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一.数据库的存储层次与系统设计目标

1.存储层次架构

五级存储层级（由近及远、由快到慢）
1. 寄存器（Reg）
CPU 内置，速度最快、容量最小（字节级），CPU 直接运算使用，延迟＜1ns。
2. 高速缓存 Cache（L1→L2→L3）
CPU 片内缓存，KB~MB 级。
L1/L2：单核心私有，速度快；
L3：多核共享，容量更大、稍慢。
作用：缓存热点数据，减少内存访问，延迟几～几十 ns。断电数据丢失。
3. 主存（RAM 内存）
主板内存条，DRAM 介质，GB~TB 级。程序运行的核心载体，CPU 仅直接读写缓存 / 内存，延迟 60-120ns。断电数据丢失。
4. 外存（SSD/HDD）
持久化存储，TB 海量容量、价格低廉，断电保留数据。
SSD（闪存）：微秒级延迟，速度快；
HDD（机械盘）：毫秒级延迟，速度慢。
5. 远程云存储
NAS、网盘等，受网络限制，速度最慢，用于海量数据归档共享。

核心思想：速度越快 → 容量越小 → 单价越高；速度越慢 → 容量越大 → 单价越低。

• 易失性（断电丢失）：寄存器、Cache、内存
• 非易失性（断电保留）：SSD、HDD、云存储

1.为什么数据库采用多级存储？
为了综合利用不同存储介质的速度和容量特点，在降低成本的同时提高数据访问效率。

2.为什么数据库按页读取？
磁盘随机访问代价高，一次读取一个数据页可以减少I/O次数。

3.既然有内存（RAM）了，为什么还要设计寄存器和高速缓存？直接用内存不行吗？

答：CPU运行速度远远快于内存，如果没有寄存器和高速缓存，CPU会经常“等数据”，导致计算机性能大幅下降。

2.数据库系统设计目标

由于内存容量有限、磁盘 I/O 缓慢，数据库系统设计目标：能够管理超过内存大小的数据，通过缓冲区减少磁盘读写，并充分利用磁盘顺序访问高效的特性，尽可能规避开销巨大的随机 I/O。
内存速度快但小；磁盘容量大但是慢，数据库所有存储层设计，都是为了弥合两者速度差距。

3.数据库磁盘上的组织方式

数据库按照：数据库，文件，页，记录，字段进行组织。

4.DBMS和操作系统的区别

DBMS和操作系统都是资源管理软件
操作系统负责管理计算机硬件资源，DBMS负责管理数据资源
整体位置关系：用户→应用程序→DBMS→操作系统→硬件
例如打开一个购物APP：购物APP→数据库（MySQL）→Windos，Linux→硬盘，CPU，内存

为什么数据库不直接使用操作系统管理文件？
数据库需要针对数据查询、索引、事务、缓存等进行专门优化，而操作系统只能提供通用资源管理。

二.数据库页核心设计

1.页的概念

页是磁盘与内存交互的最小单位，操作系统不能只读一行数据，每次读写必须一次性读取 / 写入一整页。

页的大小通常是固定的，但是不同数据库系统、不同存储引擎的页大小可能不同。

（类比：一本书里的一页纸，看书最少翻一整页，不能只看半行文字。）

2.三类页概念

硬件页，数据库页，操作系统页不是同一个东西，三者位于不同层次，大小和作用都不同。他们都是为了提高存储访问效率而设计的“数据管理单位”。
整体关系：数据库页→操作系统页→硬件页→磁盘扇区

（1）硬件页：解决如何高效访问存储设备

硬件页是由存储设备或硬件层定义的数据管理单位。它关注的是：硬件如何组织和读取数据

传统磁盘最底层单位：盘片→磁道→扇区（扇区是磁盘最小的物理读写单位）
作用：硬件不可能一次只读取一个字节。因为定位成本高，磁头移动耗时，控制复杂。所以硬件规定：一次读取一个固定大小的数据块

（2）操作系统页：解决如何高效管理内存

操作系统页是操作系统管理内存的基本单位。
操作系统负责：CPU→内存RAM→程序
操作系统页主要解决的问题：1.内存管理 2.虚拟内存

（3）数据库页：解决如何高效组织和查询数据

数据库页是DBMS管理数据存储的基本单位，数据库不直接管理每条记录，而是管理由多个记录组成一个Page
为什么数据库需要自己的页？
因为操作系统并不知道数据库的组织结构

3.为什么需要页

原因1：磁盘随机读写速度极慢，如果每次只读取一行数据，来回访问磁盘开销巨大。
把多条行数据打包放进一个页里：
查任意一行，整页载入内存，批量读写，大幅减少磁盘 IO 次数，提升数据库速度。
原因2（空间局部性原理）：如果一个数据刚被访问，附近的数据也可能马上被访问，所以也要缓存，一次性读一页很划算

4.页的分区

页头：记录页码、前后页指针、空闲空间大小等页面基础信息
槽页：槽页是页内的 “目录区”，记录行数据的位置，用来快速定位行。
页目录：页内行数据的索引目录，快速定位某一行，不用逐行遍历
用户记录：存放一条条行数据（元组），包含隐藏列 + 自定义字段
空闲空间：留白区域，新增数据、删除回收的空间都放这里
页尾校验和：校验页面数据是否损坏

5.页的分类

硬件页
磁盘最小格子，512 字节，硬件固定规格，只能按格子读写。
操作系统页
系统把 8 个小格子拼成一个 4KB 盒子，内存磁盘交换统一用这个盒子，不用来回搬运细碎格子。
数据库页
数据库再把 4 个系统盒子拼成 16KB 大箱子。
一次搬一整箱，一箱装很多行数据，极大减少磁盘走动次数，提速读写。
设计目的逐层统一：打包小块数据，减少频繁磁盘访问

6.堆文件

堆文件：是一种无序的页面集合，其中的元组以随机顺序存储。堆文件就像“一个杂乱的文件柜”，里面的文件（页）没有固定顺序，随便放，找文件时需要看目录（页目录）。
存储特点：数据行毫无顺序堆放，没有排序规则、没有主键顺序约束。
写入：新数据直接追加到文件末尾，插入速度很快。
查询：无索引时只能从头到尾逐行遍历（全表扫描），查找很慢。
本质：无序的数据收纳堆，只适合频繁插入、极少按条件检索的场景。

为什么需要堆文件？
如果要求每次插入数据都排序，为了保持顺序，当数据量很大时效率会很低。所以数据库提供了一种简单的方式：当新数据来了，直接找一个空位置放进去，这就是堆文件。

三.元组布局

1.什么是元组？

元组就是关系表中的一行记录

2.元组有哪些特点？

• 元组是无序的
• 元组中的属性有顺序（每一个位置对应一个属性，不能随意改变属性顺序）
• 元组必须唯一（以为关系是集合，集合中不能有完全相同的元素）

3.元组和记录的区别

二者都表示“一行数据”，但二者的侧重点不同：
元组属于逻辑层，关注数据模型中的一行，数据的实际含义
记录属于存储层，关注数据在磁盘中对的存储形式