原文:人人都是 DBA（VIII）SQL Server 页存储结构
当在 SQL Server 数据库中创建一张表时，会在多张系统基础表中插入所创建表的信息，用于管理该表。通过目录视图 sys.tables, sys.columns, sys.indexes 可以查看新建的表的元数据信息。
下面使用创建 Customer 表的过程作为示例。
USE [TEST]
GO
DROP TABLE [dbo].[Customer]
GO
CREATE TABLE [dbo].[Customer](
[ID] [int] NOT NULL,
[Name] [varchar](50) NOT NULL,
[Address] [varchar](100) NULL,
[Phone] [varchar](100) NULL
)
GO
select * from sys.tables where [name] = ‘Customer‘; select * from sys.columns where object_id = (select object_id from sys.tables where [name] = ‘Customer‘); select * from sys.indexes where object_id = (select object_id from sys.tables where [name] = ‘Customer‘);
如果一张表没有聚集索引（Clustered Index），则数据本身没有结构，这样的表称为堆（Heap）。sys.indexes 中堆的 index_id 为 0，可以看到 Customer 表没有建立任何索引，所以 index_id 为 0，并且 type_desc 为 HEAP。
堆中的数据没有任何结构，当有新的数据行插入时，SQL Server 会寻找空闲的可用空间直接插入。存储数据的数据页之间也没有连接关系，不会形成一个链表。
如果为表建立上非聚集索引（Non-Clustered Index），则 index_id 从 2 开始增长。1 的位置始终留给聚集索引（Clustered Index）。
CREATE NONCLUSTERED INDEX [IX_Customer_Name] ON [dbo].[Customer] ([Name]);
ALTER TABLE [dbo].[Customer] ADD CONSTRAINT [PK_Customer] PRIMARY KEY CLUSTERED ([ID]);
SQL Server 在构成 Primary Key 约束的列上创建一个唯一索引，如果不明确指定，则默认该索引类型是唯一聚集索引。建立 Primary Key 后，可以在 sys.key_constraints 视图中查看主键信息。
select * from sys.check_constraints select * from sys.default_constraints select * from sys.key_constraints select * from sys.foreign_keys
当为表建立聚集索引后，表内的数据会重构成树状结构，也就是使用 B 树形式进行存储。
SQL Server 数据库的每张表和索引都可以存储在多个分区上，sys.partitions 视图为堆或索引的每个分区包含一行数据。每个堆或索引都至少有一个分区，即使没有专门进行分区。
select * from sys.partitions where object_id = (select object_id from sys.tables where [name] = ‘Customer‘);
SQL Server 用于描述某个分区上某张表或索引子集的术语是 hobt，代表 Heap Or B-Tree，即堆或 B 树，发音读作 "hobbit"。所以上图中可以看到存在一列为 hobt_id，使得 partition_id 和 hobt_id 形成 一对一的关系，实际上这两列总是具有相同的值。
分区上可以存储 3 种类型的数据页：
- 行内数据页（In-Row Data Pages）
- 行溢出页（Row-Overflow Data Pages）
- LOB 数据页（LOB Data Pages）
一个分区下的一种数据页类型的一组页面称为分配单元（Allocation Unit），可以使用 sys.allocation_units 视图来查看。
SELECT object_name(object_id) AS [name]
,partition_id
,partition_number AS pnum
,rows
,allocation_unit_id AS au_id
,type_desc AS page_type_desc
,total_pages AS pages
FROM sys.partitions p
JOIN sys.allocation_units a ON p.partition_id = a.container_id
WHERE object_id = OBJECT_ID(‘dbo.Customer‘);
如果行的长度超过了最大值 8060 字节，那么行的数据会被存放到行溢出页中。如果行中存在 LOB 类型的字段，则会使用 LOB 数据页存储。
ALTER TABLE [dbo].[Customer] ADD [OrderDescription] varchar(8000); ALTER TABLE [dbo].[Customer] ADD [OrderDetails] text;
对表添加聚集索引不会修改 sys.allocation_units 中的行数，但会修改 partition_id，因为创建聚集索引会导致表在系统内重建。添加非聚集索引则会至少添加一行记录以跟踪该索引。
ALTER TABLE [dbo].[Customer] ADD CONSTRAINT [PK_Customer] PRIMARY KEY CLUSTERED ([ID]); CREATE NONCLUSTERED INDEX [IX_Customer_Name] ON [dbo].[Customer] ([Name]);
