In-Memory：記憶體資料庫

来源:http://www.cnblogs.com/ljhdo/archive/2017/01/06/5762716.html
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在逝去的2016後半年，由於項目需要支持數據的快速更新和多用戶的高併發負載，我試水SQL Server 2016的In-Memory OLTP，創建記憶體資料庫實現項目的負載需求，現在項目接近尾聲，系統運行穩定，寫一篇博客，記錄一下使用記憶體資料庫的經驗。 SQL Server 2016的In-Memo ...


在逝去的2016後半年，由於項目需要支持數據的快速更新和多用戶的高併發負載，我試水SQL Server 2016的In-Memory OLTP，創建記憶體資料庫實現項目的負載需求，現在項目接近尾聲，系統運行穩定，寫一篇博客，記錄一下使用記憶體資料庫的經驗。

SQL Server 2016的In-Memory OLTP，通俗地講，是記憶體資料庫，使用記憶體優化表（Memory-Optimized Table，簡稱MOT）來實現，MOT駐留在記憶體中，使用 Hekaton 記憶體資料庫引擎訪問。在查詢MOT時，只從記憶體中讀取數據行，不會產生Disk IO消耗；在更新MOT時，數據的更新直接寫入到記憶體中。記憶體優化表能夠在Disk上維護一個數據副本，該副本只用於持久化數據，不用於數據讀寫操作。

在記憶體資料庫中，不是所有的數據都需要存儲在記憶體中，有些數據仍然能夠存儲在Disk上，硬碟表（Disk-Based Table，簡稱DBT）是傳統的表存儲結構，每個Page是8KB，在查詢和更新DBT時，產生Disk IO操作，將數據從Disk讀取到記憶體，或者將數據更新非同步寫入到Disk中。

記憶體資料庫將原本存儲在Disk上的數據，存儲在記憶體中，利用記憶體的高速訪問優勢實現數據的快速查詢和更新，但是，記憶體資料庫，不僅僅是存儲空間的變化，Hekaton 記憶體資料庫訪問引擎實現本地編譯模塊（Natively compiled），交叉事務（Cross-Container Transaction）和查詢互操作（Query Interop）：

  • 本地編譯模塊：如果代碼模塊只訪問MOT，那麼可以將該模塊定義為本地編譯模塊，SQL Server直接將TSQL腳本編譯成機器代碼；SQL Server 2016支持本地編譯的模式有：存儲過程（SP），觸發器（Trigger），標量值函數（Scalar Function）或內嵌多語句函數（Inline Multi-Statement Function）。相比於解釋性（Interpreted）TSQL 模塊，機器代碼直接使用記憶體地址，性能更高。
  • 交叉事務：在解釋性TSQL模塊中，一個事務既能訪問硬碟表，也能訪問記憶體優化表；實際上，SQL Server創建了兩個事務，一個事務用於訪問硬碟表，一個事務用於訪問記憶體優化表，在DMV中，分別使用transaction_id 和 xtp_transaction_id 來標識。
  • 查詢互操作：解釋性TSQL腳本能夠訪問記憶體優化表和硬碟表，本地編譯模塊只能訪問記憶體優化表。

記憶體數據被整合到SQL Server關係引擎中，使用記憶體資料庫時，客戶端應用程式甚至感受不到任何變化，DAL介面也不需要做任何修改。由於Query Interop的存在，任何解釋性TSQL腳本都能透明地訪問MOT，只是性能沒有本地編譯TSQL腳本性能高。在使用分散式事務訪問MOT時，必須設置合適的事務隔離級別，推薦使用Read Committed，如果發生MSSQLSERVER_41333 錯誤，說明產生交叉事務隔離錯誤（CROSS_CONTAINER_ISOLATION_FAILURE），原因是當前事務的隔離級別太高。

