主存存取和磁盘存取原理笔记

前言

主存存取原理、磁盘存取原理、MySql 使用的B+/-Tree原理

数据库索引为何采用B+Tree

1. 红黑树等数据结构可以用来实现索引
2. 文件系统及数据库系统普遍采用B-/B+ Tree 作为索引结构
3. MySql 普遍采用 B+Tree 实现
4. 索引本身很大，不可能全部存储内存，因此需要以索引文件的形式存储磁盘
5. 相对于内存读取，I/O存取的消耗要高几个数量级(两个,内存1s,磁盘100多s),因此索引的结构组织尽量减少查找过程中的磁盘I/O操作

主存存取原理

1. 主存基本就是随机读写存储器(RAM),简化之，如下：
   
2. 抽象角度看，主存是一系列的存储单元(晶体管)组成的矩阵,通过行地址和列地址可以定位唯一存储单元
   
3. 主存存取过程：当系统需要读取主存时，将地址信号放到地址总线,主存读到地址信号，后解析信号并定位指定存储单元，然后将此存储单元数据放到数据总线，供其它部件读取；
4. 写主存：系统将要写入单元地址和数据分别放在地址总线和数据总线，主存读取两个总线的内容，做相应的写操作

磁盘存储原理

1. 磁盘整体结构示意图：
   
2. 一个磁盘由大小相同且同轴的圆形盘片组成，圆盘可以转动，磁头可以沿磁盘半径方向运动(寻道)
   
3. 圆片被划分一系列同心圆，每个同心环叫做一个磁道，所有半径相同的磁道组成一个柱面。磁道被沿半径线划分成一个个小段，每个段叫做一个扇区
4. 为了读取这个扇区的数据，需要将磁头放到这个扇区上方，这个过程叫做寻道,花费时间叫做寻道时间，然后磁盘旋转将目标扇区旋转到磁头下，这个过程耗时叫旋转耗时。

局部性原理和磁盘预读

1. 由于存储介质的特性，磁盘本身存取就比主存慢很多，再加上机械运动耗费(寻道+ 旋转)，磁盘的存取速度往往是主存的几百分之一
2. 计算机科学著名的局部性原理：当一个数据被用到时，其附近的数据也通常会马上被使用。(磁盘读取会有被预读，相比如寻道时间，只需很少的旋转时间就能完成磁盘顺序读取，减少IO操作。)
3. 预读的长度一般为页(page)的整数倍。页是计算机存储器的逻辑块，页的大小通常为4K。

计算机存储缓存

1. 寄存器 64bit: CPU工作台,存放计算数据的地方
2. 一级缓存L1 4x 64K
3. 二级缓存L2 4x 256K
4. 三级缓存L3 8MB
5. 内存 4GB
6. 磁盘 500GB

B-/+ Tree 索引的性能分析

1. 巧妙地利用磁盘预读原理，将一个树节点大小设为一个页(4k)，使得每个节点只需要一次IO 就可以完全载入
2. 通常B-/+Tree的高(h)为3，而度(d)会很大，度越大索引性能越好
   
3. 存储引擎MylSAM 索引方式，key 域存储主键，data域存储值得地址，非聚集，索引文件和数据文件是分离的。
   
4. 存储引擎InnoDB，data域存储完整的数据逻辑。聚集型，数据文件本身就是索引文件。
   

InnoDB 索引引擎主键的选择

1. 自增主键 pk 业务主键(身份证)
2. 自增主键，每次 insert 操作会按顺序添加到当前索引节点的后续位置，当一页写满，自动开辟一个新的页。
3. 非自增主键(身份证号或学号),由于每次插入主键的值都近似随机，因此每次新记录都会查到现有索引页的中间位置，不得不产生一次数据移动