15445第一阶段笔记+Buffer Pool（2019）

15445第一阶段笔记+Buffer Pool（2019）

概念

page与frame

​        块，页，是对同一概念的不同叫法，取决于场景不同。其表述的都是磁盘上某一柱面上的连续扇区（固定数目）。数据在磁盘和缓冲区（内存）之间传输，传输的单位就是块（页）。
​        内存区是以定长的页数组的形式组织的，其中每一个数组条目，被称为一个帧（frame）。当DBMS请求一个页时，被请求页的一份拷贝就被读取进其中一个帧中。
​        所以，page和frame实际是指的是同一个概念，buffer pool中的叫做帧，磁盘与内存之间的传输单位的叫做page或者block。
page table

​        是一个Page ID到Frame ID的映射。Page ID是磁盘页的属性，不同的磁盘页的Page ID不同，当磁盘页被读取进缓冲区时，该磁盘页会在缓冲区中有一个位置，即Frame ID。缓冲区是Frame的定长数组，一共只有buffer_pool_size大小的frame，所以，当磁盘页读进写出，会存在不同的磁盘页先后出现在同一个帧位置的情况，那么这个Page Table，就是保存当前页ID到帧ID的映射。

page directory

​        Page Directory中的每⼀个小格中包含有对应page所在位置，也包含它剩余空间信息。通过Page Directory可以将page映射到内存或者磁盘上的某个位置
存储结构

​        总的来说，数据库内部的存储结构可以总结为，Page Directory负责映射内存或者磁盘中的page，Page Table负责将page映射到buffer pool中的frame中。
​        而page内部的header和slot array来组织tuple存放。以下是page中的结构
​        tuple内部的结构也是header+data。
项目

一些注意的地方

clock_replacer

• replacer是一个定长数组，但是clock_size不是定长，而是可以被victim的frame的总数，所以replacer实际上存放的是可以被替换的帧。clock_size初始为0。
  
• clock_hand是遍历replacer的指针，只有Victim()函数可以修改clock_hand指针。
  

buffer_pool_manager

• pages_是buffer pool的帧数组。
  

函数

clock_replacer

bool Victim(frame_id_t *frame_id)
1.进行循环遍历，扫描所有实际存在replacer中的帧，如果没有可替换帧，则返回false。
2.只查看实际在replacer中的帧，如果ref为1，则将ref修改为0，clock_hand++。如果ref为0，则将其标记为不在replacer中，clock_size--，并令*frame_id = clock_hand++，将该帧的frame_id传出去，返回true。

void Pin(frame_id_t frame_id)
将目标帧标记为不在replacer中，clock_size--。

void Unpin(frame_id_t frame_id)
将目标帧标记为在replacer中，clock_size++，同时将ref标记为true（clock_replacer中新添加帧的ref需标记为true）。

buffer_pool_manager

FetchPageImpl(page_id_t page_id)
0.首先用latch上锁
1.page_table_中是否存在page_id所对应的帧。如果存在，则直接返回所对应的帧，并需要进行pin操作；若没有则需要将磁盘中的page读取到buffer pool中，即读取到pages_中的一个帧的位置。
2.首先从free_list中寻找空闲帧，如果可以找到空闲帧，则go to 4；如果free_list为空，则调用replacer.Victim()获得可替换帧的victim_frame_id。若没有可替换帧，则返回nullptr。
3.检查victim_frame的脏读位，如果脏读位有效，则需要调用disk_manager_->WritePage()写回到磁盘中。
4.进行victim_frame数据的读取以及元数据的更新操作：
（1）清除victim_frame的页表中的记录。
（2）添加victim_frame的page_id到victim_frame_id的新映射。
（3）更新victim_frame（在pages_数组中）的page_id。
（4）进行victim_frame的pin操作，pin_count++，调用者加1，并调用replacer_->pin()方法。
（5）victim_frame的脏读位记为false。
（6）调用disk_manager_->ReadPage(page_id, pages_[victim_frame_id].data_)，将page的数据读取到victim_frame中。
5.返回pages_中victim_frame的地址。

Page* NewPageImpl(page_id_t *page_id)
0.首先用latch上锁
1.首先从free_list中寻找空闲帧，如果可以找到空闲帧，则go to 3；如果free_list为空，则调用replacer.Victim()获得可用帧的victim_frame_id。若没有可用帧，则返回nullptr。
2.检查victim_frame的脏读位，如果脏读位有效，则需要调用disk_manager_->WritePage()写回到磁盘中。
3.调用disk_manager_->AllocatePage()分配一个新的页，记页ID为page_id，然后进行victim_frame数据的清除以及元数据的更新操作：
（1）清除victim_frame的页表中的记录。
（2）添加victim_frame的page_id到victim_frame_id的新映射。
（3）更新pages_数组中的victim_frame的page_id.
（4）记victim_frame的脏读位为false
（5）清空victim_frame中的数据
（6）设置victim_frame的pin_count=1
4.返回pages_中victim_frame的地址

bool DeletePageImpl(page_id_t page_id)
0.首先用latch上锁
1.在page_table_中查找page_id是否存在对应的frame_id，如果不存在，则直接go to 4。
2.若page_table_[frame_id].pin_count不为0，则返回false。
3.若目标帧的脏读位为true，则调用disk_manager_->WritePage()将其写回磁盘。
4.进行目标帧的重置操作：
（1）该目标帧不再进行replacer_->Victim()操作，所以调用replacer_->Pin(frame_id)。
（2）从page_table_中删除page_id的映射
（3）设置目标帧的pin_count=0，is_dirty_=false，data_清空，page_id=INVALID_PAGE_ID。
（4）加入free_list_中。
4.调用disk_manager_->DeallocatePage(page_id)，返回true。

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