一，創建記憶體資料庫

記憶體優化表的數據必須存儲在包含Memory_Optimized_Data的File Group中，該FileGroup可以有多個File，每個File實際上是Folder，一個DB只能創建一個包含Memory_Optimized_Data的File Group。

step1，創建一個資料庫，創建的Data File的數量最好和CPU內核數量保持一致，存放在不同的物理磁碟上；

use master 
go 

--Create database
create database Test_MemboryDB
on Primary
(
name=Test_MemoryDB_1,
filename='D:\Program Files\Microsoft SQL Server\Test_MemoryDB_1.mdf',
size=5GB,
FileGrowth=1GB
),
(
name=Test_MemoryDB_2,
filename='D:\Program Files\Microsoft SQL Server\Test_MemoryDB_2.ndf',
size=5GB,
FileGrowth=1GB
),
(
name=Test_MemoryDB_3,
filename='D:\Program Files\Microsoft SQL Server\Test_MemoryDB_3.ndf',
size=5GB,
FileGrowth=1GB
),
(
name=Test_MemoryDB_4,
filename='D:\Program Files\Microsoft SQL Server\Test_MemoryDB_4.ndf',
size=5GB,
FileGrowth=1GB
),
(
name=Test_MemoryDB_5,
filename='D:\Program Files\Microsoft SQL Server\Test_MemoryDB_5.ndf',
size=5GB,
FileGrowth=1GB
),
(
name=Test_MemoryDB_6,
filename='D:\Program Files\Microsoft SQL Server\Test_MemoryDB_6.ndf',
size=5GB,
FileGrowth=1GB
),
(
name=Test_MemoryDB_7,
filename='D:\Program Files\Microsoft SQL Server\Test_MemoryDB_7.ndf',
size=5GB,
FileGrowth=1GB
),
(
name=Test_MemoryDB_8,
filename='D:\Program Files\Microsoft SQL Server\Test_MemoryDB_8.ndf',
size=5GB,
FileGrowth=1GB
),
(
name=Test_MemoryDB_9,
filename='D:\Program Files\Microsoft SQL Server\Test_MemoryDB_9.ndf',
size=5GB,
FileGrowth=1GB
),
(
name=Test_MemoryDB_10,
filename='D:\Program Files\Microsoft SQL Server\Test_MemoryDB_10.ndf',
size=5GB,
FileGrowth=1GB
),
(
name=Test_MemoryDB_11,
filename='D:\Program Files\Microsoft SQL Server\Test_MemoryDB_11.ndf',
size=5GB,
FileGrowth=1GB
),
(
name=Test_MemoryDB_12,
filename='D:\Program Files\Microsoft SQL Server\Test_MemoryDB_12.ndf',
size=5GB,
FileGrowth=1GB
),
(
name=Test_MemoryDB_13,
filename='D:\Program Files\Microsoft SQL Server\Test_MemoryDB_13.ndf',
size=5GB,
FileGrowth=1GB
),
(
name=Test_MemoryDB_14,
filename='D:\Program Files\Microsoft SQL Server\Test_MemoryDB_14.ndf',
size=5GB,
FileGrowth=1GB
),
(
name=Test_MemoryDB_15,
filename='D:\Program Files\Microsoft SQL Server\Test_MemoryDB_15.ndf',
size=5GB,
FileGrowth=1GB
),
(
name=Test_MemoryDB_16,
filename='D:\Program Files\Microsoft SQL Server\Test_MemoryDB_16.ndf',
size=5GB,
FileGrowth=1GB
),
(
name=Test_MemoryDB_17,
filename='D:\Program Files\Microsoft SQL Server\Test_MemoryDB_17.ndf',
size=5GB,
FileGrowth=1GB
),
(
name=Test_MemoryDB_18,
filename='D:\Program Files\Microsoft SQL Server\Test_MemoryDB_18.ndf',
size=5GB,
FileGrowth=1GB
),
(
name=Test_MemoryDB_19,
filename='D:\Program Files\Microsoft SQL Server\Test_MemoryDB_19.ndf',
size=5GB,
FileGrowth=1GB
),
(
name=Test_MemoryDB_20,
filename='D:\Program Files\Microsoft SQL Server\Test_MemoryDB_20.ndf',
size=5GB,
FileGrowth=1GB
)
LOG ON 
( 
name = N'Test_MemboryDB_log', 
filename = N'D:\Program Files\Microsoft SQL Server\Test_MemboryDB_log.ldf' , 
size = 10GB , 
filegrowth = 1GB 
)
GO
View Code

step2，為資料庫創建一個包含記憶體優化數據的FileGroup，向該FileGroup中添加“File”，實際上是目錄（Directory），用於存儲記憶體優化數據文件，主要是CheckPoint文件，用於還原持久化的記憶體優化表。