SELECT convert(CHAR(8), object_name(i.object_id)) AS table_name
,i.NAME AS index_name
,i.index_id
,i.type_desc AS index_type
,partition_id
,partition_number AS pnum
,rows
,allocation_unit_id AS au_id
,a.type_desc AS page_type_desc
,total_pages AS pages
FROM sys.indexes i
JOIN sys.partitions p ON i.object_id = p.object_id
AND i.index_id = p.index_id
JOIN sys.allocation_units a ON p.partition_id = a.container_id
WHERE i.object_id = object_id(‘dbo.Customer‘);
可以通过 DMV 视图查询索引状况。
SELECT * FROM sys.dm_db_index_physical_stats(DB_ID(‘TEST‘), OBJECT_ID(N‘dbo.Customer‘), NULL, NULL, ‘DETAILED‘);
SQL Server 中的数据页具有 8KB（8192 Bytes）的固定长度，每个数据页由 3 部分组成：
- 页头（Page Header）
- 数据行（Data Rows）
- 行偏移数组（Row Offset Array）
页头（Page Header）占了 96 字节长度。向 Customer 表插入条数据看看。
INSERT INTO [dbo].[Customer] (
[ID]
,[Name]
,[Address]
,[Phone]
)
VALUES (
1
,‘Dennis Gao‘
,‘Beijing Haidian‘
,‘18866667777‘
)
GO
使用 sys.fn_dblog 查询事务日志，获取新插入的 Page 相关信息。
SELECT [Current LSN]
,[Operation]
,[Context]
,[Transaction ID]
,[Log Record Length]
,[Previous LSN]
,[AllocUnitId]
,[AllocUnitName]
,[Page ID]
,[Slot ID]
,[Xact ID]
FROM sys.fn_dblog(NULL, NULL)
发现 LOP_INSERT_ROWS 操作对应的 Page ID 为 0001:0000008e，翻译成 10 进制为 1:142。也就是文件号为 1，页编号为 142。实际上，每个页都会通过一个 6 Bytes 的值来表示，其中包含 2 Bytes 的文件 ID 和 4 Bytes 的页编号。
由于我们只插入了 1 条数据，可以使用 sys.system_internals_allocation_units 目录视图来查看首页地址。以 sys.system_internals_ 开头的目录视图是还未公开的目录视图。sys.system_internals_allocation_units 比 sys.allocation_units 视图多 3 个字段：first_page, root_page, first_iam_page。
SELECT object_name(object_id) AS [name]
,rows
,type_desc AS page_type_desc
,total_pages AS pages
,first_page
,root_page
,first_iam_page
FROM sys.partitions p
JOIN sys.system_internals_allocation_units a ON p.partition_id = a.container_id
WHERE object_id = object_id(‘dbo.Customer‘);
这里的 first_page = 0x8E0000000100 十六进制结果可以翻译为 00 01 共 2 字节的文件号，和 00 00 00 8E 共 4 字节的页编号。与上面的 0001:0000008e 正好匹配。
不过，这么计算基本上乐趣全无了，可以使用如下的 SQL 进行直接翻译。
DECLARE @page_num BINARY (6) = 0x8E0000000100;
SELECT (convert(VARCHAR(2), (
convert(INT, substring(@page_num, 6, 1)) * power(2, 8))
+ (convert(INT, substring(@page_num, 5, 1))))
+ ‘:‘
+ convert(VARCHAR(11), (
convert(INT, substring(@page_num, 4, 1)) * power(2, 24))
+ (convert(INT, substring(@page_num, 3, 1)) * power(2, 16))
+ (convert(INT, substring(@page_num, 2, 1)) * power(2, 8))
+ (convert(INT, substring(@page_num, 1, 1))
))) AS page_number;
另一种确认页编号的方式是使用 DBCC IND 命令，用于查找表中的所有的页。
DBCC IND([TEST], ‘dbo.Customer‘, -1) GO
实际上，还有一种查询页编号的方式是使用内部函数 sys.fn_PhysLocFormatter，不过很遗憾，这个函数的返回结果存在问题，不准确。
SELECT %%physloc%%, sys.fn_PhysLocFormatter (%%physloc%%) AS RID, * FROM dbo.Customer;
DBCC TRACEON(3604, -1) GO DBCC PAGE([TEST], 1, 142, 1) GO
