SQL Server性能调优：资源管理之内存管理篇（上）

yxxs123

　　对SQL Server来说，最重要的资源是内存、Disk和CPU，其中内存又是重中之重，因为SQL Server为了性能要求，会将它所要访问的数据全部（只要内存足够）放到缓存中。这篇就来介绍SQL Server的内存管理体系。
　　SQL Server作为Windows上运行的应用程序，必须接受Windows的资源管理，利用Windows的API来申请和调度各类资源。但是，由于Windows的资源管理体系，是为了满足大多数的应用程序所设计的，这对于SQL Server这种定位于企业级、支持多用户和高并发性的数据库应用程序来说不是很适合，为此SQL Server开发了自己的一套资源管理体系——SQLOS(SQL操作系统)。也就是说SQL Server的资源管理分两层，第一层是在Windows上，通过Windows的API来申请资源。第二层是在SQL Server上，利用SQLOS来决定如何使用从Windows那里申请来的资源。
　　
　　一、操作系统层面的SQL Server内存管理
　　由于SQL server的内存是通过Windows的API来申请的，如果Windows自己本身就缺少内存，SQL Server由于申请不到内存，性能自然受影响。因此做SQL Server的内存检测，第一步就是查看系统层面的内存，以确保系统本身不缺内存，这一步简单但是必不可少。这里先介绍Windows的一些内存管理理念，然后介绍如何检查系统的内存情况。
　　1、Windows的一些内存术语
　　 Virtual Address Space（虚拟地址空间）：应用程序能够申请访问的最大地址空间。对于32位的服务器，地址寻址空间为2的32次方，也就是4GB，但是这4GB并不是都给SQL Server使用的，默认情况下是用户态2GB，核心态2GB，所以说对于32位的系统SQL Server只有2GB的内存可供使用。不过可以通过设置/3GB boot.int参数，来调整系统的配置，使用户态为3GB，核心态为1GB。或者开启AWE（地址空间扩展），将寻址空间扩展为64GB，不过该设置有缺陷，下面会分析。

　　 Physical Memory（物理内存）：也就是通常所说的电脑的内存大小。
　　 Reserved Memory（保留地址）：应用程序访问内存的方式之一，先保留（Reserve）一块内存地址空间，留着将来使用（SQL Server中的数据页面使用的内存就是通过这个方式申请  的）。被保留的地址空间，不能被其他程序访问，不然会出现访问越界的报错提示。
　　 Committed Memory（提交内存）：将保留（Reserve）的内存页面正式提交（Commit）使用。
　　 Shared Memory（共享内存）：对一个以上进程可见的内存。
　　 Private Bytes（私有内存）：某进程提交的地址空间中，非共享的部分。
　　 Working Set：进程的地址空间中存放在物理内存中的部分。
　　 Page Fault（页面访问错误）：访问在虚拟地址空间，但不存在于Working Set中会发生Page Fault。这个又分两种情况，第一种是目标页面在硬盘上，这钟访问会带来硬盘读写，这种称为Hard Fault。另外一种是目标页面在物理内存中，但是不是该进程的Working Set下，Windows只需要重新定向一下，成为Soft Fault。由于Soft Hard不带来硬盘读写，对系统的性能影响很小，因此管理员关心的是Hard Fault。
　　 System Working Set：Windows系统的Working Set。
　　2、Windows的内存检测
　　可以通过Windows的性能监视器来检测Windows的内存使用情况，如何使用性能监视器，可以看这篇文章《使用“性能监视器”监视系统性能/运行情况》 。在检测内存上，比较重要的计数器有下面一些：
　　分析Windows系统的内存总体使用情况的计数器：

　　Memory：Available MBytes：系统中空闲的物理内存数。

Memory：Pages/Sec：由于Hard Page的发生，每秒钟从硬盘中读取或者写入的页面数。该计数器等于Memory：Pages Input/Sec与Memory：Pages Output/Sec之和。　　分析Windows系统自身的内存使用情况的计数器：

　　Memory：Cache Bytes：系统的Working Set，也就是Windows系统使用的物理内存数。
　　对于每个进程的内存使用情况的计数器：

　　Process：Private Bytes：进程提交的地址空间中非共享的部分。
　　Process：Working Set：进程的地址空间中存放在物理内存中的那部分。
　　从这些计数器中，我们可以看到系统中是否还有空闲内存，哪个进程使用的内存最多，在发生问题的时候是否有内存使用量突变等情况。这为接下来分析SQL Server的使用提供一个前提条件。
　　
　　二、SQL Server内部的内存管理
　　1、内存使用分类
　　按用途分类
　　1）Database cache（数据页面）。SQL Server中的页面都是以8KB为一个页面存储的。当SQL Server需要用到某个页面时，它会将该页面读到内存中，使用完后会缓存在内存中。在内存没有压力的情况下，SQL Server不会将页面从内存中删除。如果SQL Server感觉到内存的压力时，会将最长时间没有使用的页面从内存中删除来空出内存。

　　2）各类Consumer（功能组件）
　　Connection的连接信息
　　General：一组大杂烩。语句的编译、范式化、每个锁数据结构、事务上下文、表格和索引的元数据等

