浅谈SQL Server数据内部表现形式

在上篇文章 浅谈SQL Server内部运行机制 中，与大家分享了SQL Server内部运行机制，通过上次的分享，相信大家已经能解决如下几个问题：

1.SQL Server 体系结构由哪几部分组成？

2.SQL Server 体系结构各模块之间关系是怎样的？

3.SQL Server 体系结构内部运行机制是怎样的？

4.简单的一条SELECT语句，在SQL Server中是如何一步一步执行的？

然而，仅仅能解决如上几个问题，是不具有SQL Server数据库优化能力的，为什么这么说，我们先提出如下几个问题:

1.为什么会内存溢出？(上篇文章开篇提出的)

2.为什么会产生死锁，闩锁？

3.什么叫执行计划，如何分析执行计划？

4. Index Scan 与Index Seek区别？

          

5.什么叫聚集索引和非聚集索引？

6.什么叫堆和B-数？

7.优化SQL Server，应该建立怎样的一套优化理念？

8.SQL Server优化时，常用的检测工具，优化工具和优化手段都有哪些？

9.你了解这些表与函数吗？

Sys.dm_exec_requests，Sys.dm_exec_sql_text，Sys.dm_exec_session，Sys.dm_exec_connections，Sys.dm_exec_query_stats，Sys.dm_exec_query_resource_semaphores

10.为什么磁盘臂是I/O的最大开销？

11.什么叫碎片，为什么会产生碎片？

12.什么叫跨域，什么叫主从同步？

13.为什么要分区，为什么要拆表(水平拆分，垂直拆分)？

..........

如上的这些基础问题，若不能很好地解决，就急忙去研究SQL Server优化，甚至去实战，是会绕很多弯路的，且学得一知半解。我们就拿索引举个例子，一张UserInfo(UserName,Address,Sex)有1000万条数据，

当我们查询时，非常缓慢，为了提高查询速度，我们优先想到的是建立索引(其他条件不变情况下，如不增加CPU,不增加内存，不改变磁盘等)，有经验的DBA和数据库优化高手，是不会选择Addresss和sex作为索引字

段的，想想为什么？

基于如上的种种问题，本篇文章还是继续从理论角度分析SQL Server的一些基本理论，为后续的SQL Server优化实战打好良好的功底，至于具体的优化实战，应该会在第四篇或第五篇文章开始讲解(本篇文章

为SQL Server数据库优化系列第二篇)，本篇文章大致包括如下内容。(当然，本篇文章未必能全部解决如上提出的问题，但在SQL Server理论性问题介绍结束，大家应该知道如何解决，然后再去实战)

• SQL Server引擎及集群
• SQL Server数据文件存储
• SQL Server table表数据的存储形式
• Page的基本构成
• 若干基本概念：堆(Heap)、分区、B-Tree、行数据溢出、Master-Slave等

 一  SQL Server引擎及集群

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首先，我们要知道什么叫做SQL Server服务器？SQL Server服务器部署在服务器端，用来存储数据的，如系统数据(如系统数据库master,tempdb等)、用户数据(如自定义数据库数据)和日志数据(如Log Files)等。

一般地，SQL Server为我们提供了客户端访问工具SSMS(Microsoft SQL Server Management Studio)，通过该工具，我们能访问SQL Server服务器，从而通过客户端SQL语句，获取我们想要的数据,SQL Server最为简

单的模式是：客户端《=》服务器模式，即只有一台SQL Server服务器，供一个或多个客户端访问，这种架构是最为简单的，也是大部分小公司常用的架构。下图为三个不同IP的SQL Server客户端工具SSMS访问同一个

SQL Server服务器。

其次，对于具有一定规模，有一定数据量的公司，单台SQL Server服务满足不了业务需求，如系统访问速度慢(一般用户能容忍的时间是3秒，时间超过3秒，用户就感觉不良好)、数据量大(单台SQL Server服务器无法支撑)等，

这时，就需要2台及以上SQL Server服务器(当然，实际的架构中，不仅仅是SQL Server服务器之间集群，还有可能是SQL Server服务器，Oracle服务器、MySQL服务器之间跨服务器、跨域的集群)，通过多台SQL Server服务器集群，

形成一个庞大的中央服务器，来处理高并发，大数据量、访问速度等性能问题，常见的是一个例子就是读写分离，主从同步。

下图是在四个IP不同的服务器上分别部署一台SQL Server服务器引擎和每台服务器的SQL Server引擎包括的基本内容。

（一）SQL Server 引擎基本内容

1.数据库

2.安全性

3.服务器对象

4.复制

5.AlwaysON

6.管理

7.Integration Services

（二）SQL Server引擎之间关系

1.跨域

2.跨域数据主从同步

二   SQL Server 数据文件存储

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在了解SQL Server服务器基本构成，SQL Server服务器部署，SQL Server服务器集群和客户端访问工具SSMS如何访问SQL Server服务器后，接下来，我们将目标定位在单个SQL Server服务器上，研究

SQL Server单个服务器，通过第一部分，我们知道单个SQL Server服务器的基本组成，接下来，我们来分析SQL Server服务器都有哪些文件，且它们分别以什么样的形式存储，存储在哪？

对于SQL Server，数据库文件和日志文件是其两大类核心文件。

数据文件主要用来存储相关数据的，如系统数据库(master,model,msdb,tempdb)文件，用户自定义数据库文件，日志文件等。

1.数据库文件主要包括两个核心文件（.mdf-文件为主要文件，.ndf-文件为次要文件），当创建数据库时，系统默认会创建.mdf文件和.ndf文件，这两个文件是以页(page)的

