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SQL Server核心架构深度解析

ops 2025/9/4 9:14:44

SQL Server 的体系结构是一个复杂但设计精密的系统，主要可以分为四大核心组件，它们协同工作以管理数据库、处理查询、确保数据安全与一致性。以下是其体系结构的核心组成部分：

核心组件：

协议层 (Protocol Layer)
- 作用： SQL Server 与外部世界（客户端应用程序）的“大门”。
- 功能：
  - 监听客户端连接请求。
  - 解析网络协议（如 TDS - Tabular Data Stream，这是 SQL Server 专用的协议，封装在 TCP/IP、Named Pipes、Shared Memory 等之上）。
  - 接收来自客户端的 TDS 数据包（包含 SQL 语句、存储过程调用等）。
  - 将数据包解包，提取出其中的命令（Command），并将它们传递给下一层（关系引擎）。
  - 接收关系引擎返回的结果集（Result Set）。
  - 将结果集打包成 TDS 数据包。
  - 将响应数据包发送回客户端。
- 关键元素： 网络库 (Network Libraries/SQL Server Network Interface - SNI)。
关系引擎 (Relational Engine / Query Processor)
- 作用： SQL Server 的“大脑”，负责查询的解析、优化和执行计划的管理。它主要处理如何找到数据（逻辑操作）。
- 主要子组件：
  - 命令解析器 (Command Parser): 接收来自协议层的命令（SQL 文本）。检查语法和语义错误。生成初步的查询树 (Query Tree) 或代数树 (Algebrized Tree)，这是一种逻辑结构，表示查询要执行的操作。
  - 查询优化器 (Query Optimizer): SQL Server 的核心智能组件。
    - 接收命令解析器生成的查询树。
    - 基于统计信息（数据分布、索引信息等）、系统负载、可用索引等因素，分析执行查询的所有可能方式（生成多个候选执行计划）。
    - 估算每个候选计划的执行成本（主要是 I/O 和 CPU 开销）。
    - 选择它认为成本最低的执行计划。这是一个基于成本的优化器 (CBO)。
    - 输出查询执行计划 (Query Execution Plan)，这是一个详细说明如何物理地执行查询的蓝图（例如，使用哪个索引、使用哪种连接算法 - Hash Join, Merge Join, Nested Loops）。
  - 查询执行器 (Query Executor):
    - 负责执行优化器生成的查询执行计划。
    - 它本身不直接处理数据，而是作为协调者。
    - 根据计划，向下一层（存储引擎）发起请求来获取或修改数据。它会调用存储引擎提供的访问方法（Access Methods）接口。
    - 处理执行过程中的数据流（如排序、聚合、连接操作）。
    - 将最终的结果集返回给协议层。
  - SQL 管理器 (SQL Manager): 管理与存储过程、函数、触发器等执行计划相关的缓存和重用。
存储引擎 (Storage Engine)
- 作用： SQL Server 的“肌肉”，负责管理如何物理地存储数据（在磁盘和内存中）、访问数据、维护数据完整性和事务处理。它专注于“数据在哪”和“如何读写”。
- 主要子组件：
  - 访问方法 (Access Methods):
    - 存储引擎与关系引擎（查询执行器）交互的主要接口。
    - 处理查询执行器发出的数据操作请求（SELECT, INSERT, UPDATE, DELETE）。
    - 决定是否需要从磁盘读取数据页（触发 Buffer Manager）或是否可以直接操作内存中的数据。
    - 管理对行、索引、分配单元等对象的扫描和查找操作。
    - 处理锁请求（调用锁管理器）。
  - 缓冲管理器 (Buffer Manager / Buffer Pool):
    - 管理 SQL Server 最主要的内存区域：缓冲池 (Buffer Pool)。
    - 核心职责是实现缓存机制：将数据库的数据文件 (.mdf, .ndf) 中的数据页 (Page)（8KB 的基本单位）读入内存（缓冲池），以及将修改过的页（脏页 - Dirty Pages）写回磁盘。
    - 极大减少物理 I/O 操作，提升性能。
    - 使用 LRU (Least Recently Used) 等算法管理内存中页的生存周期。
    - 包含 CHECKPOINT 进程，负责定期或在需要时将脏页刷写到磁盘（但不保证事务提交）。
  - 事务管理器 (Transaction Manager):
    - 确保数据库的 ACID 属性：
      - 日志管理器 (Log Manager): 负责事务日志（.ldf 文件）的写入。遵循 WAL (Write-Ahead Logging) 原则：在数据页修改本身被写入磁盘之前，必须先保证描述该修改的日志记录被持久化写入事务日志文件。这是保证原子性 (Atomicity) 和持久性 (Durability) 的核心机制。
      - 锁管理器 (Lock Manager): 管理并发控制，处理事务对数据资源（行、页、表等）的加锁和释放锁请求。确保事务的隔离性 (Isolation)，防止脏读、不可重复读、幻读等问题（具体隔离级别决定防止哪些问题）。
    - 协调事务的 BEGIN TRAN, COMMIT TRAN, ROLLBACK TRAN。
  - 文件管理器 (File Manager): 管理数据库文件（.mdf 主数据文件、.ndf 次要数据文件、.ldf 事务日志文件）在磁盘上的物理布局、增长、收缩等操作。与 Windows 文件系统交互。
  - 内存中的数据结构 (In-Memory Structures): 除 Buffer Pool 外，还包括计划缓存 (Plan Cache)、数据缓存 (Data Cache - Buffer Pool 的一部分)、过程缓存 (Procedure Cache - 存储执行计划) 等。
SQL Server 操作系统 (SQLOS)
- 作用： SQL Server 的“中枢神经系统和基础平台”，位于 Windows 操作系统之上，为其他引擎组件提供基础服务。它抽象了底层操作系统，并针对数据库工作负载进行了优化。
- 关键服务：
  - 调度 (Scheduling): 管理 SQL Server 线程（或纤程）。使用非抢占式调度 (Non-Preemptive Scheduling)，任务（如查询执行）在主动让出 CPU (SOS_SCHEDULER_YIELD) 或等待资源（I/O、锁）时才会被切换。每个 CPU 核心通常对应一个调度器 (Scheduler)，调度器管理 Worker Threads (工作线程) 来执行任务。
  - 内存管理 (Memory Management): 整体管理 SQL Server 的内存使用（不只是 Buffer Pool），包括动态分配和回收，与 Windows 的 AWE (Address Windowing Extensions) 或 Lock Pages in Memory 权限交互。
  - 资源监控 (Resource Monitoring): 监控 CPU、内存、I/O 等资源的使用情况。检测死锁（Deadlock Detection）。
  - 异常处理 (Exception Handling): 处理 SQL Server 内部的错误和异常。
  - 同步原语 (Synchronization Primitives): 提供锁、闩锁 (Latches - 保护内存中数据结构的短期轻量锁)、自旋锁 (Spinlocks) 等同步机制，协调多线程并发访问内部数据结构。
  - I/O 管理 (I/O Management): 异步 I/O 的实现，优化磁盘访问性能。

