SQLSERVER 的主鍵索引真的是物理有序嗎？

一線碼農發表於2023-01-05
SQLServer索引

一：背景

1. 講故事

最近在看 SQL SERVER 2008 查詢效能最佳化，書中說當一個表建立了聚集索引，那麼表中的行會按照主鍵索引的順序物理排列，這裡有一個關鍵詞叫：物理排列，如果不瞭解底層原理，真的會被忽悠過去，其實仔細想一想不可能實現嚴格的 物理排列 ，那對效能是非常大的損害，本篇我們就從底層出發聊一聊到底是怎麼回事。

二：原理探究

1. 我認為的物理排列

如果用 C# 程式碼來演示嚴格的物理排列，大概是這樣的。


        static void Main(string[] args)
        {
            List<int> list = new List<int>() {1,2,4,5 };

            list.Insert(2, 3);

            Console.WriteLine(string.Join(",", list));
        }

從程式碼看我用 Insert 將 3 插入到了 list 集合中形成了物理有序，但不要忘了 Insert 的複雜度是 O(N)，而且還要將 3 後面的資料整體挪動，可以參考原始碼中的 Array.Copy 方法。


public void Insert(int index, T item)
{
    if (_size == _items.Length)
    {
        EnsureCapacity(_size + 1);
    }
    if (index < _size)
    {
        Array.Copy(_items, index, _items, index + 1, _size - index);
    }
    _items[index] = item;
    _size++;
    _version++;
}

現在你可以想一想，如果我們每次在 Insert 的時候 SQLSERVER 都要將資料頁上的資料往後挪，那這個效能有多差？

2. 觀察聚集索引下的資料排序

為了方便講述，先建立一個測試表，插入 4 條記錄，再建立一個聚集索引，sql 程式碼如下：


IF OBJECT_ID('t') IS NOT NULL DROP TABLE t;
CREATE TABLE t (a CHAR(5), b INT)

INSERT INTO t(a,b) VALUES('aaaaa',1);
INSERT INTO t(a,b) VALUES('ddddd',4);
INSERT INTO t(a,b) VALUES('ccccc',3);
INSERT INTO t(a,b) VALUES('eeeee',5);

CREATE CLUSTERED INDEX idx_a ON t(a);

從圖中看資料果然是有序的，嚴格的按照 a , c, d , e 排序，接下來用 dbcc 觀察下在底層資料頁上這幾條記錄是不是物理有序的？ 查詢 SQL 如下：


DBCC TRACEON(3604)
DBCC IND(MyTestDB,t,-1)
DBCC PAGE(MyTestDB,1,472,2)

Page資料頁的輸出結果如下：


PAGE: (1:472)

PAGE HEADER:


Page @0x000002C6E75D0000

m_pageId = (1:472)                  m_headerVersion = 1                 m_type = 1
m_typeFlagBits = 0x0                m_level = 0                         m_flagBits = 0x4
m_objId (AllocUnitId.idObj) = 269   m_indexId (AllocUnitId.idInd) = 256 
Metadata: AllocUnitId = 72057594055557120                                
Metadata: PartitionId = 72057594048348160                                Metadata: IndexId = 1
Metadata: ObjectId = 850102069      m_prevPage = (0:0)                  m_nextPage = (0:0)
pminlen = 13                        m_slotCnt = 4                       m_freeCnt = 8024
m_freeData = 160                    m_reservedCnt = 0                   m_lsn = (49:1616:23)
m_xactReserved = 0                  m_xdesId = (0:0)                    m_ghostRecCnt = 0
m_tornBits = 0                      DB Frag ID = 1                      

Allocation Status

GAM (1:2) = ALLOCATED               SGAM (1:3) = NOT ALLOCATED          PFS (1:1) = 0x40 ALLOCATED   0_PCT_FULL
DIFF (1:6) = CHANGED                ML (1:7) = NOT MIN_LOGGED           

DATA:


Memory Dump @0x000000DF137F8000

000000DF137F8000:   01010000 04000001 00000000 00000d00 00000000  ....................
000000DF137F8014:   00000400 0d010000 581fa000 d8010000 01000000  ........X...........
000000DF137F8028:   31000000 50060000 17000000 00000000 00000000  1...P...............
000000DF137F803C:   00000000 01000000 00000000 00000000 00000000  ....................
000000DF137F8050:   00000000 00000000 00000000 00000000 10000d00  ....................
000000DF137F8064:   61616161 61010000 00030000 10000d00 63636363  aaaaa...........cccc
000000DF137F8078:   63030000 00030000 10000d00 64646464 64040000  c...........ddddd...
000000DF137F808C:   00030000 10000d00 65656565 65050000 00030000  ........eeeee.......
000000DF137F80A0:   00002121 21212121 21212121 21212121 21212121  ..!!!!!!!!!!!!!!!!!!
...