-- Add File Group from memory-optimized data
alter database [Test_MemboryDB]
add filegroup fg_MemoryOptimizedData
contains MEMORY_OPTIMIZED_DATA;

alter database [Test_MemboryDB]
add file 
(
name=Test_MemboryDBDirectory,
filename='D:\Program Files\Microsoft SQL Server\Test_MemboryDBDirectory'
)
to FILEGROUP fg_MemoryOptimizedData;

文件組屬性：CONTAINS MEMORY_OPTIMIZED_DATA 子句，指定File Group用於存儲記憶體優化表數據，每個資料庫只能指定一個存儲記憶體優化數據的File Group，可以在該File Group下創建多個Directory，分佈在不同的物理Disk上，加快記憶體優化表數據還原的速度。

二，創建記憶體優化表

記憶體優化表用於存儲用戶數據，可以持久化存儲，數據存儲在記憶體中，同時，在Disk上維護數據的一個副本，通過選項 DURABILITY= SCHEMA_AND_DATA 指定持久化存儲記憶體優化表；也可以只存儲在記憶體中，通過選項DURABILITY= SCHEMA_ONLY指定。在記憶體優化表上，可以創建nonclustered index 或nonclustered hash index，每個記憶體優化表中至少創建一個Index。

--create memory optimized table
create table [dbo].[products]
(
    [ProductID] [bigint] not null,
    [Name] [varchar](64) not null,
    [Price] decimal(10,2) not null,
    [Unit] varchar(16) not null,
    [Description] [varchar](max) null,
    constraint [PK__Products_ProductID] primary key nonclustered hash ([ProductID])with (bucket_count=2000000)
    ,index idx_Products_Price  nonclustered([Price] desc)
    ,index idx_Products_Unit nonclustered hash(Unit) with(bucket_count=40000)
)
with(memory_optimized=on,durability= schema_and_data)
go

1，記憶體優化：MEMORY_OPTIMIZED

[MEMORY_OPTIMIZED = {ON | OFF}]

預設值是OFF，指定創建的表是硬碟表；設置選項MEMORY_OPTIMIZED為ON，指定創建的表是記憶體優化表；

2，持久性：Durability 

DURABILITY = {SCHEMA_ONLY | SCHEMA_AND_DATA}

預設值是SCHEMA_AND_DATA，指定創建的記憶體優化表是持久化的，這意味著，數據更新會持久化存儲到Disk上，在SQL Server重啟之後，記憶體優化表的數據能跟根據存儲在Disk上的副本還原。選項 SCHEMA_ONLY 指定創建的記憶體優化表是非持久化的，這意味著Table Schema是持久化存儲到Disk上，但是，任何數據更新都不會持久化到Disk上，在SQL Server重啟之後，記憶體優化表的數據會丟失。

3，哈希索引和範圍索引

記憶體優化表支持Hash Index，屬性 BUCKET_COUNT 指定為Hash Index創建的bucket的數量，一般hash bucket的數量是數據行的1-2倍，如果無法估計bucket的數量，請創建範圍索引（NonClustered Index），索引結構是Bw-Tree。

Hash 索引由一個數組和多個數據行鏈組成，每一個數組元素叫做一個Hash Bucket，通過內置的Hash函數，將Hash索引的Key映射到Hash Bucket上，例如，如果Hash Index的Key是(Col1,Col2)，根據HashFunction(Col1,Col2)返回的Hash Value，將數據行映射到指定的Hash Bucket上；如果多個Key映射到同一個Hash Bucket上，那麼這些Key組成一個鏈。例如：數據表結構是(Name,City)，在Name欄位上創建Hash Index，Hash值相同的數據行鏈接成一個單向鏈。

三，創建Natively Compiled SP

本地編譯SP在創建時編譯成機器代碼，整個SP以原子方式執行，這意味著，以SP為單位，整個SP中的所有操作是一個原子操作，要麼執行成功，要麼執行失敗。

create procedure dbo.usp_GetProduct
    @ProductID bigint not null
with native_compilation, schemabinding, execute as owner
as
begin atomic with (transaction isolation level = snapshot, language = N'US_English')  
select  [ProductID]
      ,[Name]
      ,[Price]
      ,[Unit]
      ,[Description]
from [dbo].[Products]
where ProductID=@ProductID
end
go

