统为每个数据记录维护多个版本，每个事可以避免读写冲突；可以支持快照读，提供一致的读取视图务可以看到自己开始时的版本MVCC可以提高并发性能，减少锁的竞争死锁处理死锁检测死锁预防死锁检测是指数据库系统定期检测是否存在死锁如果检测到死死锁预防是指数据库系统采取措施，防止死锁的发生常见的死锁，数据库系统会选择一个事务作为牺牲者，回滚该事务，释放锁预防方法包括锁超时、锁排序和一次性申请所有锁等其持有的锁，从而解除死锁第八部分查询处理与优化本部分将介绍数据库系统的查询处理与优化，包括查询处理步骤、查询优化器和执行计划我们将详细介绍查询处理与优化的基本概念和原理，为提高查询效率提供支持查询处理步骤解析解析是指将SQL查询语句解析成抽象语法树（Abstract SyntaxTree，AST）解析器会检查SQL查询语句的语法是否正确，并将其转换成数据库系统可以理解的内部表示形式优化优化是指根据查询的语义和数据库的元数据，选择最佳的执行计划优化器会考虑多种因素，如索引的使用、连接的顺序和数据分布等，以选择最快的执行计划执行执行是指按照执行计划执行查询，从数据库中读取数据，并返回结果执行器会根据执行计划，依次执行每个操作，并将结果返回给用户查询优化器基于规则的优化基于成本的优化基于规则的优化（Rule-Based Optimization，RBO）是指根据基于成本的优化（Cost-Based Optimization，CBO）是指根据预定义的规则来优化查询RBO不需要考虑数据分布和统计信查询的语义、数据库的元数据和统计信息，选择成本最低的执行息，实现简单，但优化效果有限计划CBO可以获得更好的优化效果，但实现复杂，需要收集和维护统计信息执行计划生成解释执行计划是由查询优化器生成的，它描述了查询的执行步骤和操解释执行计划可以帮助我们理解查询的执行过程和性能瓶颈通作顺序执行计划可以用树形结构来表示，每个节点代表一个操过分析执行计划，我们可以发现查询的性能问题，并进行优化，作，如扫描、过滤、连接和排序等如添加索引、调整连接顺序和重写SQL查询语句等第九部分分布式数据库存储本部分将介绍分布式数据库存储，包括分布式存储的优势和挑战、数据分片、数据复制和一致性哈希我们将详细介绍分布式数据库存储的基本概念和原理，为构建可扩展和高可用的数据库系统提供支持分布式存储概述优势挑战可扩展性可以水平扩展存储容量和计算能力，满足不断增长的数据一致性需要保证多个副本之间的数据一致性，避免数据冲数据需求高可用性可以通过数据复制和故障转移，保证数据突事务处理需要支持分布式事务，保证事务的ACID特性的可靠性和可用性高性能可以通过数据分片和并行处理，提数据管理需要管理大量的数据节点和网络连接，降低管理复杂高查询效率度数据分片水平分片垂直分片水平分片是指将数据表按照行进行分割，将不同的行存储到不同垂直分片是指将数据表按照列进行分割，将不同的列存储到不同的数据节点上水平分片可以提高查询效率，特别是对于范围查的数据节点上垂直分片可以提高查询效率，特别是对于只访问询和排序操作部分列的查询数据复制同步复制异步复制同步复制是指将数据同时写入到多个副本上同步复制可以保证异步复制是指将数据先写入到主副本上，然后异步地将数据复制数据的一致性，但会降低写入性能同步复制适用于对数据一致到其他副本上异步复制可以提高写入性能，但不能保证数据的性要求较高的场景一致性异步复制适用于对写入性能要求较高的场景一致性哈希概念应用一致性哈希是一种将数据映射到数据节点的哈希算法一致性哈一致性哈希广泛应用于分布式缓存、负载均衡和分布式存储等领希可以保证在增加或删除数据节点时，只有少量的数据需要重新域它可以有效地解决数据分布不均匀和节点动态变化的问题映射，从而减少了数据迁移的成本第十部分新型数据库存储技术本部分将介绍新型数据库存储技术，包括列式存储、内存数据库、NoSQL数据库存储和NewSQL我们将详细介绍每种新型数据库存储技术的特点和应用场景，为构建高性能和高扩展