SQL Server 内存和换页（Paging）

在进程开始执行时，进程首先申请虚拟地址空间VAS（Virtural Address Space），VAS是进程能够访问的地址空间，由于VAS不是真正的物理内存空间，操作系统必须将VAS隐射到物理内存空间，进程才能存储进程上下文（process context），真正执行下去。VAS可能比物理内存大很多，VAS存放的数据信息不一定都在物理内存中，OS会根据其使用情况，决定什么时候将数据存储在物理内存中，什么时候存放在Paging File里。

进程运行在物理内存地址空间PAS（Physical Address Space）中，进程执行时所需的信息也存放在物理内存中，操作系统通过为VAS和PAS建立mapping 关系来为进程提供物理内存。进程只需要申请VAS，物理内存由OS动态分配。

虚拟内存管理器VMM（Virtual Memory Manager）通过管理每个进程的VAS来管理物理内存。在进程需要内存时提供VAS，将所需的部分物理内存映射到VAS。

Working Set：为了有效使用物理内存，物理内存不是一次性全部提供给进程，而是分多次提供，在进程真正执行时分配物理内存，在执行完成之后，回收物理内存，供其它进程使用。Working Set是进程上下文（process context）拥有的物理内存页面的集合，即当前进程拥有的物理内存页面的集合。

Page Fault：VMM会在必要时从VAS中回收物理内存，将驻留在物理内存中的数据存储在硬盘上的Paging File中，这样能保证数据不丢失，同时释放的物理内存页面供其它进程使用。当进程再次需要内存时，VMM会从Paging File中查找数据，分配空闲的物理内存页面，将数据写入物理内存页面中，然后将新的物理内存页面映射到进程需要操作的VAS中，获得所需的数据和内存空间，进程的Working Set增加一个物理内存页面，这就是一次Page Fault，即访问一个存在于VAS中，但是不存在于当前process的working set的物理内存页面。

• VAS：Virtual Address Space，是App能够申请访问的最大地址空间。
• Physical Memory：对SQL Server 来说，频繁访问的数据对象长时间驻留在Physical Memory中，才能达到最优的性能。
• Reserved Memory：申请将VAS的一段地址空间Reserve。保留的只是VAS上的一段地址，而不是真正的Physical memory。
• Committed Memory：对Reserved的部分 Memory Page 进行Commit，Commit 操作是建立VAS 和 Physical memory 之间的映射，因此Committed Memory将隐射到实际的Physical Memory中。即App正式在物理内存中申请一段空间。
• VAS中存储的数据不一定存储在Physical Memory中，Windows 根据App的使用情况，决定存放在 physical memory 或 page file。如果存储在Page file中，App在访问时，必须进行一个Disk IO动作，称作 Paging In/Out（换进或换出）。
• 分两步来Reserve 和 Commit 内存，通过推迟页面的提交来减少物理内存的使用。
• Workset 是 Committed Memory的一部分，是Process在运行时使用的物理内存。
• Page Fault：App访问一个处于Reserved Memory中的Page，但是该page不存在于Workset，就会发生一次Page Fault。如果目标Page 存在于Page File（Disk File），那么OS会进行一次IO，将目标Page从Disk读取到Workset中，称作Hard falut；如果目标Page存在于committed memory，那么只需要将目标Page重定向到Workset中，称作Soft Fault，Soft Fault对性能的影响微乎其微。
• 手绘一张图：SQL Server 是预先 Reserved 一块大的内存，在使用的时候，一块一块的提交Commit，而committed Memory 在访问时转换为物理中，可以理解，committed memory 是SQL Server使用的物理内存，能够向物理内存Page中写入数据和读取数据。

当SQL Server出现内存压力时，需要关注操作系统的的Committed Memroy， Available Memory和 Hard Fault。

1, Commit memory是将reserverd memory（virtual memory） 转换为 physical memory，是app真正使用的物理内存。

OS 能够Commit的最大内存空间是所有Physical memory+ Page File（缓存文件），如果Committed Memroy接近最大内存空间，那么说明系统的内存使用已经接近极限。如果Page File不能自动增长，系统将不能提供更多的内存空间。

2, Page File 是文件缓存，OS用于临时存储内存中Page的Disk File。如果内存不足，那么 OS会将部分page 存储在Page File中，产生一次Disk File的Write 操作；如果App需要用到Page File中的Page，那么OS会将目标Page从Page File中读取到内存中，产生一次Disk File的Read操作。如果Page File的%Uage高，说明App实际需要的内存和committed memory的差距较大，App需要频繁的将Page存储到Disk File中。

Page Fault：Hard Page Fault是指OS将目标Page从Page File读取到物理内存中，由于会产生一次Disk IO，对App的性能影响较大。Soft Page Fault 是指目标Page存在于物理内存中，只是需要重定向到Workset中，对App的性能影响微乎其微。

对于一个性能良好的SQL Server 系统来说，Hard Page Fault 应该保持在一个较小的数值，Disk 的 Paging 动作越少越好。系统存在足够的内存，会使目标Page能够长时间的驻留在物理内存中，而不需要频繁的进行Disk的Paging动作。

如果内存不足，OS和 SQL Server 会在物理内存和文件缓存之间做大量的Paging 动作（Page的换进和换出），这会导致大量的Disk IO，使得Disk IO比较繁忙；OS要做Paging 动作，所带来的Disk IO的动作必须运行在核心态下，所以会核心态的CPU时间会升高，而用户态的CPU时间反而不会很高。一般情况下，用户态的CPU时间很高说明SQL Server 正在全力工作。