数据库缓存管理

1. 简介

缓存管理器是数据库管理系统（DBMS）中负责管理内存中page并处理文件和索引管理器的page请求的组件。由于内存空间有限，我们不能将所有page存储在缓存池中。因此，缓存管理器需要制定替换策略，当空间填满时选择哪些page进行替换。缓存管理器与磁盘空间管理器进行通信，执行所需的磁盘操作。
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2. 缓存池

缓存池是通过将内存划分为可以放置page的frame来创建的。一个缓存frame可以容纳与一个page相同的数据量。为了有效地跟踪frame，缓存管理器会在内存中分配额外空间用于元数据表。

元数据表追踪以下信息：

frame ID：唯一关联到内存地址
page ID：确定frame当前包含哪个page
脏位：验证page是否被修改
固定计数：跟踪当前使用page的请求者数量

3. 处理page请求

当请求的page存在于内存中时，增加page的固定计数，并返回page的内存地址。如果page不在缓存池中且还有空间，找到下一个空frame并将page读入该frame，将page的固定计数设置为1并返回page的内存地址。如果没有空frame，则使用替换策略决定替换哪个page。

替换策略依赖于page访问模式，选择最优策略以减少I/O开销。如果被替换的page设置了脏位，需要将page写回磁盘以确保更新持久化。一旦请求者完成工作，需要通知缓存管理器减少使用page的固定计数。

4. LRU替换策略

LRU（最近最少使用）是一种常用的替换策略。当需要在已满的缓存池中读入新page时，替换最近最少使用且未固定的page。为了跟踪page使用情况，元数据表中添加了“最后使用”列，记录page固定计数减少的最新时间。实现LRU通常成本较高，Clock策略提供了一种高效近似LRU的实现。
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5. Clock替换策略

Clock策略通过使用元数据表中的引用位列和时钟指针变量来高效地近似LRU。算法将元数据表视为一个循环列表，并设置时钟指针为当前考虑的frame。策略如下：

迭代表中的frame，跳过固定的page，找到第一个引用位为0的未固定frame。
每次迭代，如果当前frame的引用位为1，则将其设为0并移动时钟指针到下一个frame。
到达引用位为0的frame时，替换现有page（如果脏位为1，则写回磁盘并设为0），读入新page，设置frame的引用位为1，并移动时钟指针到下一个frame。