性的数据库系统提供新的思路和方法列式存储概念优势列式存储是指将数据表按照列进行存储，而不是按照行进行存查询效率高只读取需要的列，减少I/O操作的次数压缩率储列式存储可以提高查询效率，特别是对于只访问部分列的查高相同类型的数据可以更好地压缩适用于分析型应用可以询列式存储还可以有效地利用数据压缩技术，减少数据存储空有效地支持复杂的分析查询间内存数据库特点应用场景数据存储在内存中可以实现极高的读写速度结构简单通常高速缓存将热点数据存储在内存中，提高访问速度会话管采用键值对或文档存储模式适用于对性能要求极高的场景如理存储用户的会话信息，支持高并发访问实时分析对实时缓存、会话管理和实时分析等数据进行分析，提供快速的决策支持数据库存储NoSQL键值存储文档存储12将数据以键值对的形式存储，将数据以文档的形式存储，适适用于存储简单的元数据和缓用于存储半结构化数据和非结存数据常见的键值存储数据构化数据常见的文档存储数库包括Redis和据库包括MongoDB和Memcached Couchbase图存储3将数据以图的形式存储，适用于存储关系型数据和社交网络数据常见的图存储数据库包括Neo4j和JanusGraphNewSQL概念代表性系统NewSQL是一种新型的关系型数据库，它试图结合传统关系型数常见的NewSQL数据库包括Google Spanner、CockroachDB和据库的ACID特性和NoSQL数据库的可扩展性NewSQL数据库VoltDB这些数据库都采用了分布式架构和多版本并发控制技可以提供高性能、高可用性和高一致性的数据服务术，可以支持大规模的数据存储和高并发的事务处理第十一部分数据库存储性能优化本部分将介绍数据库存储性能优化，包括I/O优化、索引优化、分区和并行处理我们将详细介绍每种优化技术的原理和方法，为提高数据库存储性能提供实践指导优化I/O减少随机增加顺序I/O I/O随机I/O是指磁盘I/O操作的地址是随机分布的随机I/O的性能顺序I/O是指磁盘I/O操作的地址是连续的顺序I/O的性能较较低，因为磁盘需要频繁地移动磁头减少随机I/O的方法包括高，因为磁盘可以顺序地读取或写入数据增加顺序I/O的方法使用顺序存储、预读取和批量写入等包括使用顺序存储、排序和聚簇等索引优化索引选择索引维护选择合适的索引可以提高查询效率应该根据查询的模式和数据索引需要定期维护，以保证其性能维护索引的方法包括重建索的特点，选择最合适的索引类型和索引列过多的索引会降低写引、优化索引和清理索引等索引的维护应该根据数据的变化频入性能，并且占用存储空间率和查询的性能要求来调整分区表分区索引分区表分区是指将数据表按照一定的规则分割成多个小的分区表分索引分区是指将索引按照一定的规则分割成多个小的分区索引区可以提高查询效率，特别是对于只访问部分数据的查询表分分区可以提高查询效率，特别是对于只访问部分索引的查询索区还可以方便数据管理，如备份和恢复等引分区还可以方便索引管理，如重建和优化等并行处理并行查询并行加载并行查询是指将查询分解成多个小的任务，在多个处理器上并行并行加载是指将数据分解成多个小的任务，在多个处理器上并行执行并行查询可以提高查询效率，特别是对于复杂的查询和大加载到数据库中并行加载可以提高数据加载速度，特别是对于型数据集大型数据集总结课程回顾1回顾了数据库存储结构的基础知识、文件组织方式、索引结构、数据压缩、缓冲区管理、事务处理与恢复、并发控制、查询处理与优化、分布式数据库存储和新型数据库存储技术重点内容2强调了数据库存储结构的核心概念、各种存储方式的优缺点及其应用场景，以及数据库性能优化的关键技术和方法结束语未来发展趋势学习建议数据库存储技术将朝着高性能、高扩展性、高可用性和智能化方持续学习新的数据库技术和方法，关注数据库领域的最新发展动向发展新型存储介质、分布式架构、内存计算和AI技术将成为态，积极参与数据库相关的实践项目，不断提升自己的数据库技数据库存储技术的重要发展方向能和知识水平。