SQL Server 2008存储结构之GAM、SGAM

【IT168专稿】 谈到GAM和SGAM，我们不得不从数据库的页和区说起。一个数据库由用户定义的空间构成，这些空间用来永久存储用户对象，例如数据库管理信息、表和索引。这些空间被分配在一个或多个 操作系统 文件中。

　　当我们创建一个数据库的时候，例如以缺省的方式CREATE DATABASE TESTDB，SQLServer自动帮我们创建好如下两个数据库文件。

　　这两个数据文件是实实在在的 操作系统 文件，其中一个是叫行数据文件，用来存储数据库的各种对象，另外一个是日志文件，从来记录数据变化的过程。

　　从逻辑角度而言，数据库的最小存储单位为页即8kb。

　　数据库被分成若干逻辑页面(每个页面8KB)，并且在每个文件中，所有页面都被连续地从0到x编号，其中x是由文件的大小决定的。我们可以通过指定一个数据库ID、一个文件ID、一个页码来引用任何一个数据页。每个数据页则用来存储表和索引，以及相关的数据库管理信息。

　　我们顺着上面数据文件的路径可以找到该文件，观察一下新建的数据文件的大小为：

　　2.18 MB (2,293,760 字节)=2,293,760b/8kb=280个页面=35个区

　　数据库进行空间管理的最小单位为区(extents)。

　　一个区由8个逻辑上连续的页面组成(64KB的空间)。为了能够更有效地分配空间，SQL Server 2008不会为少量的数据向数据表分配整区的空间。SQL Server 2008有两种类型的区。

　　统一类型的区 这些区为单个对象所有，区中所有的8个数据页只能被所属对象使用。

　　混合类型的区 这些区能为最多8个对象共享。

　　SQL Server为新的表或索引从混合类型的区中分配页面。当该表或索引增长到8个页面时，以后所有的分配都使用统一类型的区。

　　当一张表或一个索引需要更多的空间时，SQL Server需要找到能够用来分配的空间。如果该表或索引整体仍然少于8个页面，SQL Server必须找到能够用来分配的混合类型区构成的空间。如果表或索引有8个页面或更大，SQL Server必须找到一个自由的统一类型的区。

　　SQL Server使用两种特殊类型的页面来记录哪些区已经被分配出去了，哪些类型(混合类型或统一类型)的区可供使用：

　　全局分配映射(Global Allocation Map，GAM)页面 这些页面记录了哪些区已经被分配并用作何种用途。一个GAM页面在它所覆盖空间里针对每一个区都有一个数据位。如果数据位为0，那么对应的区正在使用;如果该数据位为1，那么该区为自由区。一个GAM页面除了页面头部和其他一些需要记入的开销大概有8 000字节或者说64 000位空间可用，所以每个GAM页面可以覆盖64 000个区，也就是大约4GB的数据。这意味着一个文件的每4GB空间对应一个GAM页面。

　　共享全局分配映射(Shared Global Allocation Map，SGAM)页面 这些页面记录了哪些区当前被用作混合类型的区，并且这些区需含有至少一个未使用的页面。就像一个GAM页面，每一个SGAM页面覆盖了大约64 000个区，也就是大约4GB的数据。一个SGAM页面在它所覆盖空间里针对每一个区都有一个数据位。如果数据位为1，那么对应的被使用的区为混合类型，并且该区有一些自由页面;如果数据位为0，那么对应的区不是一个混合类型的区，或者虽然是一个混合类型的区，但是所有的页面都已被使用了。

　　表4-2显示了基于每一个区当前的使用情况，在GAM和SGAM中该区所对应的比特位模式。

　　如果SQL Server需要找到一个新的完全没有使用的区，那么它可以使用任何一个在GAM页面中对应的比特位值为1的区。如果SQL Server需要找到一个有着可用空间(有一个或多个自由页面)的混合类型的区，那么它可以寻找一个对应的GAM中的值为0、SGAM中的值为1的区。如果不存在有可用空间的混合类型的区，SQL Server会使用GAM页面来寻找一个全新的区并将其分配为混合类型的区，然后使用该区中的一页。如果根本没有自由区，那么这个文件已经满了。

　　SQL Server能够迅速地锁定一个文件中的GAM页面，因为它总是位于任何数据库文件的第三页上(页码为2)。SGAM页面是在第四页上(页码为3)。下一个GAM页面出现在第一个GAM页面(页码为2)以后的每511 230个页面中，并且下一个SGAM页面出现在第一个SGAM页面(页码为3)以后的每511 230个页面中。每一个数据库文件的页码为0的页面是文件头页面，并且每个文件仅有一页。页码0是头文件页，页码1是页面自由空间页(Page Free Space，PFS)。

　　在SQLServer2008的每一个数据库中的前八页顺序都是固定的。

　　除了第9页为数据库的BOOT页以外，从第8页到第173页为SQLServer2008内部系统表的相关存储信息，然后从第174页到第279页为未分配页面。因为第一页从0开始，所以刚好280页，即和我们看到的数据库数据文件的大小完全相等。

　　以下截图是通过SQLServer2008的Internals Viewer插件看到的整体页面结构，该插件是从http://www.SQLInernalsViewer.com网站下载的，分为不同的.net版本。

