SQL Server Page结构深入分析

SQL Server存储数据的基本单元是Page，每一个Page的大小是8KB，数据文件是由Page构成的。在同一个数据库上，每一个Page都有一个唯一的资源标识，标识符由三部分组成：db_id,file_id,page_id，例如，15:1:8733，15是数据库的ID，1是数据文件的ID，8733是Page的编号，Page的编号从0依次递增。8个连续的Page组成一个区（Extent），数据文件中已分配（Allocated）的空间被分割成区的整数倍。一次磁盘IO操作作用于Page级别，而空间分配的最小单元是区。

Page是用于存储数据的，不同类型的Page存储的数据是不同的，Page的结构也是不同的。有些Page是用于存储数据的，叫做Data Page，有些Page是用于存储索引结构中的中间节点的，叫做Index Page，有些Page是SQL Server存储引擎使用的，用于管理Page的，叫做系统页。本文关注的是Data Page和Index Page，跟数据表有关。

日志文件没有Page结构，它是由一系列的日志记录构成的。

一，Page的结构

每一个Page都由 头部（Header），内容（Content）和行偏移量（Offset）组成，头部是在Page的开始处，占用96Bytes，用于存储Page的编号，Page的类型，分配单元（Allocation Unit）等系统信息。注：在单个Page中最多存储8060Bytes的数据。

The maximum amount of data and overhead that is contained in a single row on a page is 8,060 bytes (8 KB).

数据行存储在Page Header之后，数据行在Page中的物理存储是无序的，行的逻辑顺序是由行偏移（Row Offset）确定的，行偏移存储在Page的末尾，每一个行偏移是一个Slot，占用2B。行偏移连续排列在Page的末尾，称作槽数组（Slot Array）。行偏移以倒序方式存储行的偏移量，这意味着，从Page末尾向Page 开头计数，第一行的偏移量存储在Page的末尾Slot中，第二行的偏移量存储在Page末尾的第二个Slot中。

二，查看Page头部信息

Page头部信息存储的是Page的系统信息，可以使用非正式的命令来查看：

DBCC PAGE(['database name'|database id], file_id, page_number, print_option = [0|1|2|3] )

参数：file_id是数据库文件的ID；page_number是Page在当前文件中的编号；print_option是指打印信息的详细程度，默认值是0，只打印Page Header。

例如，查看资源标识符：15:1:8777733 Page的头部信息：

dbcc traceon(3604)
dbcc page(15,1,8777733)

在我的数据库中，该Page的头部信息（移除Buffer的数据）如下所示，

PAGE: (1:8777733)

PAGE HEADER:
Page @0x0000005188B02000

m_pageId = (1:8777733)    m_headerVersion = 1     m_type = 1
m_typeFlagBits = 0x0    m_level = 0       m_flagBits = 0x220
m_objId (AllocUnitId.idObj) = 28503 m_indexId (AllocUnitId.idInd) = 256 
Metadata: AllocUnitId = 72057595905900544        
Metadata: PartitionId = 72057594059423744        Metadata: IndexId = 1
Metadata: ObjectId = 1029578706  m_prevPage = (1:8777732)   m_nextPage = (1:8777734)
pminlen = 16      m_slotCnt = 2      m_freeCnt = 4513
m_freeData = 3675     m_reservedCnt = 0     m_lsn = (1212327:16:558)
m_xactReserved = 0     m_xdesId = (0:799026688)   m_ghostRecCnt = 0
m_tornBits = -1518328013   DB Frag ID = 1      

Allocation Status
GAM (1:8690944) = ALLOCATED   SGAM (1:8690945) = NOT ALLOCATED 
PFS (1:8775480) = 0x40 ALLOCATED 0_PCT_FULL       DIFF (1:8690950) = CHANGED
ML (1:8690951) = NOT MIN_LOGGED

Page 头部中各个字段的含义：

1，Page的编号

m_pageId = (1:8777733)，该Page所在的File ID 和Page ID

2，Page的类型

m_type = 1，Page的类型，常见的类型是数据页和索引页：

1 – data page，用于表示：堆表或聚集索引的叶子节点
2 – index page，用于表示：聚集索引的中间节点或者非聚集索引中所有级别的节点
其他Page类型（系统页是管理Page的Page，例如，GAM，IAM等）如下：