方式存储的，它们用来保存一些数据库对象，如保存表数据，索引数据，约束等；

2.日志文件(Virtual Log Files，简称VLF)，这种文件不是按照页的方式存储的，换句说，他们存储的大小是不确定的，是任意的。

三  Table表数据的存储形式

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通过第二部分，我们知道了SQL Server服务器主要有两大类资源文件，即数据库文件和日志文件，其中，对于用户或者一般开发人员来说，数据库文件应该算是他们最关心的文件，

然而，数据库文件有很多资源对象，如实体表(table)，视图(View)，索引(Index)，约束(Constraint)等等，面对这么多数据库对象，我们该如何研究呢？是全部研究，还是选择重点研究？当然是选择重点研究，

我们将选择用户或开发人员使用频率最多的实体表(table)作为研究对象。

本小节，我们主要讨论几个问题：table是如何存储的，什么是分区，什么是堆，什么是B-树，以及它们之间的关系是怎样的？

（一）实体表的两种存储方式

对于SQL Server中的实体表数据，在SQL Server中的存储形式表现为堆存储(Heap)和B树存储(B-Tree，B+Tree)。

  （二）Heap

1.堆，指不含有聚集索引的表，之所以称为堆，是因为它的数据不按任何顺序进行组织，而是按分区组对数据进行组织。

2.在堆中，用于保存数据之间关系的唯一索引结构是索引分配映射(IAM,Index Allocation Map)的位图，对于混合区(mixed extent)分配的前8个页，这个位图中有指向这些页的指针，

它还包括一个大位图(每个位代表文件中的4G范围内的一个区)。

3.堆不是按照特定顺序来维护的，所以新增加到列表中的行可以保存到任何数据页上。SQL Server使用页可用空间页(PFS,Page Free Space)的位图来跟踪数据页中的可用空间，以

便可以快速地找到有足够空间能够容纳新行的页面，如果这样的页面不存在，则分配一个新页面，对于长度可变的列进行更新时，行的大小就会扩展，页可能会因为没有空间而无法容纳

新增加的行，此时，SQL Server 会把扩展后的行移动到具有足够空间的页上，而在原来的位置上保留一个所谓的正向指针(forwarding pointer),，通过它指向行的新位置。

   （三）区

区是由8个物理连续的页组成的单元。当表或索引需要更多的空间以存储数据时，SQL Server为对象分配一个完整的区。

1.对于包含少量数据的对象，当对象不足64KB时，SQL Server通常只分配一个单独的页，而不是整个区

2.区按存储是否为同一对象，可分为混合区(区8个连续的页存储不同对象)和非混合区(区8个连续的页存储相同的对象)

3.当删除(delete)或清空(Truncate)表时，将会释放区

4.一些读操作，如大型表或索引扫描的预读(read-ahead)，可以在区级别，或更高的快级别读取数据

5.I/O操作最大的开销是磁盘臂的移动，而真正的磁盘读写操作开销要小得多，因此，读取一个页和读取一个区所用得时间几乎一样

（四）B Tree

B树是一种存储结构，如B+Tree,B-Tree，其中，B-Tree是我们重点关心的，B-Tree是一种平衡树，主要用来存储聚集索引相关数据的，在这里不重点论述，只要知道有这么个概念即可，

在索引(Index)章节，我会重点论述。

 （五）行数据、溢出数据和其他数据

详见本篇博文第四部分。

 四   页的基本构成

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通过前面几节介绍，我们知道，页是存储的最小单位(其实，页也是IO的最小单位，每次从磁盘DB中读取数据到缓冲池，都是以页为单位读取的)，那么SQL Server中的Page又是什么呢？它

的基本结构又是怎样的呢？下图为SQL Server中，一个Page的基本构成。

   （一）页描述

页是SQL Server存储数据的基本单位，大小为8KB,它可以包含表或索引数据、分配位图、可用空间信息等。在SQL Server中，页是数据存储的最小单位，也是数据读取的最小IO。

 （二）页的基本构成

SQL Server Page主要由四部分构成，页头(Page Header)，数据行(Data Row)，空闲区(Free)和偏移量(Offset)。

1.页是数据存储的最小单位，页是数据读取的最小IO;

2.一个页的大小为8KB，其中页头占据96B(96个字节)，页尾维护的行指针占据2B(2个字节)，还有其他保留字段以备后用。

3.SQL Server 2005后，为了满足VARCHAR,NVARCHAR,VARBINARY，SQL_VARIANT和CLR用户定义类型，放宽了对行大小的限制，这个技术就叫做行溢出数据。

4.行溢出数据，指当行超过8060字节时，这些类型的值将被移动到一个成为行溢出分配单元中的页中，而在原始页上保留一个24字节的指针，指向行外的数据，如此，行就

可以跨多个页，但行内数据任然在8060字节限制内。如果类型值在8000字节以内，它们的值将被移动到行溢出页中；如果超过8000字节，这些值在内部将被存储为一个大类型

对象，而在原始行上维护一个16字节的指针，指向该大型对象值。

五  参考文献

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【01】《SQL Server 2012 深入解析与性能优化 第3版》Christian Bolton,Justin Langford,Glenn Berry,Gavin Payne,Amit Banerjee,Rob Farley著

【02】《SQL Server 2008查询性能优化》Grant Fritchey，Sajal Dam著

【03】《Microsoft SQL Server 2008 技术内幕:T-SQL查询》ltzik Ben-Gran，Lubor Kollar，Dejan Sarka，Steve Kass著

六 版权区

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