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。

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。

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。
  

6. MRU替换策略

MRU（最近最常使用）策略在替换page时，选择最近最常使用的未固定page。尽管看似反直觉，但在某些访问模式下，如重复的顺序扫描，MRU的性能优于LRU。

7. page请求与缓存命中

在处理page请求时，如果请求的page不在缓存池中，需要选择一个未固定的frame进行替换。如果frame为脏，则需要将当前page写回磁盘并标记为干净，读入请求的page，并返回其地址。如果可以预测请求（如顺序扫描），可以提前读取多个page以优化性能。

8. 脏页处理

缓存管理器通过page上的脏位标记发现脏页。当page被修改时，设置脏位。当需要替换脏页时，缓存管理器会将其写回磁盘。

9. 缓存池状态

缓存池是DBMS服务器启动时分配的大范围内存（MB到GB）。缓存管理器的元数据是DBMS服务器启动时分配的小数组。在内存中保持一个基于PageId的哈希表索引，以便快速查找page。

10. 替换策略的选择

替换策略的选择对I/O次数影响很大，取决于访问模式。LRU适用于随机访问，而MRU适用于重复顺序访问。现代DBMS通常使用混合策略以适应不同的工作负载。例如，PostgreSQL使用Clock策略。

总结

缓存管理器提供了一种间接映射，将磁盘page ID映射到内存地址，确保每个请求的page在内存中被固定以进行操作，并在使用完成后解除固定。通过替换不太可能被引用的page和预取可能被引用的page，缓存管理器试图最小化缓存未命中次数。

要点回顾

• 固定计数和脏位：何时设置/取消设置？由系统的哪一层处理？
• LRU、MRU和Clock：能够手动运行每个策略。
• 顺序扫描和缓存未命中的行为。