脏页
缓冲区中的页面已被修改，与外存版本不同
- 01解释系统缓冲区如何提供设备独立性和访问效率
- 02描述
READBUF的命中、装入和淘汰，以及修改页的写回边界 - 03比较 FIFO 与 LRU 的依据和访问局部性
- 04列举数据库物理组织的四类信息
- 05说明数据字典、数据文件和存取路径之间的关系
- 06解释关系数据库如何让存取路径对用户隐藏并动态维护
DBPA · 13.3
缓冲区管理与数据库物理组织
缓冲区把逻辑记录请求落实到页面、文件和索引路径
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学习目标
完成本节后，你应该能够
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LEARNING OBJECTIVES
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系统缓冲区隔离上层访问与外存设备
上层只面对定长页面接口，命中时通常无需访问外存
Takeaway
缓冲区保存可替换的页面副本，通过定长接口提供设备独立性；命中时避免外存 I/O，未命中才需要装入页面
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BUFFER PURPOSE
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读取 SC 中未缓存的成绩记录
未缓存的 SC 成绩记录所在页面需要读入目标缓冲帧
| 路径 | 缓冲区动作 | 结果 |
|---|---|---|
| 命中 | READBUF 找到含有目标元组的页面 | 直接取记录，不访问外存 |
| 未命中且有空闲页 | 申请页面并调用 OS READ 装入目标页 | 返回目标记录 |
| 未命中且候选页未修改 | 选择可淘汰页后覆盖装入目标页 | 返回目标记录 |
| 未命中且候选页已修改 | 先满足先写日志约束并写回候选页，再装入目标页 | 返回目标记录 |
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BUFFER READ
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延迟写回减少磁盘 I/O 并受恢复约束
脏页状态、可释放条件和写回时机分别影响淘汰决策
可释放标志
可释放标志表示页面需要空间时可以作为淘汰候选，不等于立即写回或随时可以淘汰
写回约束
事务结束或缓冲区需要空间时，系统可按策略处理可释放页面；选中被修改页面时先满足先写日志约束，再写回数据页
Takeaway
延迟写回减少内外存交换，但数据页写回仍受事务状态和恢复约束控制
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WRITE BACK
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页面淘汰策略决定哪些内容先离开缓冲区
策略要结合访问局部性、内存压力和页面状态选择
| 策略 | 依据 | 直观特点 |
|---|---|---|
| FIFO | 进入缓冲区时间 | 简单但不看最近访问 |
| LRU | 最近一次访问时间 | 利用时间局部性 |
| 改进算法 | 访问、脏页和 I/O 成本 | 更贴近实际负载 |
Takeaway
若 A、B、C 按顺序进入缓冲区，随后再次访问 A 并请求 D，FIFO 可能淘汰 A，LRU 可能淘汰 B；被修改的候选页要先完成日志稳定保存，再写回
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EVICTION
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物理组织要为四类信息安排存储结构
数据字典描述结构，数据文件保存内容，存取路径负责定位
| 信息 | 例子 | 作用 |
|---|---|---|
| 数据描述 | 数据字典／系统目录 | 解释外模式、模式和内模式 |
| 数据本身 | 元组、页面、数据文件 | 保存业务内容 |
| 数据联系 | 表关联、指针或邻接关系 | 表达实体联系 |
| 存取路径 | 索引、哈希、顺序组织 | 支持定位、扫描和访问 |
Takeaway
数据字典保存描述，数据文件保存业务数据，存取路径帮助定位它们；四类内容都要采用合适的物理组织
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PHYSICAL ORGANIZATION
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文件组织方式要和访问模式匹配
堆文件、顺序文件、哈希文件和 B+ 树文件适合不同访问模式
| 组织方式 | 主要特点 | 适合的访问 |
|---|---|---|
| 堆文件 | 记录通常无序存放，不维护全局顺序 | 插入简单、无序扫描 |
| 顺序／索引顺序文件 | 顺序文件按记录顺序组织，索引顺序文件增加定位信息 | 顺序扫描、批处理、范围访问 |
| 哈希文件 | 用哈希函数把键映射到桶 | 等值点查询 |
| B+ 树文件（有序索引） | 多级有序结构，叶结点支持顺序访问 | 等值、范围和有序访问 |
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FILE ORGANIZATION
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索引路径的建立、选择与维护
用户只面对逻辑表，系统在已有路径中选路并保持索引一致
建立与删除路径
用户或管理员通过 CREATE INDEX、DROP INDEX 改变可用的存取路径集合
查询选路
查询优化器只在已有索引路径、顺序扫描等候选方案中选择执行方案
同步维护路径
更新索引键时同步修改相关索引项，更新非索引属性时通常不改变该索引项
Takeaway
逻辑表与独立索引路径分离，用户无需知道物理布局；建立、选择和维护由不同系统职责完成
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RELATIONS AND PATHS
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本节回顾
记录请求经页面访问，由文件组织与索引完成物理定位
一次读取
READBUF 命中直接返回，未命中准备页面并调用 READ
一次淘汰
选择可释放候选页，选中已修改页时先写回
一次物理定位
数据文件保存数据，索引提供路径，逻辑表不暴露物理布局
Takeaway
未缓存的 SC 成绩记录读取依次经过缓冲区、文件组织、索引路径和外存 I/O
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RECAP
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本节知识地图
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KNOWLEDGE MAP
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本节问题
- 01缓冲区如何兼顾设备独立与访问效率？
- 02SC 未缓存时，
READBUF、申请缓冲页、淘汰、OSREAD的顺序是什么？ - 03可释放标志如何影响淘汰资格？WAL 为何要求日志先于修改页写回？
- 04访问 A 后请求 D，FIFO 和 LRU 各可能淘汰谁？
- 05数据字典、元组文件、联系、索引各属哪类物理信息？
- 06
CREATE INDEX、优化、维护各做什么？用户 SQL 为何不变？
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