Как БД сохраняет данные?csharp-136

Основные принципы персистентности данных

БД используют комбинацию нескольких технологий для надежного сохранения данных:

1. Журналирование (WAL - Write Ahead Log)

   • Все изменения сначала записываются в лог
   • Позволяет восстановить данные после сбоя

   -- Пример WAL записи (логический формат)
   BEGIN TRANSACTION;
   UPDATE accounts SET balance = 500 WHERE id = 1;
   COMMIT;
   

2. Страничная организация данных

   • Данные хранятся в страницах фиксированного размера (обычно 4-16KB)
   • Каждая страница содержит:
     • Заголовок (метаданные, контрольные суммы)
     • Массив указателей на строки
     • Собственно данные

Физическое хранение на диске

1. Файловая структура:

   • Табличные пространства (tablespaces)
   • Файлы данных (.mdf/.ndf в SQL Server, .ibd в MySQL)
   • Файлы журналов (.ldf в SQL Server, binlog в MySQL)

2. Методы записи:

   • Прямая запись (O_DIRECT) - минуя кэш ОС
   • Буферизированная запись - через кэш файловой системы

Транзакционный механизм

ACID-гарантии обеспечиваются через:

1. Журнал транзакций:

   // Псевдокод процесса записи
   void SaveTransaction(Transaction t) {
       WriteToWAL(t); // Сначала в журнал
       FlushWAL();    // Сброс на диск
       ApplyToPages(t); // Затем в основные данные
   }
   

2. Контрольные точки (Checkpoints):

   • Периодическая синхронизация памяти и диска
   • Уменьшают время восстановления после сбоя

Алгоритмы управления буфером

1. LRU (Least Recently Used) - вытеснение редко используемых страниц
2. DoubleWrite Buffer (в InnoDB) - защита от частичных записей страниц

Особенности разных СУБД

СУБД	Метод хранения	Особенности
SQL Server	Страничная организация (8KB pages)	B-деревья + heap-структуры
PostgreSQL	MVCC + TOAST (для больших полей)	Write-ahead logging по умолчанию
MySQL	InnoDB (кластерные индексы)	Doublewrite buffer
Oracle	ASM (Automatic Storage Management)	Табличные пространства

Оптимизации записи

1. Групповая запись - объединение нескольких операций в один блок
2. Отложенная запись (lazy write) - не сразу на диск
3. Инкрементальные бэкапы - сохранение только изменений

Восстановление после сбоя

Процесс восстановления использует:

1. Redo-логи - повторение подтвержденных транзакций
2. Undo-логи - откат незавершенных транзакций

-- Пример процесса восстановления (PostgreSQL)
STARTUP PROCESS:
  1. ANALYZE WAL FILES
  2. APPLY REDO (COMMITTED TX)
  3. ROLLBACK UNCOMMITTED TX
  4. BRING DB TO CONSISTENT STATE

Резюмируем:

современные БД сохраняют данные через комбинацию журналирования, страничной организации и транзакционных механизмов, обеспечивая надежность и производительность. Каждая СУБД реализует эти принципы по-своему, но все они следуют общим концепциям устойчивости к сбоям и согласованности данных.