1，在本地編譯SP中，能夠為參數，變數指定Nullability屬性，預設值是NULL

NOT NULL 屬性：不能為參數或變數指定NULL值，

  • 在本便編譯SP中，為參數指定NOT NULL屬性，不能為參數指定NULL值；
  • 在本便編譯SP中，為變數定義NOT NULL屬性，必須在Declare時初始化變數；

2，本地編譯SP必須包含兩個選項：SCHEMABINDING 和 ATOMIC Block

  • SCHEMABINDING：綁定引用的記憶體優化表
  • ATOMIC Block：在原子塊中的所有語句，以單個事務運行；在事務成功時，所有語句都提交成功；在事務失敗時，所有語句都回滾。Atomic Bloc保證原子地執行SP，如果SP在其他事務的上下文中被調用，那麼該SP開始一個新的事務。
    • Atomic blocks guarantee atomic execution of the stored procedure. If the procedure is invoked outside the context of an active transaction, it will start a new transaction, which commits at the end of the atomic block.

使用Atomic Block必須設置兩個選項：

  • TRANSACTION ISOLATION LEVEL：指定Atomic Block開啟事務的隔離級別，通常指定Snapshot隔離級別；
  • LANGUAGE：指定SP上下文的語言；

3，解釋型SP和本地編譯SP的區別

解釋性SP能夠訪問硬碟表（Disk-Based Table）和記憶體優化表（Memory-Optimized Table），其真正的區別是解釋性（Interpreted）SP在第一次執行時編譯，而本地編譯（Natively Compiled）SP是在創建時編譯，並且直接編譯成機器代碼，綁定的是記憶體地址。

4，延遲持久化

在本地編譯SP中，設置Atoic Block的選項：DELAYED_DURABILITY = ON ，使SP對記憶體優化表的更新操作，以非同步寫事務日誌方式，延遲持久化到Disk，這意味著，如果記憶體優化表維護了一個Disk-Based 的副本，數據在記憶體中修改之後，不會立即更新到Disk-Based 的副本中，這有丟失數據的可能性，但是能夠減少Disk IO，提高數據更新的性能。

四，使用記憶體優化的表變數和臨時表

傳統的表變數和臨時表，都使用tempdb存儲臨時數據，而tempdb不是記憶體資料庫，使用Disk存儲臨時表和表變數的數據，會產生Disk IO和競爭，SQL Server提供了記憶體優化的表變數，將臨時數據存儲在記憶體中，詳細信息，請參考我的博客：《In-Memory：在記憶體中創建臨時表和表變數》。

五，在記憶體資料庫中使用JSON

自從使用JSON之後，我的第一感概是：資料庫豈能沒有JSON，不管是資料庫將值傳遞前端，還是前端將數據傳遞到資料庫，使用JSON方便很多，相比XML，JSON的使用簡單很多，詳細信息，請參考我的博客：《使用TSQL查詢和更新 JSON 數據》

六，記憶體資料庫的事務處理

交叉事務是指在一個事務中，解釋性TSQL語句同時訪問記憶體優化表（Memory-Optimized Table，簡稱MOT）和硬碟表（Disk-Based Table，簡稱DBT）。在交叉事務中，訪問MOT的操作和訪問DBT的操作都擁有自己獨立的事務序號，就像在一個大的交叉事務下，存在兩個單獨的子事務，分別用於訪問MOT和DBT；在sys.dm_db_xtp_transactions (Transact-SQL)中，訪問DBT的事務使用transaction_id標識，訪問MOT的事務序號使用xtp_transaction_id標識。詳細信息，請參考我的博客：《In-Memory：記憶體優化表的事務處理》

 

參考文檔：

In-Memory OLTP (In-Memory Optimization)

Introduction to Memory-Optimized Tables

Natively Compiled Stored Procedures

Memory-Optimized Tables

試試SQLSERVER2014的記憶體優化表

SQLServer 2014 記憶體優化表

SQL Server 2014 記憶體優化表（1）實現記憶體優化表

CREATE TABLE (Transact-SQL)

CREATE PROCEDURE (Transact-SQL)

Creating Natively Compiled Stored Procedures


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