bits 基礎 就會 mar ant rain 版權 bpa 一個數

一行數據是如何來存儲的呢？ 變長列與定長列，NULL與NOT NULL，實際是如何整理存放到 8k的數據頁上呢？ 對表格進行增減列，修改長度，添加默認值等DDL SQL，對行存儲結構又會有怎麽樣的影響呢？ 什麽是大對象，什麽是行溢出，存儲引擎是如何處理它們呢？

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如果轉載，請註明博文來源： www.cnblogs.com/xinysu/ ，版權歸 博客園 蘇家小蘿蔔 所有。望各位支持！

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1 引入

在一個DB內，每一個table都能在sys.sysobjects中找到對應的描述，每一個列，都能從sys.columns中找到說明。 這裏發個SQL是日常管理中使用到的，用於描述一個表格的數據結構情況。

 1 SELECT
 2 
 3       表名 = CASE WHEN A.COLORDER=1 THEN D.NAME ELSE ‘‘ END,
 4       表說明 = CASE WHEN A.COLORDER=1 THEN ISNULL(F.VALUE,‘‘) ELSE ‘‘ END,
 5       列序列號 = A.COLORDER,
 6       列名 = A.NAME,
 7       標識 = CASE WHEN COLUMNPROPERTY( A.ID,A.NAME,‘ISIDENTITY‘)=1 THEN ‘√‘ELSE ‘‘
 
 END,
 8       約束 = CASE WHEN EXISTS(
 9                                SELECT 1
10                                FROM SYSOBJECTS
11                                WHERE XTYPE=‘PK‘ AND PARENT_OBJ=A.ID AND NAME IN (
12                                                                                   SELECT
 

13                                                                                         NAME
14                                                                                   FROM SYSINDEXES
15                                                                                   WHERE INDID IN( SELECT INDID FROM SYSINDEXKEYS WHERE ID = A.ID AND COLID=A.COLID )
16                                                                                  )
17                              ) THEN ‘PK‘
18                  WHEN EXISTS (
19                                SELECT 1 FROM sys.foreign_key_columns
20                                WHERE parent_object_id=A.ID AND parent_column_id=A.COLID
21                              ) THEN ‘FK‘+‘(‘+(SELECT OBJECT_NAME(referenced_object_id)+‘.‘+COL_NAME(referenced_object_id,referenced_column_id)+‘)‘ FROM sys.foreign_key_columns WHERE parent_object_id=A.ID AND parent_column_id=A.COLID)
22             ELSE ‘‘ END,
23       數據類型 = CASE WHEN B.NAME IN (‘CHAR‘,‘NCHAR‘,‘VARCHAR‘,‘NVARCHAR‘) THEN B.NAME+‘(‘+ISNULL(CAST(case when COLUMNPROPERTY(A.ID,A.NAME,‘PRECISION‘)=-1 then null else COLUMNPROPERTY(A.ID,A.NAME,‘PRECISION‘) end AS VARCHAR(10)),‘MAX‘)+‘)‘
24                       WHEN B.NAME =‘DECIMAL‘ THEN B.NAME+‘(‘+CAST(COLUMNPROPERTY(A.ID,A.NAME,‘PRECISION‘) AS VARCHAR(10))+‘,‘+CAST(ISNULL(COLUMNPROPERTY(A.ID,A.NAME,‘SCALE‘),0) AS VARCHAR(10))+‘)‘
25                       ELSE B.NAME END,
26       占用字節長度 = A.LENGTH,
27       --長度 = COLUMNPROPERTY(A.ID,A.NAME,‘PRECISION‘),
28       --小數位數 = ISNULL(COLUMNPROPERTY(A.ID,A.NAME,‘SCALE‘),0),
29       允許空 = CASE WHEN A.ISNULLABLE=1 THEN ‘√‘ELSE ‘‘ END,
30       默認值 = case when E.TEXT is not null then
31 
32                                                    case when substring(e.text,1,2)=‘((‘ then substring(e.text,3,len(e.text)-4)
33                                                                                        when substring(e.text,1,1)=‘(‘ then substring(e.text,2,len(e.text)-2)
34                                                                                   else e.text end
35                                   else ‘‘ end ,
36       列說明 = ISNULL(G.[VALUE],‘‘)
37 FROM SYSCOLUMNS A LEFT JOIN SYSTYPES B ON A.XUSERTYPE=B.XUSERTYPE
38       INNER JOIN SYSOBJECTS D ON A.ID=D.ID AND D.XTYPE=‘U‘ AND D.NAME<>‘DTPROPERTIES‘
39       LEFT JOIN SYSCOMMENTS E ON A.CDEFAULT=E.ID
40       LEFT JOIN sys.extended_properties G ON A.ID=G.major_id AND A.COLID=G.minor_id
41       LEFT JOIN sys.extended_properties F ON D.ID=F.major_id AND F.minor_id=0
42 WHERE D.NAME IN (‘area‘,‘‘,‘‘)
43 ORDER BY A.ID,A.COLORDER

