Slotted-Page简介与定长记录的SSD页式存储

首先介绍下传统硬盘的一种动态分配空间的页式存储数据结构：Slotted-Page structure（分槽页结构）

它具有以下特点：

1. Records（记录）顺序存储（从块的头部/尾部）

2. 有顺序添加的指针指向每条记录的起始位置（从块的尾部/头部）

3. 记录可在页中移动位置

 

如图所示，页尾存有指向每一个记录起始位置的指针。

当有一条新纪录插入时，它会顺序加到图中52的后面，同时尾部也多加一个指向这条新纪录的指针。

当有一条记录删除时，系统会释放该空间，移除相关的信息指针，后续记录可往前填补这个空隙。

 

假设我们的数据库系统只用定长的记录（fixed length records）存储。对于传统硬盘来说，上述的slotted-page方法就是一种可行的方案。

如果要用SSD来存储，该如何设计呢？

首先简单介绍下SSD：

其中的闪存（flash）分为一个或多个dies(chips)，每个die又分为4 * 2018 = 8192 blocks（块），每块中包含32-64页，而页就是读写的最小单元。

限制（Constraints）：

Erase-Constraint：除非已擦除该页所在的块，否则无法覆盖写（over-written）该页

Write-Constraint：一个块中的页内必须从低地址往高地址顺序写

Wear-Constraint：一个块被擦除的次数是有限制的（一般10000-100000次）

 

我们可以模仿传统的slotted-page方法，只不过移除尾部原来存放指针的slotted table，这样就有额外的空间用于存储数据。

访问记录：使用线性寻址（用页内记录的索引slotID计算每个记录的偏移量）。例如假设每个记录16字节，那么 Offset = 16 * slotID

删除记录：当一个记录被删除时，该位置会被存储于一个专门存储删除记录位置的页（State Index Page）。该页存储指向所有无效记录的指针。当访问一条记录时，必须先在SIP页里搜索该地址是否有效。

更新记录：更新 = 删除 + 插入。对每次更新来说，新纪录会被插入到一个新的位置，旧记录的地址会被加到SIP页中，被标记为无效。

 

垃圾回收的三种情况：

1. SIP页中没有空间了。

2. 周期性进行垃圾回收

3. 一页中 无效记录/所有记录 > threshold（例如70%）

发生垃圾回收时，原页中所有有效的记录会被移动（添加）到另一个有足够空间的页中，原页就可重新使用了。