　　备注：TESTDB为新创建的空数据库，没有任何用户自定义对象，直到有建表脚本为止;

       关于数据库页类型如下所示：

　　实际上SQLServer还包括一些未公开的页面类型，例如type 19，type 14等等。

　　本章我们主要介绍GAM页和SGAM页，其他页面类型会稍后介绍。

　　那么如何查看页面信息呢，从SQLServer2000起便开始提供了一个读取数据页结构的命令DBCC Page。该命令为非文档化的命令，具体如下：

　　DBCC Page ({dbid|dbname},filenum,pagenum[,printopt])

　　具体参数描述如下：

　　dbid               包含页面的数据库ID

　　dbname       包含页面的数据库的名称

　　filenum         包含页面的文件编号

　　pagenum      文件内的页面

　　printopt            可选的输出选项;选用其中一个值：

　　                          0:默认值，输出缓冲区的标题和页面标题

　　                         1:输出缓冲区的标题、页面标题(分别输出每一行)，以及行偏移量表

　　                         2:输出缓冲区的标题、页面标题(整体输出页面)，以及行偏移量表

　　                         3:输出缓冲区的标题、页面标题(分别输出每一行)，以及行偏移量表;每一行后跟分别列出的它的列值

　　如果要想看到这些输出的结果，还需要设置DBCC TRACEON(3604)。

　　如前文所述，GAM页一定存在于该数据库的第二个页面，SGAM页则一定存在于该数据库的第三个页面;而每一个数据库都会存在文件编号为1的数据库文件，所以我们执行以下命令即可。

　　我们可以看到一个完整的页面分为四个部分;BUFFER、PAGE HEADER、DATA和OFFSET TABLE。

　　让我们首先从GAM页开始看起：

　　BUFFER部分：

　　显示给定页面的缓冲信息，是 内存 中的结构，用于管理页面，该信息仅当该页面处于 内存 时才有意义。关于这个部分我们知之甚少，基本上无法找到相关材料。

　　PAGE HEADER部分：

　　PAGE HEADER部分显示的是该页面上的所有报头字段的数据

　　PAGE HEADER这部分内容只有通过DBCC PAGE(TESTDB,1,2,2)即整体输出页面才能够展现;通过与上面表格的对照，我们勉强能识别一些相关存储信息;当这部分缺乏官方文档的支持，为了避免无谓的猜测，所以暂时就不做深入探讨了。

　　DATA 部分

 　　DATA部分一般分为若干插槽号(Slot)，如果是数据页或索引页的话，可以理解为一行记录，SQLServer通过文件号+页面号+插槽号用来唯一标识表中的每一条记录。但在GAM页中我们可以把Slot 0理解为GAM页的保留页，共计94个字节。

　　从第194个字节开始(页面总是从第0个字节开始的)，到第196个字节，这三个字节代表已分配的分区的情况。即0000C0。

　　我们再来看一下DBCC PAGE(TESTDB,1,2,3)的执行结果。

　　上面显示从第1页到第168页已分配，而第176页到272页未分配，和DBCC PAGE(TESTDB,1,2,2)显示的194个页面似乎有些矛盾，实际上是不矛盾的。如前文所述，GAM对未使用的分区标识为0，而对已分配的分区标识为1

　　1个分区=64页，因为前128个页面均已分配，所以前两个字节为00 00

　　从第128个页面起到第175个页面也均已分配，实际上为6个区为0也就是说连续6个bit为0，一个字节为8个bit，最后两个bit为11，所以该字节为0000 0011，在此需要反转一下相关二进制位;反转之后为1100 0000即为C0。

　　最后让我们用Internals Viewer插件看一下GAM页的全貌吧。

　　SGAM页面

 
 　　以下为DBCC PAGE(TESTDB,1,3,3)得到的相关信息，有兴趣的可以和20ee20做一下对比。

 
　　最后让我们用Internals Viewer插件看一下SGAM页的全貌吧。

　　总结一下，关于GAM和SGAM页比较困难的地方：

　　1、 关于GAM和SGAM页中的BUFFER信息基本无法理解，也找不到相关材料。

　　2、 PAGE HEADER的部分信息和Slot 0中的一部分信息，也无法找到相关材料。

　　3、 SGAM页中的NOT ALLOCATED实际上是统一类型区或者已使用完的混合类型的区，而ALLOCATED实际上为含有自由页面的混合区。

　　4、 GAM页中0代表已分配，1代表自由区;和一般的标志位的含义刚好相反。

　　5、 GAM和SGAM实际上只分配了280个页面，即35个区;显示出来的数据内容虽然很多，但后面的分区信息实际上是不存在的。

　　6、 GAM和SGAM通过DBCC的printopt为3的属性显示出来的页面分配信息看似是断号的。

　　7、 GAM和SGAM的区信息的字节是通过二级制反转得到的。

　　GAM和SGAM页的总的大小为8192个字节;文件头为96个字节，slot 0为94个字节，slot 1的头部的系统信息为4个字节，尾部的系统信息为10个字节，所以有效存储应为7988个字节，63904个区，511230个页;事实上当数据文件超过约4G的时候，我们将能在第511232页、 第511233页分别找到其对应的GAM、SGAM页面。

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