查詢表結構SQL

2 數據行

2.1 數據行結構

數據行在數據頁面的存儲結構詳見下表，分為幾個部分：基礎信息4字節、定長列相關、變長列相關及null位圖。詳見下表。這部分的內容具體參考《SQL server技術內幕：存儲引擎》第6章。 參考下圖，一行數據的大小是這麽計算的：Row_Size=Fixed_Data_Size+Variable_Data_Size+Null_Bitmap+4 。 各個部分其實都比較好理解，狀態B位未使用，狀態A位，詳細描述如下。

• 狀態位A：表示行屬性的位圖，1字節，8bit
• • Bit 0 位，版本信息
  • Bits 1-3 位，行記錄類型
  • • 0，primary record，主記錄
    • 1，forwarded record
    • 2，forwarding stub
    • 3，index record，索引記錄
    • 4，blob或者行溢出數據
    • 5，ghost索引記錄
    • 6，ghost數據記錄
  • Bit 4 位，NULL位圖
  • Bit 5 位，表示行中有變長列
  • Bit 6 位，保留
  • Bit 7 位，ghost record（幽靈記錄）
• 列偏移矩陣
• • 如果一個表格，沒有變長列，那麽這個表格則不需要列偏移矩陣
  • 一個變長列，有一個列偏移矩陣，一個列偏移矩陣2個字節，用於表示變長列中每個列的結束位置。

2.2 特殊情況（大對象、行溢出及forword）

2.2.1 大對象

text, ntext, image, nvarchar(max), varchar(max), varbinary(max), and xml這種數據列，稱為大對象列， 註意，變長數據類型nvarchar，varchar，varbinary只有當存儲內容大於8k才變為大對象列。 行不能跨頁，但是行的部分可以移出行所在的頁，因此行實際可能非常大。頁的單個行中的最大數據量和開銷是 8,060 字節 (8 KB)。考慮大對象列極為占用空間，所以在一行數據的主記錄中，是不存儲大對象列的，僅存儲 16字節 指向 大對象列實際存儲到LOB data頁面的位置。 比如，一個大對象列text，text列存儲5000的字符，其他列占用50個字符，如果是放在一起存儲的話，10行數據就需要10個page，掃描就需要10次IO；而如果不放在一次，一個IN-ROW-DATA page就能存儲這10行數據，text列單獨存放在 LOB data列，那麽，掃描這10行的主記錄，僅需要1次IO。所以，大對象列是不跟主記錄存儲在一起。 這樣，一個8k的數據頁，就能盡可能多的存儲主記錄，可以在查詢的時候，避免 大對象列占用主記錄空間，導致IO次數增增加。

2.2.2 行溢出

超過 8,060 字節的行大小限制可能會影響性能，因為 SQL Server 仍保持每頁 8 KB 的限制。當合並 varchar、nvarchar、varbinary、sql_variant 或 CLR 用戶定義類型的列超過此限制時，SQL Server 數據庫引擎 將把最大寬度的記錄列移動到 ROW_OVERFLOW_DATA 分配單元的另一頁上，然後在主記錄記錄一個24字節的指針，用與描述 被移出的列 實際存儲位置。比如，一行數據總大小超過8k，那麽在insert的過程中，會把最大寬度的記錄移動到另外的數據頁面。 如果更新操作使記錄變長，大型記錄將被動態移動到另一頁。如果更新操作使記錄變短，記錄可能會移回 IN_ROW_DATA 分配單元中的原始頁。此外，執行查詢和其他選擇操作（例如，對包含行溢出數據的大型記錄進行排序或合並）將延長處理時間，因為這些記錄將同步處理，而不是異步處理。 一行數據（不包括大對象列）總長度超過了8k，則會把最大寬度的列內容移動到ROW_OVERFLOW_DATA頁面上，主記錄上留下一個24字節的指針 描述 被溢出挪走的列內容 實際存儲位置，這個稱為行溢出。

