从数据库到固态硬盘的读取过程

应用程序到数据库到操作系统到固态硬盘

在我研究了从应用程序发送的简单 SQL 查询是如何最终存储到磁盘的过程中，我发现术语 “页（page）” 和 “块（block）” 可能是软件工程中最多用的概念之一。有数据库页（database page），操作系统虚拟内存页（virtual memory page），文件系统块（file system block），固态硬盘页（SSD page），两种类型的固态硬盘块（SSD block），其中一个称为逻辑块（logical block），对应于文件系统，另一个是更大的单元，称为擦除块（erase unit），其中包含多个页。所有这些单元都可以具有不同的大小，有些匹配，有些不匹配。

在本文中，我将详细介绍一个 SELECT 语句以及在执行过程中不同层次的输入 / 输出（I/O）是如何一直执行到磁盘的底层。

这里是我们将要解释的完整图示：

但首先，基础知识

当您在数据库中创建一个表时，会在磁盘上创建一个文件，并将数据布局在固定大小的数据库页中。数据在页中的布局方式取决于引擎是行存储还是列存储。将页视为一种结构，它具有标头和数据，数据部分是行所在的位置。

数据库页可以是 8KB（Postgres）或 16KB（例如 MySQL InnoDB）或更大。表被存储为文件中的页数组，其中页面索引 + 大小告诉数据库确切的偏移量和读取量。例如，假设数据库页大小为 8KB，要从磁盘上读取第 7 页，您需要寻找偏移量 7 * 8192 + 1，并且您将读取 8192 字节的长度。

行及其所有列依次存储在页中。如果行无法适应页中剩余的空间，则会分配一个新页面，并将该行放入新页面中。

当从磁盘读取页面并放入缓冲池时，我们可以免费获取该页面中的任何行（和列）。无论您是否相信，这可能是数据库优化和数据建模中最重要的认识。

有了这些基础知识，让我们执行此查询，查询表为 “STUDENTS”，其中包含一个类型为 “serial” 的 ID 字段（单调递增）。该表有 20,000 行，分布在 20 个页面中。我们所需的行（1008 行）位于页面 1（第二个页面）。缓存中没有任何数据。为了保持简单，我不打算在这里包含索引，只是为了保持简单，虽然会比较慢。为简洁起见，我只画出前三个页面。

SELECT NAME FROM STUDENTS WHERE ID = 1008;

无论我们是使用主索引作为表的聚簇索引，还是在没有主索引的情况下使用堆表（如在 PostgreSQL 中），我认为这里的模型是相似的。尽管 ID 字段没有建立索引，在 InnoDB 的情况下，您可以将另一个字段视为主键，它会强制我们进行全索引扫描，其中我们读取主索引的叶子页面；而在 PostgreSQL 中，则会对表进行顺序扫描。我们假设每个页面大小为 8KB。

数据库

数据库解析并理解查询，由于 ID 字段没有建立索引，所以它进入了全表扫描模式，以获取值为 1008 的行。

数据库从页面 0 开始，并检查页面 0 是否在缓冲池中。缓冲池是所有数据库进程之间共享的内存空间，用于存储页面，也可以在其中进行写入操作。数据库没有找到页面 0，因此它向表文件发送读取页面 0 的请求。

文件的偏移量是 0*8192，我们要读取 8192 字节。页面被读取并放置在共享缓冲区内存中。页面包含行 1 到 1000，数据库解析页面，反序列化并在内存中查找每行的 ID 值，但没有找到。因此，我们继续读取页面 1。

读取页面 1 时，文件的偏移位置为 1*8192，我们要读取 8192 字节。页面 1 被放置在共享缓冲区中，与页面 0 一起存储。数据库在页面中查找行 1008，并找到并返回给用户。

现在让我们进一步细分，看看数据库向操作系统发出读取请求时会发生什么。

文件系统

文件系统以块或逻辑块的单位从磁盘读取和写入数据。这些单位的大小可以从 512 字节到 4KB 不等，其中 4KB 是最常见的大小。

操作系统接收到读取文件偏移量为 0，读取 8192 字节的请求，并使用文件系统索引节点或 "inode" 将请求的字节映射到文件系统块。每个逻辑文件系统块地址（LBA）映射到存储设备中的特定物理块，我们将在后面学到这一点。如果您读取单个字节，实际上会从磁盘中读取整个块。

当请求从偏移量 0 开始读取 8192 字节时，操作系统执行以下检查：

1. 文件的偏移量 0 到 8192 字节之间的块是哪些？
2. 假设文件系统块大小为 4KB，则得到两个块。
3. 文件系统查找文件的索引节点以查找逻辑块地址（LBA），假设这些块是 100 和 101。
4. 操作系统然后在文件系统页缓存中查找块 100 和 101，以查看先前的读取是否已将它们获取并放置在内存中。
5. 文件系统页缓存位于内存中，存储块地址和主内存中虚拟内存页的地址。
6. 操作系统中的虚拟内存页通常是 4KB，与块大小相匹配。因此，一个块可以适配到一个内存页中。
7. 假设操作系统在页缓存中未找到块 100 和 101，因此准备从磁盘中读取。

