CMU15445-lecture4

第四课：数据库存储（第二部分）

一些与插槽页设计相关的问题有：

如果我们在一个只允许创建新页面而不允许覆写的系统上工作，那该怎么办呢？日志结构存储模型基于这个假设，并解决了上述一些问题。

日志结构存储：DBMS不是存储元组，而是仅存储元组的更改日志记录。DBMS将新的日志条目追加到内存缓冲区中，而不检查之前的记录，然后按顺序将更改写入磁盘。

记录包含了元组的唯一标识符、操作类型（PUT/DELETE）以及对于PUT操作来说，元组的内容。
要读取一条记录，DBMS会逆向扫描日志文件，从最新的到最旧的，以找到元组的最新内容。
快速写入，潜在的读取缓慢。磁盘写入是顺序进行的，并且现有页面是不可变的，这减少了随机磁盘输入/输出。适用于只追加存储。
为了避免读取时间过长，数据库管理系统可以通过索引（用于簿记）来让它能够跳转到日志中的特定位置。
日志最终会变得很大。数据库管理系统可以定期压缩日志，仅保留跨多个页面的每个元组的最新更改。
在压缩之后，不再需要排序，因为每个元组只有一个，所以数据库管理系统可以按照ID进行排序以进行更快的查找。这被称为排序字符串表（Sorted String Tables，SSTables）。
在通用整理中，任何日志文件都可以一起整理。在层级整理中，最小的文件是 level 0。Level 0 文件可以整理成更大的 level 1 文件，level 1 文件可以整理成 level 2 文件，依此类推。
缺点是压缩成本昂贵，同时也会导致写放大（对于每个逻辑写入，可能存在多次物理写入）。

注意，无论是面向页面的存储还是日志结构化存储，都依赖额外的索引来查找单个元组，因为表本身是无序的。在索引组织存储方案中，数据库管理系统直接将表的元组作为索引数据结构的值进行存储。数据库管理系统会使用类似分槽页面的页面布局，并且通常按照键值将元组在页面上进行排序。

元组中的数据本质上只是字节数组，并且不会跟踪属性的种类。这是由DBMS负责指导如何跟踪并解释这些字节。数据表示方案是DBMS用于存储值的字节的方式。

DBMSs希望确保元组是字对齐的，这样CPU就可以在访问时不会出现任何意外的行为或额外的工作。通常采用两种方法：

元组中可以存储五种高级数据类型：整数、可变精度数、固定小数点精度数、可变长度值以及日期/时间。

大多数数据库管理系统（DBMS）使用IEEE-754标准规定的”C/C++”的”本地”数据类型来存储整数。这些值是固定长度的。

例如：INTEGER，BIGINT，SMALLINT，TINYINT。

这些是不精确和可变精度的数值类型，使用IEEE-754标准规定的“本地”C/C++类型。这些值也是固定长度的。

与任意精度的数字相比，变精度数字的运算速度更快，因为CPU可以直接在其上执行指令。然而，在进行计算时可能会产生舍入误差，因为某些数字无法精确表示。

例如：FLOAT，REAL。

这些是具有任意精度和小数位的数字数据类型。它们通常以精确、可变长度的二进制表示形式存储（几乎像字符串一样），并附带额外的元数据，告诉系统数据的长度和小数点位置等信息。

当舍入误差是不可接受的时候，使用这些数据类型，但数据库管理系统会因为追求精确性而付出性能的代价。

例子：NUMERIC，DECIMAL。

这些代表了任意长度的数据类型。它们通常以一个头部存储，以跟踪字符串的长度，以便轻松跳转到下一个值。它还可能包含数据的校验和。

大多数数据库管理系统不允许元组的大小超过一个页面的大小。那些允许的系统会将数据存储在特殊的“溢出”页面上，并使元组包含对该页面的引用。这些溢出页面可以包含对其他溢出页面的指针，直到所有数据都可以存储。

一些系统可以让您将这些大值存储在外部文件中，然后元组将包含对该文件的指针。例如：如果数据库存储图片信息，DBMS可以在外部文件中存储这些照片而不是占用大量的数据库空间。这个的一个不足之处是数据库管理系统无法操作这个文件的内容。因此，它没有持久性或事务保护。

例如：VARCHAR、VARBINARY、TEXT、BLOB。

日期/时间的表示方式因不同系统而异。通常，它们被表示为自Unix纪元以来的某个时间单位（微/毫）秒。

示例：TIME、DATE、TIMESTAMP。

在数据库管理系统中，有三种常见的方法来表示空值。

空列位图头：在一个集中的头部中存储一个位图，指定哪些属性是空值。这是最常见的方法。
特殊值：为数据类型指定一个值来表示空值（例如，INT32的最小值）。
每个属性的空标志：存储一个标志，标记一个值是否为空。这种方法不推荐使用，因为它不是存储效率高。对于每个值，数据库管理系统必须使用多个位来避免破坏字对齐。