2.2.3 forword

在一堆表內的一個數據頁面，存儲了N行數據，現在，其中一行數據的某一列發生修改，導致其列的長度加大，而剩余的頁面空間無法存儲該列數據，那麽這個時候，就會把該列數據移動到新的 IN_ROW_DATA 頁面上，在主記錄留下一個 9個字節的 指針，指向實際列的存儲位置，這個稱之為 forword。 forward的條件是：堆表、變長列、更新操作及其數據頁面剩余空間不足存儲新列內容。 為什麽一定要是堆表呢？因為如果是聚集索引表格，遇到這種情況，數據頁會split，把一半的內容另外存儲到新的數據頁，由於聚集索引上的非聚集索引鍵值查詢根據是主鍵，所以split操作不會影響到非聚集索引，但是堆表的非聚集索引結構查找行是根據RID，如果也split，那麽所有非聚集索引都需要修改鍵值RID，故在堆表上，使用了forword。 為什麽是更新操作呢？因為如果是INSERT操作，一開始就出現空間不足的情況，它老早就跑路到新的數據頁上了，不會再空間不足的數據頁面坐INSERT操作。 比如，一行數據原本存儲在一個數據頁面中，但是update某一列，增大其存儲內容，發現該數據頁沒有空閑的空間可以存儲該列內容，該列則會forword到另外的數據頁IN_ROW_DATA存儲，主記錄留下一個9字節的指針。

3 測試存儲情況

測試思路

1. 先建立一個只有2列非空定長列的堆表，然後INSERT一行數據，檢查page頁面存儲內容
2. 添加主鍵，檢查存儲頁面內容
3. 增加一列：可空變長列
4. 增加一列：非空變長列+默認值（分大對象和非大對象）
5. 刪除無數據的列
6. 刪除有數據的列
7. 行溢出
8. forword

3.1 堆表分析

create table tbrow(id int not null identity(1,1),name char(20) not null) insert into tbrow(name) select ‘xinysu‘; dbcc traceon(3604) dbcc ind(‘dbpage‘,‘tbrow‘,-1) --根據返回結果，判斷324為數據頁，如果不理解，請查看本系列第一篇博文 dbcc page(‘dbpage‘,1,324,3)

查看 `消息` 內容，可以看到 slot 0 存儲的行數據大小為21字節，由於現在的 tbrow表格中，只有兩列 int 跟 char ，由於都是定長列，所有變長列的存儲模塊均為空，但是註意一點，即使整個表格都沒有允許Null的列，Null位圖仍然會占用一個字節。 所以 該行記錄的長度=狀態A+狀態B+定長字段長度+定長字段內容+總烈屬+null位圖=1+1+2+（4+10）+2+1= 21 bytes。 根據行的16進制記錄：10001200 01000000 78696e79 73752020 2020020000，來詳細分析這行數據的存儲情況。先把這串字符按照字節數區分，其中註意部分需要反序後再轉換十進制。詳細分析及推導見下圖。

3.2 添加主鍵

alter table tbrow add constraint pk_tbrow primary key(id) dbcc traceon(3604) dbcc ind(‘dbpage‘,‘tbrow‘,-1) 可以看到，表格的IAM頁及數據頁全部都改變了，因為當一個堆表添加主鍵變為聚集索引表格的時候，需要重新組織數據頁，按照聚集索引的鍵值順序存儲，所以看到，整個數據頁存儲情況發生了變化。如果是一個大堆表添加聚集索引，那麽這是一個非常耗時及耗費IO、CPU的操作，並且會鎖表直到操作結束，需謹慎操作。 再次來分析現在的行記錄。 dbcc page(‘dbpage‘,1,311,3) 可以看到，數據行的內容並沒有發生變化，添加主鍵（聚集唯一索引），會重組整個表格的存儲順序，但是不會影響到行內的數據情況。

3.3 增加一列：可空變長列

alter table tbrow add constraint pk_tbrow primary key(id) dbcc traceon(3604) dbcc ind(‘dbpage‘,‘tbrow‘,-1) dbcc page(‘dbpage‘,1,311,3)