從 Memory Dump 區節的記憶體地址看，這四條記錄果然是有序的，

3. 真的按照物理有序嗎

接下來就是關鍵了，到底是不是物理有序，我們再插入一條 bbbbb 記錄，看下會不會將 ccccc 所在的記憶體地址上的內容整體往後挪？測試的 sql 語句如下：


INSERT INTO t(a,b) VALUES('bbbbb',2);
SELECT * FROM t;

從圖片看，貌似真的給塞進去了，那到底是不是這樣呢？ 帶著好奇心再次觀察下底層的索引資料頁。


PAGE: (1:472)

PAGE HEADER:


Page @0x000002C6D76C4000

m_pageId = (1:472)                  m_headerVersion = 1                 m_type = 1
m_typeFlagBits = 0x0                m_level = 0                         m_flagBits = 0x0
m_objId (AllocUnitId.idObj) = 269   m_indexId (AllocUnitId.idInd) = 256 
Metadata: AllocUnitId = 72057594055557120                                
Metadata: PartitionId = 72057594048348160                                Metadata: IndexId = 1
Metadata: ObjectId = 850102069      m_prevPage = (0:0)                  m_nextPage = (0:0)
pminlen = 13                        m_slotCnt = 5                       m_freeCnt = 8006
m_freeData = 176                    m_reservedCnt = 0                   m_lsn = (49:1640:2)
m_xactReserved = 0                  m_xdesId = (0:0)                    m_ghostRecCnt = 0
m_tornBits = 487522741              DB Frag ID = 1                      

Allocation Status

GAM (1:2) = ALLOCATED               SGAM (1:3) = NOT ALLOCATED          PFS (1:1) = 0x40 ALLOCATED   0_PCT_FULL
DIFF (1:6) = CHANGED                ML (1:7) = NOT MIN_LOGGED           

DATA:

Memory Dump @0x000000DF0FDF8000

000000DF0FDF8000:   01010000 00000001 00000000 00000d00 00000000  ....................
000000DF0FDF8014:   00000500 0d010000 461fb000 d8010000 01000000  ........F...........
000000DF0FDF8028:   31000000 68060000 02000000 00000000 00000000  1...h...............
000000DF0FDF803C:   b5010f1d 01000000 00000000 00000000 00000000  ....................
000000DF0FDF8050:   00000000 00000000 00000000 00000000 10000d00  ....................
000000DF0FDF8064:   61616161 61010000 00030000 10000d00 63636363  aaaaa...........cccc
000000DF0FDF8078:   63030000 00030000 10000d00 64646464 64040000  c...........ddddd...
000000DF0FDF808C:   00030000 10000d00 65656565 65050000 00030000  ........eeeee.......
000000DF0FDF80A0:   10000d00 62626262 62020000 00030000 00002121  ....bbbbb.........!!
000000DF0FDF80B4:   21212121 21212121 21212121 21212121 21212121  !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
...
000000DF0FDF9FF4:   21219000 80007000 a0006000                    !!....p...`.

OFFSET TABLE:

Row - Offset                        
4 (0x4) - 144 (0x90)                
3 (0x3) - 128 (0x80)                
2 (0x2) - 112 (0x70)                
1 (0x1) - 160 (0xa0)                
0 (0x0) - 96 (0x60)

從 Memory Dump 節的記憶體地址看，bbbbb 並沒有插入到 aaaaa 和 cccccc 之間，而是寫入到頁面尾部的空閒空間中，接下來就有一個問題了，為什麼 sql 輸出中是有序的呢？怎麼做到的？ 如果你瞭解 Page 的 Slot 佈局，你會發現 Slot1 指向的就是 bbbbb 這條記錄的首地址，畫一張圖就是這樣。

從圖中我們就明白了最終的原理，當 Insert 時，SQLSERVER 並沒有對錶記錄重排，而只是將指向的 Slot 槽位進行了重排，將物理無序做成了一種邏輯有序。

三：總結

其實大家只要往高效能上想，肯定不會實現物理有序的，太傷效能了，在 物理無序 上抽象出一層 邏輯有序 不失為一種好辦法。

相關文章