注意，索引节点包含有关文件的其他元数据，例如权限信息。

存储

我们了解到读取页 0 相当于偏移量 0 和长度 8192，它被转换为文件系统块 100 和 101，每个块的大小为 4KB。操作系统检查了缓存，但找不到这些块，因此从磁盘中读取。

假设使用 NVMe 固态硬盘，操作系统通过 NVMe 驱动向存储设备发送读取命令。读取命令有许多参数，但最重要的是起始 LBA（逻辑块地址），第二个参数是要读取的块数。这意味着驱动程序发出了一个读取命令，传递了 (100, 0)。长度为 0 表示在 NVM 命令集中读取 1 个块。

现在有趣的地方来了。在 NVMe 中，“块” 的大小可能与文件系统块大小不同。例如，在这里我们假设 NVMe 块与文件系统块大小相同，都是 4KB。如果它们不同，操作系统需要更改读取参数。例如，如果 NVMe 块大小为 2KB，则文件系统块大小将包含 2 个 NVMe 块。因此，读取命令将为 101, 3。

固态硬盘（SSD）被分成页面，这是最小的读写单元。SSD 的 NAND 页面目前的大小为 16KB。页面被分组成更大的单元，通常也称为块，以擦除单元的方式。要写入 SSD 页面，页面必须处于擦除状态，而单独擦除页面是不可能的，必须擦除整个擦除单元。

现在，我们的 NVMe 逻辑块地址映射到这个页面中的一个偏移量。因此，在这种情况下，由于我们的 NVMe 逻辑块大小为 4KB，4 个块适合于 SSD NAND 页面。

SSD 实际上并不使用逻辑块地址，它只知道页面的物理位置。因此，需要进行从逻辑块地址到物理页面偏移量的转换。由于 SSD 页面可以大于块，多个块可以映射到不同偏移量的同一页面上。

NVMe 控制器接收到读取 LBA 100 和 LBA 101 的命令，NVMe 驱动器的一个特点是，这些逻辑块地址（这两个块）被转换为物理页面和偏移量，例如页面 99 和偏移量 0x0001 和 0x1002。接下来，NVMe 控制器检查本地 SSD DRAM 缓存，以查看页面 99 是否在缓存中。是的，这里有一个 SSD 缓存。如果页面 99 不在缓存中，则整个页面（整个 16KB）被完全获取到缓存中并放置在缓存中。

一旦页面完全被获取到缓存中（整个 16KB），相应的块会从页面中提取并返回给操作系统主机。在这种情况下，只返回了前 8KB。

你可能会问为什么不让操作系统直接访问页面的物理地址？为什么需要进行这种转换？原因是磁盘有时需要移动数据，当操作系统指向物理位置时，移动数据变得困难。
具有讽刺意味的是，可以将数据的移动卸载到主机上，但这不会增加应用程序的复杂性成本。没有免费的午餐。这是一个深入研究的课题，你可以决定深入探索。

回到文件系统

操作系统获取代表两个块（100、101）的 8KB 数据，并将其放入两个内存页面中。然后，它更新文件系统页面缓存，以便下一次请求读取 100 或 101 时可以从主机内存中获取。

回到数据库

然后，操作系统将控制权返回给数据库应用程序，如果你还记得，它发出了读取偏移量为 0、长度为 8192 的请求，对应于页面 0。数据库将原始字节放入共享缓冲池内存（与文件系统缓存不同）。页面 0 现在对于从中提取数据的任何其他查询都是 “热点”，在刷新到磁盘之前，页面 0 可以接收写入操作。

当然，下一个页面，即页面 1，也经历了同样的过程，直到找到行 ID 为 1008 的行。

总结

要从数据库中读取一行数据，你必须读取包含该行的页面。为了读取数据库页面，数据库会向文件发出正确偏移量和长度对应于页面的读取请求。操作系统将这些字节映射到文件系统块地址（或 LBAs），对比文件系统页面缓存，看是否存在具有这些块的内存页面。否则，会向存储控制器发送读取命令。设备将逻辑块转换为物理地址，并将页面加载到缓存中，并将所请求的字节返回给操作系统主机。主机将块放入文件系统页面缓存，并返回给数据库，数据库将页面放入共享缓冲池中并开始处理，并将所请求的单行返回给用户。

如果你使用索引会怎样？类似的情况，索引是存储在磁盘上的 B + 树结构，也具有页面。在遍历树时，你将获取页面，因此概念是相同的。

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