数据库系统内幕

前言 1

第一部分 存储引擎

第1章 简介与概述 13

1.1 数据库架构 14

1.2 内存数据库与磁盘数据库 16

1.3 面向列与面向行的数据库 17

1.3.1 面向行的数据布局 18

1.3.2 面向列的数据布局 19

1.3.3 区别与优化 20

1.3.4 宽列式存储 20

1.4 数据文件和索引文件 21

1.4.1 数据文件 22

1.4.2 索引文件 23

1.4.3 间接的主索引 24

1.5 缓冲、不可变性和有序性 25

1.6 本章小结 26

第2章 B树基础知识 28

2.1 二分搜索树 28

2.1.1 树的平衡 29

2.1.2 基于磁盘存储的树 31

2.2 基于磁盘的结构 32

2.2.1 机械硬盘 32

2.2.2 固态硬盘 32

2.2.3 磁盘存储结构 34

2.3 无处不在的B树 35

2.3.1 B树的层次结构 36

2.3.2 分隔键 38

2.3.3 B树查找复杂度 39

2.3.4 B树查找算法 39

2.3.5 键的数目 40

2.3.6 B树的节点分裂 40

2.3.7 B树的节点合并 42

2.4 本章小结 43

第3章 文件格式 45

3.1 动机 45

3.2 二进制编码 46

3.2.1 原始类型 46

3.2.2 字符串和变长数据 48

3.2.3 按位打包的数据：布尔值、枚举值和标志 48

3.3 通用原理 49

3.4 页的结构 51

3.5 分槽页 51

3.6 单元格布局 53

3.7 将单元格放进分槽页 54

3.8 管理变长数据 55

3.9 版本 56

3.10 校验和 57

3.11 本章小结 58

第4章 B树的实现 59

4.1 页头 59

4.1.1 魔数 59

4.1.2 同级指针 60

4.1.3 最右指针 60

4.1.4 节点的高键 61

4.1.5 溢出页 62

4.2 二分搜索 64

4.3 传播分裂与合并 65

4.4 再平衡 67

4.5 仅在右侧追加 68

4.6 压缩 69

4.7 清扫与维护 70

4.7.1 更新和删除导致的碎片 70

4.7.2 页的碎片整理 71

4.8 本章小结 72

第5章 事务处理与恢复 74

5.1 缓冲区管理 75

5.1.1 缓存语义 77

5.1.2 缓存回收 77

5.1.3 在缓存中锁定页 78

5.1.4 页置换 79

5.2 恢复 82

5.2.1 日志语义 83

5.2.2 操作日志与数据日志 84

5.2.3 steal和force策略 84

5.2.4 ARIES 85

5.3 并发控制 86

5.3.1 可串行化 86

5.3.2 事务隔离 87

5.3.3 读异常和写异常 88

5.3.4 隔离级别 88

5.3.5 乐观并发控制 90

5.3.6 多版本并发控制 91

5.3.7 悲观并发控制 91

5.3.8 基于锁的并发控制 91

5.4 本章小结 98

第6章 B树的变体 101

6.1 写时复制 101

6.2 抽象节点更新 103

6.3 惰性B树 103

6.3.1 WiredTiger 104

6.3.2 惰性自适应树 105

6.4 FD树 106

6.4.1 分段级联 106

6.4.2 对数级的有序段 108

6.5 Bw树 108

6.5.1 更新链 109

6.5.2 用CAS控制并发 109

6.5.3 结构修改操作 110

6.5.4 合并和垃圾收集 111

6.6 缓存无关B树 112

6.7 本章小结 114

第7章 日志结构存储 116

7.1 LSM树 117

7.1.1 LSM树的结构 118

7.1.2 更新与删除 122

7.1.3 LSM树的查找 123

7.1.4 合并迭代 124

7.1.5 协调 126

7.1.6 LSM树的维护 126

7.2 读写放大与空间放大 129

7.3 实现细节 130

7.3.1 有序字符串表 130

7.3.2 布隆过滤器 132

7.3.3 跳表 133

7.3.4 磁盘访问 135

7.3.5 压缩 136

7.4 无序LSM存储 136

7.4.1 Bitcask 137

