YashanDB 数据库的内存管理技术介绍

在现代数据库系统中，内存管理技术是提升查询效率与系统吞吐能力的关键因素。如何高效利用内存资源，合理缓存数据和执行计划，减少磁盘 I/O，以及保证事务并发访问的一致性，直接决定数据库性能和用户体验。本文详细介绍 YashanDB 数据库的内存管理体系结构、关键技术及优化策略，旨在帮助数据库开发和运维人员对 YashanDB 的内存管理有深入的理解，并有效应用于实际场景。

YashanDB 内存管理体系结构

YashanDB 采用多线程架构，内存分为共享内存区域（SGA，Shared Global Area）和私有内存区域（SPA，Session Private Area）两大部分。

共享内存区域：由所有数据库后台线程和会话共享，包含多个缓存子系统，用以加速数据访问和 SQL 执行。主要组件包括：

内存共享池（SHARE POOL）：存储 SQL 解析树、执行计划和数据字典缓存，减少编译和权限检测开销。

数据缓存（DATA BUFFER）：缓存从磁盘读取的数据块，采用 LRU 算法管理，分行为数据缓存和列数据缓存。

有界加速缓存（AC BUFFER）：专用于存储基于有界理论的缓存对象，提升特定数据访问效率。

虚拟内存（VIRTUAL MEMORY）：为 SQL 物化算子提供缓存空间，支持磁盘分页换入换出，提升执行灵活性。

私有内存区域：会话独占内存，用于会话执行过程中的局部变量和生命周期较长的运行数据。退出会话时释放。

该内存结构设计兼顾了多会话并发访问的性能需求和单会话执行的资源隔离性，支持多实例和分布式环境下的数据访问一致性。

数据缓冲池与缓存管理

数据缓存是数据库内存管理的核心部分，目的是减少对磁盘 I/O 的依赖，提升数据访问速度。YashanDB 中数据缓存采用段页式管理思想，将磁盘上连续物理块映射为缓存的逻辑块，按需加载。

采纳 LRU（最近最少使用）算法进行缓存淘汰，确保缓冲池中的数据块为当前和近期热点数据。YashanDB 区分行数据缓存和列数据缓存，分别针对行存表和列存表，提高对应数据访问的命中率和遍历效率。

缓存还有空闲空间管理机制，将缓存页按空闲度分组，支持并发访问的细粒度缓存管理，减少锁竞争，提高并发缓冲访问性能。

SQL 缓存及执行计划重用

在共享池内，YashanDB 缓存 SQL 解析树和编译完成的执行计划。执行 SQL 时优先查询 SQL 缓存，若命中则避免硬解析，节省语法解析和优化开销。

该机制显著提升重复查询的响应时间，并结合动态重写和静态重写技术，根据实时统计信息和上下文适时重构执行计划，保证计划的最优性与适用性。

多版本并发控制（MVCC）与事务内存一致性

YashanDB 基于 MVCC 实现读写并发控制，维护数据的多个版本，隔离读写操作。数据变化时，相关行的历史版本和事务状态维护在 UNDO 段内。

查询时通过事务快照的 SCN 判断版本可见性，无锁访问一致性读数据，避免读写阻塞。事务写操作使用 Xslot 注册锁信息，精细控制锁粒度和冲突。

MVCC 方案结合事务隔离等级支持语句级和事务级一致读，增强执行效率和灵活性，实现高并发下的性能与数据一致性平衡。

虚拟内存与物化缓存的异构管理

为了支持复杂 SQL 算子的计算和中间数据缓存，YashanDB 提供虚拟内存机制，将部分物化数据缓存在内存中，超出容量时可分页至磁盘存储。

虚拟内存区分行虚拟内存和列虚拟内存，分别服务于行存表和列存表查询，加快函数计算、排序和连接等算子的处理速度。

该机制通过主动换页和异步写盘确保运行时内存压力可控，同时兼顾性能和稳定性。

内存共享与多实例协调技术

在共享集群部署中，YashanDB 采用聚合内存技术实现多实例间共享内存的协调，包括数据页缓存和锁资源。

全局资源目录（GRC）、缓存服务（GCS）和锁服务（GLS）协同管理数据块拥有权、缓存一致性和锁状态，减少多实例访问冲突，保证多读多写场景下的强一致性。

该机制不仅提升共享资源访问的效率，还提供故障恢复期间的资源状态协调，支持集群高可用与稳定运行。

内存持久化与持久层协同

YashanDB 通过 redo 日志缓冲和检查点机制实现内存数据持久化。日志缓存批量落盘优化 IO，减少事务提交延迟。

由检查点线程定时将脏数据页写入数据文件，维持数据库的持久性和数据文件的一致性。采用多线程写和 IO 合并优化加速刷页。

双写技术防止因断电导致的数据页半写，保证了数据块完整性。主备复制也基于 redo 日志传输确保数据跨实例一致。

内存管理的优化建议

合理配置共享内存区域大小，确保数据缓存和 SQL 缓存足够满足业务并发和数据量需求。

定期收集并更新统计信息，利用优化器动态调整执行计划，充分发挥 SQL 缓存和重写策略优势。

针对业务热点表和列存表，调优数据缓存与列数据缓存比例，提高缓存命中率，减少物理 I/O。

启用共享集群内存聚合功能，确保多实例共享内存一致性管理，提升集群环境下内存利用效率和访问性能。

根据硬件条件及负载特征调整数据库缓冲大小和虚拟内存容量，合理配置并发写线程数，优化数据刷盘性能。

监控内存使用与脏页比例，及时触发检查点，降低异常恢复时长，提高系统稳定性。

充分利用内存中的数据字典缓存和 PL 缓存，减少动态解析与编译开销，提升复杂 SQL 和 PL 的执行效率。

结论

YashanDB 的内存管理技术基于共享与私有内存结构，结合多版本并发控制、丰富的缓存策略与多实例资源协同，实现了高效的数据访问与事务处理。通过合理配置和持续优化内存使用，能够显著提升数据库的查询性能和系统响应能力。数据库开发和运维人员应深入理解这些内存管理机制，结合业务实际需求，实施针对性调优，充分释放 YashanDB 数据库的性能潜力。