DBCC PAGE 的输出结果分成 4 个部分：BUFFER，PAGE HEADER，DATA，OFFSET TABLE。
- BUFFER 部分显示给定页面的缓冲区信息。
- PAGE HEADER 部分显示 Page 页头信息。
- DATA 部分显示 Page 中存放的记录信息。
- OFFSET TABLE 部分显示行偏移数组信息。
PAGE: (1:142) BUFFER: BUF @0x000000027D0048C0 bpage = 0x0000000272292000 bhash = 0x0000000000000000 bpageno = (1:142) bdbid = 7 breferences = 0 bcputicks = 0 bsampleCount = 0 bUse1 = 17332 bstat = 0x10b blog = 0x15acc bnext = 0x0000000000000000 PAGE HEADER: Page @0x0000000272292000 m_pageId = (1:142) m_headerVersion = 1 m_type = 1 m_typeFlagBits = 0x0 m_level = 0 m_flagBits = 0x8000 m_objId (AllocUnitId.idObj) = 110 m_indexId (AllocUnitId.idInd) = 256 Metadata: AllocUnitId = 72057594045136896 Metadata: PartitionId = 72057594040287232 Metadata: IndexId = 0 Metadata: ObjectId = 1045578763 m_prevPage = (0:0) m_nextPage = (0:0) pminlen = 8 m_slotCnt = 1 m_freeCnt = 8039 m_freeData = 151 m_reservedCnt = 0 m_lsn = (34:369:91) m_xactReserved = 0 m_xdesId = (0:0) m_ghostRecCnt = 0 m_tornBits = 0 DB Frag ID = 1 Allocation Status GAM (1:2) = ALLOCATED SGAM (1:3) = ALLOCATED PFS (1:1) = 0x61 MIXED_EXT ALLOCATED 50_PCT_FULL DIFF (1:6) = CHANGED ML (1:7) = NOT MIN_LOGGED DATA: Slot 0, Offset 0x60, Length 55, DumpStyle BYTE Record Type = PRIMARY_RECORD Record Attributes = NULL_BITMAP VARIABLE_COLUMNS Record Size = 55 Memory Dump @0x000000000B7DA060 0000000000000000: 30000800 01000000 04000003 001d002c 00370044 0..............,.7.D 0000000000000014: 656e6e69 73204761 6f426569 6a696e67 20486169 ennis GaoBeijing Hai 0000000000000028: 6469616e 31383836 36363637 373737 dian18866667777 OFFSET TABLE: Row - Offset 0 (0x0) - 96 (0x60)
| 字段名 |
描述 |
|
m_pageId |
页在文件中的位置序号。(1:142) 表示文件 1 中第 142 页。 |
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m_headerVersion |
Page Header 的定义版本。目前一直为 1。 |
|
m_type |
页类型。 1 - 数据页，存放堆或聚集索引的页节点数据等。 2 - 索引页，存放聚集索引的内部节点数据，或者所有的非聚集索引数据。 3 - Text Mix Page 4 - Text Tree Page 7 - Sort Page，存放排序操作的中间结果。 8 - GAM Page 9 - SGAM Page 10 - IAM Page，IAM = Index Allocation Map。 11 - PFS Page 13 - Boot Page 15 - File Header Page 16 - Diff Map Page 17 - ML Map Page 18 - A page is deallocated by DBCC CHECKDB during a repair. 19 - Temporary page for DBCC INDEXDEFRAG 20 - Page pre-allocated as part of a bulk load operation. |
|
m_level |
代表页在 B 树上的层。 B 树中叶节点 Level 为 0，向上累加。 |
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m_objId |
关联的对象 ID |
|
m_indexId |
关联的索引 ID |
|
m_prevPage |
指向前一页的指针。 |
|
m_nextPage |
指向后一页的指针。 |
|
pminlen |
行的固定长度部分的字节数。 |
|
m_slotCnt |
该页上存放的记录行数。 |
|
m_freeCnt |
页上的可以用空间字节数。 |
|
m_freeData |
该页上第一个可用空间的字节偏移位置。 |
|
m_reservedCnt |
为活动事务保留的可用空间字节数量。 |
|
m_lsn |
最后一个更改页信息的操作的 Log Sequence Number 事务日志编号。 |
|
m_xactReserved |
最后更新 m_reservedCnt 字段的事务保留的可用空间的字节数。 |
