数据库存储与管理：RAID、磁盘空间及缓冲区管理解析

# 数据库存储与管理：RAID、磁盘空间及缓冲区管理解析 ## 1. RAID 级别选择 在数据存储领域，RAID（独立磁盘冗余阵列）技术是提升存储性能和可靠性的关键手段。不同的 RAID 级别各有特点，适用于不同的应用场景。 ### 1.1 RAID 6 系统 RAID 6 系统采用 Reed - Solomon 码，能够从多达两次同时发生的磁盘故障中恢复数据。理论上，它需要两块校验磁盘，并且和 RAID 5 一样，在块级别均匀分布冗余信息。对于小读、大读和大写请求，其性能特征与 RAID 5 类似。但在小写操作时，与 RAID 5 相比，读 - 修改 - 写过程涉及六块磁盘而非四块，因为需要更新两块包含冗余信息的块。例如，一个存储容量等同于四块数据磁盘的 RAID 6 系统，总共需要六块磁盘，有效空间利用率为 66%。 ### 1.2 各 RAID 级别适用场景 |RAID 级别|特点|适用场景| | ---- | ---- | ---- | |RAID 0|以最低成本提高整体系统性能，不具备数据冗余|数据丢失不是问题，追求高性能的场景| |RAID 0 + 1|优于 RAID 1，写性能最佳|小型存储子系统，镜像成本适中；写操作占比较高的应用| |RAID 2 和 4|性能分别劣于 RAID 3 和 5|一般不推荐使用| |RAID 3|适用于主要由多个连续块的大传输请求组成的工作负载|大文件连续读写场景| |RAID 5|通用解决方案，大小请求都有高性能|大多数常规数据存储场景| |RAID 6|需要更高可靠性时适用|对数据可靠性要求极高的场景| ## 2. 磁盘空间管理 磁盘空间管理是数据库管理系统（DBMS）架构中底层的重要软件功能，它负责管理磁盘上的空间。 ### 2.1 磁盘空间管理器的功能 磁盘空间管理器支持将页面作为数据单元的概念，并提供分配或释放页面、读写页面的命令。页面大小通常设置为磁盘块的大小，这样读写一个页面可以通过一次磁盘 I/O 完成。为了充分利用顺序访问磁盘块的优势，磁盘空间管理器还应具备将一系列页面作为连续块序列分配的能力，以存储经常按顺序访问的数据。同时，它隐藏了底层硬件（可能还有操作系统）的细节，让高层软件将数据视为页面集合。 ### 2.2 跟踪空闲块的方法 - **维护空闲块列表**：当高层软件释放块时，将其添加到空闲列表中供后续使用。磁盘上的已知位置会存储指向空闲块列表第一个块的指针。 - **维护位图**：为每个磁盘块设置一位，用于指示该块是否正在使用。位图还能快速识别和分配磁盘上的连续区域，这是链表方法难以实现的。 ### 2.3 使用操作系统文件系统管理磁盘空间 操作系统也能管理磁盘空间，它支持将文件抽象为字节序列，并将诸如“读取文件 f 的第 i 个字节”的请求转换为相应的底层指令。数据库磁盘空间管理器可以基于操作系统文件构建，例如将整个数据库存储在一个或多个操作系统文件中，由操作系统分配和初始化一定数量的块，磁盘空间管理器再负责管理这些文件中的空间。然而，许多数据库系统不依赖操作系统文件系统，而是自行管理磁盘，原因包括： - **可移植性**：DBMS 供应商若要支持多个操作系统平台，不能依赖特定操作系统的功能，因此希望 DBMS 代码尽可能独立。 - **文件大小限制**：32 位系统中，最大文件大小为 4GB，而 DBMS 可能需要访问更大的单个文件。 - **跨磁盘设备**：典型的操作系统文件无法跨磁盘设备，而这在 DBMS 中往往是必要的。 ## 3. 缓冲区管理器 ### 3.1 缓冲区管理器的作用 为了理解缓冲区管理器的作用，我们来看一个简单的例子。假设数据库包含 100 万个页面，但主内存中只有 1000 个页面的空间用于存储数据。当执行一个需要扫描整个文件的查询时，由于无法一次性将所有数据加载到主内存中，DBMS 必须根据需要将页面从磁盘加载到主内存，并决定替换主内存中的哪个现有页面以腾出空间。这种决定替换哪个页面的策略称为替换策略。 在 DBMS 架构中，缓冲区管理