7.4.2 WiscKey 138

7.5 LSM树中的并发 139

7.6 日志堆叠 140

7.6.1 闪存转换层 141

7.6.2 文件系统日志记录 142

7.7 LLAMA与精心堆叠 144

7.8 本章小结 145

第一部分总结 147

第二部分 分布式系统

第8章 简介与概述 151

8.1 并发执行 151

8.2 分布式计算的误区 153

8.2.1 处理 154

8.2.2 时钟和时间 155

8.2.3 状态一致性 156

8.2.4 本地和远程执行 157

8.2.5 处理故障的需要 157

8.2.6 网络分区和部分故障 157

8.2.7 级联故障 158

8.3 分布式系统抽象 160

8.4 两将军问题 165

8.5 FLP不可能定理 166

8.6 系统同步性 167

8.7 故障模型 167

8.7.1 崩溃故障 168

8.7.2 遗漏故障 168

8.7.3 任意故障 169

8.7.4 故障处理 169

8.8 本章小结 169

第9章 故障检测 171

9.1 心跳和ping 172

9.1.1 无超时的故障检测器 173

9.1.2 外包心跳 174

9.2 phi增量故障检测器 175

9.3 Gossip和故障检测 175

9.4 反向故障检测 176

9.5 本章小结 177

第10章 领导者选举 179

10.1 霸道选举算法 180

10.2 依次故障转移 181

10.3 候选节点/普通节点优化 182

10.4 邀请算法 183

10.5 环算法 184

10.6 本章小结 185

第11章 复制和一致性 187

11.1 实现可用性 188

11.2 臭名昭著的CAP理论 188

11.2.1 小心使用CAP 189

11.2.2 收成与产量 190

11.3 共享内存 191

11.4 顺序 192

11.5 一致性模型 193

11.5.1 严格一致性 194

11.5.2 可线性化 194

11.5.3 顺序一致性 198

11.5.4 因果一致性 199

11.6 会话模型 202

11.7 最终一致性 204

11.8 可调一致性 204

11.9 见证者副本 206

11.10 强最终一致性和CRDT 207

11.11 本章小结 209

第12章 反熵和传播 212

12.1 读修复 213

12.2 摘要读 214

12.3 提示移交 215

12.4 Merkle树 215

12.5 位图版本向量 216

12.6 Gossip传播 218

12.6.1 Gossip技术细节 219

12.6.2 覆盖网络 219

12.6.3 混合Gossip 220

12.6.4 局部视图 221

12.7 本章小结 222

第13章 分布式事务 224

13.1 多个操作的原子性 225

13.2 两阶段提交 226

13.2.1 2PC中的参与者故障 227

13.2.2 2PC中的协调者故障 228

13.3 三阶段提交 229

13.4 Calvin分布式事务 231

13.5 Spanner分布式事务 233

13.6 数据库分区 235

13.7 Percolator分布式事务 236

13.8 协调避免 238

13.9 本章小结 240

第14章 共识 243

14.1 广播 244

14.2 原子广播 245

14.2.1 虚同步 245

14.2.2 Zookeeper原子广播 246

14.3 Paxos 248

14.3.1 Paxos算法 249

14.3.2 Paxos的Quorum 250

14.3.3 故障场景 251

14.3.4 Multi-Paxos 253

14.3.5 快速Paxos 254

14.3.6 平等Paxos 255

14.3.7 柔性Paxos 257

14.3.8 共识的推广解法 259

14.4 Raft 261

14.4.1 Raft中的领导者角色 263

14.4.2 故障场景 264

14.5 拜占庭共识 266

14.5.1 PBFT算法 266

14.5.2 恢复和检查点 268

14.6 本章小结 269

第二部分总结 272

参考文献 275