ARIES (2/8)

БД с высоты птичьего полёта. Работа с памятью и диском.

Для начала несколько параграфов о том, как БД работают, если смотреть очень издалека, но чуть ближе, чем при работа с клиентами БД в языках программирования. Фундаментально БД — это точно такой же процесс или группа процессов, запущенных на операционной системе, как наши с вами любимые веб-серверы или приложения на телефоне. Распределённые БД опустим, там всё тоже самое, только в миллиард раз сложнее. Для начала про память и диск в БД, а затем как БД предотвращают потерю данных за счёт логирования.

Как и в любом другом процесс, часть данных БД находится в энергозависимой памяти, она же RAM, она же просто «память». При этом основная задача базы данных — сохранять данные в энергонезависимую память: на HDD, SDD, ленточные накопители (tape drive) в зависимости от того, что у вас там есть под рукой и какой сейчас год. Энергонезависимые устройства обычно сильно медленнее читают, и уж тем более записывают данные, чем память. Настолько медленно, что у БД нет совершенно никакой возможности транслировать запросы на чтения и записи напрямую в диск. Получается дилемма. С одной стороны, БД должна всё сохранять в диск, чтобы данные не терялись. С другой, часть данных нужно хранить в памяти, потому что диски слишком медленные. А информация из памяти пропадает сразу, как только выключается свет или умирает процесс с БД.

Самый прямолинейный выход из такой ситуации: хранить в БД буфер памяти (memory buffer), отображаемый периодически один-к-одному на диск. Решение не идеальное, поскольку объём дисков обычно многократно больше объёма памяти, всё хранить не получится. К тому же записывать и читать прямо весь буфер сразу — затратно. Не синхронизировать же в самом деле по 32+ ГБ RAM за раз. Но выход есть: хранить только какое-то количество страниц (page) в памяти. Страницы обычно делают одинакового размера — так с ними проще работать. Здесь мы исходит из предложения, что все данные разом скорее всего не нужны, поэтому можно хранить только ту часть, с которой сейчас идёт работа.

Выходит, в БД хранится некий набор страниц, отображаемых 1-к-1 на участки диска. А теперь финт ушами. Вот мы вытащили страницу из диска и храним её в памяти. Поскольку единственный способ поменять содержимое диска — записать страницу, пока этого не произошло, наша страница — это точное отображение данных на диске. И она хранится в памяти. Значит любой запрос к данным на диске можно адресовать к этой самой странице в памяти. Это от нескольких раз до нескольких порядков быстрее!

Теперь про запись. Пока данные на странице не поменялись, т.е. пока страница остаётся «чистой» — можно даже не ходить в диск, так как данные есть в памяти. Как только данные на странице поменялись, она становится «грязной» (dirty page). Такую страницу нужно запись на жёсткий диск, чтобы она снова стала чистой. Записью и чтением страниц из памяти и наоборот в БД занимается компонент под названием buffer manager (Далее — BM). Кстати, если вам кажется, что вы что-то такое про страницы и синхронизации уже слышали, то как оно и есть! Виртуальная память в ОС работает довольно похожим образом, правда у ОС не стоит задачи все данные впихнуть в диск, а ещё есть аппаратная поддержка. Тем не менее, подходы и даже терминология очень схожи.