這裏開始有趣了，發現，添加了一列可空可null的列後，行記錄16進制並沒有發生變化。對比如下。 /* 第一個行為堆表行記錄 第二個行為添加主鍵後的行記錄 第三個行為添加可空變長列後的行記錄 10001200 01000000 78696e79 73752020 2020020000 10001200 01000000 78696e79 73752020 2020020000 10001200 01000000 78696e79 73752020 2020020000 */ 即使表格有為null的列，有變長的列，但是，只有這些列上沒有值，是不會影響這一行的數據記錄的，這非常重要！因為意味著，給一個表格添加可為空的列時，存儲引擎不需要去修改表格內的行記錄存儲情況，只需要在數據字典上添加做變動即可，這需要獲取到表格的架構鎖，然後執行，這個執行速度非常快。 這一點的處理，跟MySQL的處理極為不一樣，雖然5.6添加了OnLine DDL，避免了DDL期間對表格鎖表影響，但是處理添加列的時候，涉及表結構變動，需要新建臨時文件來存儲frm跟ibd文件，這是一個耗費IO的處理方式，詳細可查看之前博文：MySQL Online DDL的改進與應用 。

3.4 增加一列：非空變長列+默認值

3.4.1 非大對象列

alter table tbrow add task varchar(20) not null default ‘all A‘ ; dbcc traceon(3604) dbcc ind(‘dbpage‘,‘tbrow‘,-1) dbcc page(‘dbpage‘,1,311,3) 查看16進制的行記錄：10001200 01000000 78696e79 73752020 2020020000，發現與之前的是一樣的，查看表格內容，設置了NOT NULL帶默認值的列後，實際上，查詢出來 task列是有值存儲的，存儲內容為 ‘all A‘，但是查看16進制內容的時候，卻發現，這個數據頁內的行記錄存儲內容並沒有發生變化。 這是一個神奇的處理方式！為啥呢？ 仔細查看page的解析內容，發現 ：Slot 0 Column 4 Offset 0x0 Length 5 Length (physical) 0 。該列數據長度為5，但是，實際存儲長度為0，也就是這一列壓根沒有存儲在數據頁面中。 個人推測：當添加了NOT NULL列+默認值（非大對象列）的情況下，不對以往數據存儲記錄發生修改，但是在查詢的時候，會判斷該列是否有存儲數據，如果沒有則使用默認值顯示。 這樣有一個非常大的好處：節約存儲空間，不變更行記錄，DDL期間，無需對以往記錄做處理，僅需修改數據字典即可。 3.4.2 大對象列 alter table tbrow add descriptions text not null default ‘i love sql server‘ ; dbcc traceon(3604) dbcc ind(‘dbpage‘,‘tbrow‘,-1) 單薄的表格，一行的記錄，因為添加了大對象列，來了個 LOB data的IAM頁 以及 LOB data的數據頁 。不過，這次僅分析主記錄數據頁面pageid=311。 --主記錄數據頁面pageid=311 dbcc page(‘dbpage‘,1,311,3) 依舊來分析下這行存儲記錄，原先長度都是21，為啥添加了一個 text帶默認值的列，長度就增加為50bytes呢？ 這裏註意兩個地方：原先的 task列跟 description列。task列之前是實際不存儲數據內容的，但是現在存儲了數據內容，description大對象列並沒有存儲數據在主記錄中，而是存儲在另外的lob data數據頁中，在主記錄僅存儲 描述 該列具體位置內容，占16bytes。 所以 該行記錄的長度=狀態A+狀態B+定長字段長度+定長字段內容+總列數+null位圖+變長列數量+列偏移矩陣+變長數據內容=1+1+2+（4+10）+2+1+2+2*3+（5+16）= 50 bytes。 來看看這個16進制的字符串：30001200 01000000 78696e79 73752020 20200500 0403001d 00220032 80616c6c 20410000 d1070000 00004b01 00000100 0000，詳細分析這行數據的存儲情況。先把這串字符按照字節數區分，詳細分析及推導見下圖。

由此可以得到幾個推論：大對象的列NOT NULL+默認值，是在數據頁上實際存儲默認值的，而且會對表格中的其他原本不存儲默認值的列造成影響，整個表格變成了把默認值實際存儲到數據頁面中去。當一個大表，需要增加一列大對象列NOT NULL+默認值時，會影響到表格裏面的每一行記錄，每行記錄都要增加一個16字節的來描述 大對象列的存儲位置，同時，原本不存儲默認值的列，也會實際存儲默認值到數據頁面中，這是一個鎖表久耗費IO的操作，對於一個大表來說。 是不是發現自己 添加一個大對象列+默認值是一件可怕的事情？如果真有這種需求，而且還是個大表，請謹慎考慮。