数据存储核心概念：

页 (Page): 最基本的存储单元，大小为 8KB。所有数据库操作最终都发生在页级别（读取或写入整个页）。常见的页类型有：数据页、索引页、文本/图像页、全局分配映射 (GAM) / 共享全局分配映射 (SGAM) 页、索引分配映射 (IAM) 页、页可用空间 (PFS) 页等。
区 (Extent): 空间分配的基本单元，由 8 个连续的页（64KB）组成。有两种类型：
- 统一区 (Uniform Extent): 所有 8 个页都分配给同一个对象（如表或索引）。
- 混合区 (Mixed Extent): 页可以分配给最多 8 个不同的对象。主要用于小对象初始分配。
文件和文件组 (Files & Filegroups):
- 数据库文件 (.mdf/.ndf): 物理存储数据的操作系统文件。
- 文件组 (Filegroup): 逻辑容器，用于组织和放置数据库文件。可以包含一个或多个文件。对象（表、索引）是创建在文件组上的。PRIMARY 是默认文件组。通过文件组可以实现数据的分区管理、备份恢复策略和性能优化（将对象放置在不同物理磁盘的文件组上）。

关键交互流程示例 (SELECT 语句)：

客户端通过网络发送 SQL SELECT 语句（封装在 TDS 包中）。
协议层 接收并解包，将命令文本传递给 关系引擎。
命令解析器 检查语法，生成查询树。
查询优化器 分析查询树，利用统计信息等生成成本估算，选择最优执行计划（可能使用缓存计划）。
查询执行器 开始执行计划。如果需要数据，它会向 存储引擎（访问方法） 发起请求。
访问方法 确定需要哪些数据页。它请求 缓冲管理器 提供这些页。
缓冲管理器 检查所需页是否在 缓冲池 (Buffer Pool) 中：
- 若在（缓存命中），直接返回内存中的页副本。
- 若不在（缓存未命中），则从磁盘（数据文件）读取该页到 Buffer Pool，然后返回该页。
访问方法 处理页中的数据（如读取行）。
查询执行器 处理结果（如过滤、排序、聚合），形成最终结果集。
最终结果集返回给 协议层。
协议层 将结果集打包成 TDS 包，通过网络发送回客户端。