|
m_xdesId |
最近更新 m_reservedCnt 字段的事务 ID。 |
|
m_ghostRecCnt |
Ghost 记录的数量。 |
|
m_tornBits |
Page Checksum |
Metadata 为前缀的字段不是 Page Header 中的内容，它们是 DBCC PAGE 的一些查询结果。
- Metadata: AllocUnitId = 72057594045136896
- Metadata: PartitionId = 72057594040287232
- Metadata: IndexId = 0
- Metadata: ObjectId = 1045578763
这与使用目录视图查询的结果一致。
SELECT convert(CHAR(8), object_name(i.object_id)) AS table_name
,i.object_id
,i.index_id
,partition_id
,partition_number AS pnum
,rows
,allocation_unit_id AS au_id
,total_pages AS pages
FROM sys.indexes i
JOIN sys.partitions p ON i.object_id = p.object_id
AND i.index_id = p.index_id
JOIN sys.allocation_units a ON p.partition_id = a.container_id
WHERE i.object_id = object_id(‘dbo.Customer‘);
我们发现 m_objId 和 m_indexId 两个字段的值没有在之前的查询中出现过：
- m_objId (AllocUnitId.idObj) = 110
- m_indexId (AllocUnitId.idInd) = 256
实际上这两个字段的值是计算出来的结果，计算规则：
- 将 m_indexId 向左移 48 位，记录为值 A；
- 将 m_objId 向左移 16 位，记录为值 B；
- AllocUnitId = A|B；（逻辑或）
例如，使用上面的页中的值，
- A = 256 << 48 = 72057594037927936
- B = 110 << 16 = 7208960
- A|B = 72057594045136896
可以使用如下 SQL 进行计算。
SELECT 256 * CONVERT(BIGINT, POWER(2.0, 48)); SELECT 110 * CONVERT(BIGINT, POWER(2.0, 16)); SELECT 256 * CONVERT(BIGINT, POWER(2.0, 48)) | 110 * CONVERT(BIGINT, POWER(2.0, 16));
那么，反向根据 AllocUnitId 求 m_objId 和 m_indexId 的方式和上面的规则正好相反：
- m_indexId = AllocUnitId >> 48
- m_objId = (AllocUnitId - (m_indexId << 48)) >> 16
可以使用下面的 SQL 语句进行计算。
DECLARE @alloc BIGINT = 72057594045136896;
DECLARE @index BIGINT;
SELECT @index = CONVERT(BIGINT, CONVERT(FLOAT, @alloc) * (1 / POWER(2.0, 48))
);
SELECT CONVERT(BIGINT, CONVERT(FLOAT, @alloc - (@index * CONVERT(BIGINT, POWER(2.0, 48)))) * (1 / POWER(2.0, 16))
) AS [m_objId]
,@index AS [m_indexId];
GO
DBCC PAGE 输出的 OFFSET TABLE 部分是一块 2 字节的条目块，其中每个条目指向着行数据页的起始位置。也就是，每一行数据都有一个 2 字节的条目在行偏移数组中。行偏移数组指向着页内数据的逻辑顺序。例如，对于一个聚集索引的表，SQL Server 会按照聚集索引的键的顺序对数据进行存储，这并不是说物理顺序就是按照键的顺序排列，而是在行偏移数组中的 slot 0 存放索引的第 1 个数据引用，slot 1 存放第 2 个数据引用，以此类推。这样，物理上数据就可以存放在任意位置了。
对于数据行存储的结构，可以用下图所示，包括存储固定长度字段数据和变长字段数据。
可以与 DBCC PAGE 输出的 DATA 数据段落进行数据对比分析，具体的内容较为复杂，这里就不详细展开了。
Slot 0, Offset 0x60, Length 55, DumpStyle BYTE Record Type = PRIMARY_RECORD Record Attributes = NULL_BITMAP VARIABLE_COLUMNS Record Size = 55 Memory Dump @0x000000000B1DA060 0000000000000000: 30000800 01000000 04000003 001d002c 00370044 0..............,.7.D 0000000000000014: 656e6e69 73204761 6f426569 6a696e67 20486169 ennis GaoBeijing Hai 0000000000000028: 6469616e 31383836 36363637 373737 dian18866667777
由于每页有固定的 8K 字节的大小。每一个数据页中都包含多条数据记录，一页中能存储多少条记录则直接依赖于记录本身的大小。由于从磁盘读取数据时也是从磁道和柱面一次读取多个数据页，让后将数据页存放到内存缓冲区，所以如果每数据页可以存放更多的数据记录，则可以直接减少物理读的次数，而通过逻辑读来提高性能。
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