3 – text mix page，4 – text tree page，用于存储类型为文本的大对象数据
7 – sort page，用于存储排序操作的中间数据结果
8 – GAM page，用于存储全局分配映射数据GAM(Global Allocation Map），每一个数据文件被分割成4GB的空间块（Chunk），每一个Chunk都对应一个GAM数据页，GAM数据页出现在数据文件特定的位置处，一个bit映射当前Chunk中的一个区。
9 – SGAM page，用于存储SGAM页(Shared GAM）
10 – IAM page，用于存储IAM页（Index Allocation Map）
11 – PFS page，用于存储PFS页（Page Free Space）
13 – boot page，用于存储数据库的信息，只有一个Page，Page的标识符是：db_id:1:9，
15 – file header page，存储数据文件的数据，数据库的每一个文件都有一个，Page的编号是0。
16 – diff map page，存储差异备份的映射，表示从上一次完整备份之后，该区的数据是否修改过。
17 – ML map page，表示从上一次备份之后，在大容量日志（bulk-Logged）操作期间，该区的数据是否被修改过，This is what allows you to switch to bulk-logged mode for bulk-loads and index rebuilds without worrying about breaking a backup chain.
18 – a page that's be deallocated by DBCC CHECKDB during a repair operation.
19 – the temporary page that ALTER INDEX … REORGANIZE (or DBCC INDEXDEFRAG) uses when working on an index.
20 – a page pre-allocated as part of a bulk load operation, which will eventually be formatted as a ‘real' page.

3，Page在索引中的级数

数据页在索引中的索引级数，m_level=0，表示处于Leaf Level。

对于堆表（Heap），m_level=0表示的是Data Page；
对于聚集索引，m_level=0表示的是Data Page；
对于非聚集索引，m_level=0表示的是叶子节点

4, Page的元数据

Page的元数据十分重要，不仅能够查看处Page所在的Object，甚至能够查看该Page所在的分配单元和分区ID，在死锁进行故障排除时十分有用

Metadata: AllocUnitId =72057595905900544，该Page所在的分配单元ID（allocation_unit_id）
Metadata: PartitionId =72057594059423744，该Page所在的分区的分区ID（partition_id）
Metadata: IndexId = 1，该Page所在的索引ID
Metadata: ObjectId = 1029578706，用于表示Page所属对象的object_id
5，page的链指针

由于数据表的Page并不是单独存在的，而是通过双向链式结构连接在一起的，

m_prevPage = (1:8777732) ：用于表示前一个page (FileID : PageID)
m_nextPage = (1:8777734)　　：用于表示下一个page (FileID:PageID)

6, 其他头部字段

m_slotCnt = 2 ：页面中Slot的数量，用于Page中存储的数据行数
m_freeCnt = 4513　 ：页面中剩余的空间，单位是字节，还剩83字节的空间　
m_reservedCnt = 0 ：为活动事务保留的存储空间，单位是字节
m_ghostRecCnt = 0 ：页面中存在的幽灵记录的总数（ghost record count）
关于Page头部的信息，可以阅读《Inside the Storage Engine: Anatomy of a page》；

三，利用Page的元数据排除死锁

Page的元数据包含分区ID，索引ID和对象ID，用户可以使用这些元数据，分析死锁产生的原因。系统追踪到产生死锁的资源，可能是一个Page的资源标识符，如果能够确认发生死锁是由于数据表或索引的分区不合理导致的，那么可以重新设置分区列，或者设置分区边界值，把单个分区拆分成多个分区，这样就能把竞争的临界资源分配到不同的分区中，避免查询请求对资源的竞争，进而减少死锁的发生。

Metadata: PartitionId ，该Page所在的分区的分区ID（partition_id）；
Metadata: IndexId ，该Page所在索引ID；
Metadata: ObjectId，用于表示对象的object_id；