3.5 刪除無數據的列

--根據之前的查詢結果，skill這一列是沒有存儲數據的 alter table tbrow drop column skill dbcc traceon(3604) dbcc ind(‘dbpage‘,‘tbrow‘,-1) dbcc page(‘dbpage‘,1,311,3) 可以發現，刪除這一列，對實際數據存儲並沒有影響，但是該列會有一個標識值 DROPPED=[NULL]表明該列已被刪除，註意，這個表示只並不是存儲在每一行數據中，而是數據庫存儲引擎記錄。 截取數據頁面裏邊的16進制內容：30 00 1200 01000000 78696e79737520202020 0500 04 0300 1d0022003280 616c6c2041 0000d107000000004b01000001000000，發現與刪除前的是一樣的，對比如下： /* 第一個行記錄為刪除前 第二個行記錄為刪除後 30 00 1200 01000000 78696e79737520202020 0500 04 0300 1d0022003280 616c6c2041 0000d107000000004b01000001000000 30 00 1200 01000000 78696e79737520202020 0500 04 0300 1d0022003280 616c6c2041 0000d107000000004b01000001000000 */ 得出結論：刪除一行無數據的列時，不需要修改行內數據存儲情況，僅需要修改涉及的數據字典跟刪除期間持有架構鎖，這是一個非常快的過程（但是如果表格一直被其他用戶進行操作，那麽申請架構鎖也會出現等待情況）。

3.6 刪除有數據的列

--根據之前的查詢結果，skill這一列是沒有存儲數據的 alter table tbrow drop column name dbcc traceon(3604) dbcc ind(‘dbpage‘,‘tbrow‘,-1) dbcc page(‘dbpage‘,1,311,3) 分析到這裏，可以發現，SQL SERVER在處理刪除列這一塊處理的非常巧妙，最大程度的減少了對表格可用性的影響，無論帶不帶數據，刪除的時候，只處理數據字典類相關內容，標識該列已被刪除，但是實際上沒有去到每一個頁面中去刪除數據，而是把這些列占用的空間在邏輯上修改為不存在，允許以後寫覆蓋。 作為一名小小的DBA，個人覺得在行數據的存儲結構這一塊，針對於增加列或者刪除列的處理，SQL SERVER 設計非常巧妙及高效！相對與 MySQL改進後的Online DDL，SQL SERVER將表格的可用性大大提高以及降低對系統資源的影響。（僅討論列的增加刪除DDL這一塊）

3.7 行溢出

行溢出這塊，不分析其16進制行記錄，著重在 行溢出的處理方式上。 #新表格測試 create table tbflow(id int not null ,cola varchar(6000),colb varchar(6000),colc varchar(6000)) INSERT INTO tbflow SELECT 1,replicate(‘1‘,1000),replicate(‘1‘,5000),replicate(‘1‘,3000) dbcc traceon(3604) dbcc ind(‘dbpage‘,‘tbflow‘,-1) dbcc page(‘dbpage‘,1,334,3) cola列1000個字符，colb列5000個字符，colc列3000個字符，不算其他字節使用，光著3列長度之和就大於8k，按照行溢出的處理，可以推測出 是colb 被移動到 Row-overflow data列，所以，先分析page 334 ，看主記錄的存儲情況，實際情況與推測一致。

3.8 Forword

Forword這塊，不分析其16進制行記錄，著重在Forword的處理方式上。 create table tbforword(id int not null ,cola varchar(6000),colb varchar(6000),colc varchar(6000)) insert into tbforword select 1,replicate(‘1‘,1000),replicate(‘1‘,500),replicate(‘1‘,500) insert into tbforword select 2,replicate(‘1‘,1000),replicate(‘1‘,500),replicate(‘1‘,500) insert into tbforword select 3,replicate(‘1‘,1000),replicate(‘1‘,500),replicate(‘1‘,500) dbcc traceon(3604) dbcc ind(‘dbpage‘,‘tbforword‘,-1) #記錄 IAM是385，主記錄是384頁 update tbforword set colb=replicate(‘1‘,4500) where id=2 dbcc traceon(3604) dbcc ind(‘dbpage‘,‘tbflow‘,-1) pageid=384數據頁面中，存儲3行記錄大概用了6k+的空間，這時候，把id=2的colb列修改為4.5k長度，超過了一個頁面8k的範圍，也就意味著，這個被修改的列會被forword，根據新增的數據頁386，可推測出 forword的列存儲在386中。現在分析 pageid 384來驗證推測。詳見截圖，發現與推測一致。 dbcc page(‘dbpage‘,1,384,3)

4 行結構與DDL

SQL SERVER大話存儲結構（3）_數據行的行結構