【数据库】缓冲区管理器结构，几种常用替换策略分析，pin钉住缓冲区块防止错误的替换，以及缓冲区管理带来的代价优化

缓冲区管理

专栏内容：

手写数据库toadb
本专栏主要介绍如何从零开发，开发的步骤，以及开发过程中的涉及的原理，遇到的问题等，让大家能跟上并且可以一起开发，让每个需要的人成为参与者。
本专栏会定期更新，对应的代码也会定期更新，每个阶段的代码会打上tag，方便阶段学习。

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文章目录

- 缓冲区管理
前言
概述
缓冲区管理结构
缓冲区管理策略
缓冲区管理与查询执行的关系
总结
结尾

前言

随着信息技术的飞速发展，数据已经渗透到各个领域，成为现代社会最重要的资产之一。在这个大数据时代，数据库理论在数据管理、存储和处理中发挥着至关重要的作用。然而，很多读者可能对数据库理论感到困惑，不知道如何选择合适的数据库，如何设计有效的数据库结构，以及如何处理和管理大量的数据。因此，本专栏旨在为读者提供一套全面、深入的数据库理论指南，帮助他们更好地理解和应用数据库技术。

数据库理论是研究如何有效地管理、存储和检索数据的学科。在现代信息化社会中，数据量呈指数级增长，如何高效地处理和管理这些数据成为一个重要的问题。同时，随着云计算、物联网、大数据等新兴技术的不断发展，数据库理论的重要性日益凸显。

因此，本专栏的分享希望可以提高大家对数据库理论的认识和理解，对于感兴趣的朋友带来帮助。

概述

为了更快的查询，我们操作的数据都是加载到缓冲区中，为了更好的得到缓冲区，尽可能的缩小得到缓冲区的延迟，减少不可能满足要求的情况，就需要缓冲区管理器。

本文主要分享缓冲区管理的策略，以及缓冲区管理器的作用。

缓冲区管理结构

数据库的执行模块一般都直接与缓冲区交互，而当需要的数据不在缓冲区时，由缓冲区和磁盘之间交互，加载对应的数据。

一般有两种缓冲区管理结构：

在大多数关系型DBMS中，缓冲区管理器直接控制内存；
缓冲区管理器在虚拟内存中分配缓冲区，允许操作系统来决定缓冲区在何时真正在内存中，以及那些缓冲区在操作系统管理的磁盘的swap空间中。许多内存型数据库和面向对象的数据库会按这种方式操作。

不管使用那种结构，都会引起同样的问题：缓冲区管理器应当限制使用缓冲区的数量，使得它们能够适合内存的容量。

当采用缓冲区管理器直接管理内存的结构时，请求的缓冲区数量，超过了可得到的空间时，就不得不通过将缓冲区的内容刷到磁盘上，来清理一部分缓冲区。

而当使用虚拟内存方式时，可得到的空间会超过真正的内存容量，如果缓冲区超过物理内存容量时，操作系统就会将多块内存在磁盘swap区移进移出，使性能出现波动，系统也会花费大量时间来作交换。

缓冲区管理策略

为了避免缓冲区超过可用上限，带来严重的波动，缓冲区管理器必须给出缓冲区的一个合理使用上限，而到达这一上限之后，需要采用一定策略来保证我们可用的缓冲区请求不被延迟。

这正如大家所熟悉的操作系统的内存调度替换策略，一般有以下几种：

最近最少使用 LRU

LRU策略是替换出最长时间没有读或写过的块；这种方法要求缓冲区管理器维护一张表，来记记录每个缓冲区被最后访问的时间，每次访问都需要生成或更新这个表项，有一定的维护工作量。但是LRU是一个有效的策略。

先进先出 FIFO

在FIFO策略中，当需要一个缓冲区时，需要清空占用时间最长的那个缓冲区，并用来装入请求的数据块。在这种方法中，缓冲区管理器同样也要记录一张表，来记录每个缓冲区的访问时间，当新缓冲区时才会生成表项，再次访问并不会更新表项。

相比LRU，FIFO更少的维护成本，但是它会造成更多的错误，使用最频繁的块反而会被替换出去，又很快又被加载。

“时钟”算法

这个算法，可以看成是LRU算法的一种实现，它更有效。将缓冲区看作一个环，一个遍历指示器指向缓冲区中的一个，如果想找到一个可用缓冲区，指示器就按顺时针旋转查找。

每个缓冲区有一个标记，它可以是0或1，当标志为0时，就可以被选中，替换当前缓冲区的内容到磁盘上，同时加载新请求的数据块到缓冲区中，并置为1；如果指示器遇到的缓冲区标记为1，就将它减为0，这样在下一次循环到时，就可以选择；

同样的，当缓冲区被访问时，也会将标记设置为1，这样说明最近被使用过，减少替换的概率。

指示器查找时，直到找到缓冲区标记为0的缓冲区为直，最多会查找第二遍就可以找到。

当然这个标志的取值，可以用更大的数字，意味着指示器在缓冲区上限较小时，需要循环更多遍。

系统控制

查询执行器或者其它数据库模块，可以给缓冲区管理器一些建议，避免像LRU，FIFO，时钟”算法等这些严格的策略引起错误。

比如“钉住”某一缓冲区块，暂时绕过策略控制，比如之前博客提到的一趟算法中，正在一条接一条元组扫描时，这个数据块就不能被替换出去。还有对于正在用到的B树索引的根数据块，它是非常频繁被访问的。

这样可以保持该缓冲区一直在内存中，等到使用完成时，解除就可以使用策略进行替换。

缓冲区管理与查询执行的关系

当执行时，需要得到M个缓冲区时，缓冲区管理器能够保证它得到足够的缓冲区吗？

在缓冲区管理器设计时需要考虑两个问题：

替换算法能够适应得到的缓冲区数目M的变化；
缓冲区替换给执行带来的额外磁盘I/O数量；

这就需要缓中区管理和执行算法都有一定的适应性；对于第二个问题，需要缓冲区管理器，在占用一定缓冲区后，就要进行提前清理缓冲区，减少需求时的等待代价。

总结

通过对于缓中区管理器的了解，可以看到它的实现策略也是我们熟悉的几种算法，当然会存在一些在实践中的问题，需要在使用时注意。

最后分享一段helloworld的代码

#include <stdio.h>

void hello(void) {
    printf("Hello, World!\n");
}

int main(void) {
    void (*func_ptr)(void) = hello;
    (*func_ptr)();
    return 0;
}

在这个例子中，我们定义了一个名为 hello 的函数，它输出 “Hello, World!”。然后，在 main 函数中，我们定义了一个名为 func_ptr 的函数指针，并将其指向 hello 函数。最后，我们通过 (*func_ptr)() 来调用 hello 函数。注意，在使用函数指针时，我们需要使用 (*func_ptr) 来调用函数。