　　Query Plan：语句和存储过程的执行计划。和Database cache类似，SQL Server也会将执行计划缓存以供将来使用，减少编译时间。
　　Optimizer：生成执行计划的过程中消耗的内存。
　　Utilities：像BCP、Log Manager、Backup等比较特殊的操作消耗的内存。
　　3）线程内存：存放进程内每个线程的数据结构和相关信息消耗的内存，每个线程需0.5MB的内存。
　　4）第三方代码消耗的内存：SQL Server的进程里，会运行一些非SQL Server自身的代码。例如：用户定义的CLR或Extended Stored Procedure代码。

　　按申请方式分类
　　1）预先Reserve一块大的内存，然后在使用的时候一块一块的Commit。Database Page是按这种方式申请的。

　　2）直接用Commit方式申请的内存，成为Stolen方式。除了Database Page之外其他内存基本都是按这种方式申请的。
　　按申请内存的大小分类

　　1）申请小于等于8KB为一个单位的内存，这些内存称为Buffer Pool

　　2）申请大于8KB为一个单位的内存，这些内存称为Multi-Page（或MemToLeave）

　　SQL Server对于Database Page都是采用先Reserved后Commit的方式申请的，而数据页都是以8KB为单位进行申请的。
　　对于Consumer中的内存申请，一般都是按Stolen方式申请的，且大多数的执行计划的大小都是小于8KB的，少数特别复杂的存储过程的执行计划会超过8KB，默认的连接的数据包是4KB，除非客户端特别设置了超过8KB（不建议）
　　第三方代码的内存申请一般是按Stolen方式申请的，个别比如CLR中可能会用Reserved/Commit的方式申请。
　　线程的内存每个都以0.5MB的方式申请，自然是放在MemToLeave中。
　　之所以花了这么大篇幅来讲SQL Server的内存分类，是因为SQL Server尤其是32位的SQL Server对不同种类的内存的申请大小是不一样的，对Commit、Stolen和MemTOLeave等类型的内存是有限制的。因此会出现系统中还有空闲内存，但是SQL Server不会申请使用的现象。

　　2、各部分内存的大小限制

　　 1）32位的Windows
　　在SQL Server启动时，会预先分配好MemToLeave区域的大小。默认大小为256MB+256（SQL Server配置的允许最大线程数）* 0.5MB=384MB，因此Buffer Pool中的最大值为2GB-384MB=1.664G。如果使用了AWE技术，可以将系统的扩展地址空间达到64GB，但由于AWE扩展出来的地址只能用Reserved/Commit方式申请，为此MemToLeave的内存还是384MB，Buffer Pool中的Stolen的最大内存为1.664G，剩余的内存都可以为Database Page页面使用。
　　2）64位的Windows
　　32位的SQL Server。由于64位的操作系统，核心态不再占用32位进程的虚拟地址空间，因此MemToLeave的大小还是为384MB，Buffer Pool可以达到3.664G。如果还开启了AWE，这3.664GB可以全部用于Buffer Pool中的Stolen，剩余的内存都可以给Database Page页面使用。不过这种情况很少见，哪里用64位操作系统的机器装32位的哦-_- 。

　　64位的SQL Server。所有的内存都无限申请的，有需要就申请。
　　3、SQL Server内存使用情况的分析
　　一般来说有两种方式，第一种就是用来分析系统内存情况时使用的用性能计数器来分析，第二种是使用动态管理视图（DMV，只适用于SQL Server2005和2008）
　　1）SQL Server性能计数器
　　 SQLServer：Memory Manager：Total Server Memory（KB)：SQL Server缓冲区提交的内存。不是SQL Server总的使用内存，只是Buffer Pool中的大小。

　　 SQLServer：Memory Manager：Target Server Memory（KB）：服务器可供SQL Server使用的内存量。一般是由SQL Server能访问到的内存量和SQL Server的sp_Configure配置中的Max Server Memory值中的较小值算得。
　　 SQLServer：Memory Manger：Memory Grants Pending：等待内存授权的进程总数。如果该值不为0，说明当前有用户的内存申请由于内存压力被延迟，这意味着比较严重的内存瓶颈。
　　 SQLServer：Buffer Manager：Buffer Cache Hit Ratio：数据从缓冲区中找到而不需要从硬盘中去取的百分比。SQL Server在运行一段时间后，该比率的变化应该很小，而且都应该在98%以上，如果在95%以下，说明有内存不足的问题。


SQLServer：Buffer Manager：Lazy Writes/Sec：每秒钟被惰性编辑器（Lazy writer）写入的缓冲数。当SQL Server感觉到内存压力的时候，会将最久没有使用的数据页面和执行计划从缓冲池中清理掉，做这个动作的就是Lazy Writer。 Page Life Expectancy：页面不被引用后，在缓冲池中停留的秒数。在内存没有压力的情况下，页面会一直待在缓冲池中，Page Life Expectancy会维持在一个比较高的值，如果有内存压力时，Page Life Expectancy会下降。所以如果Page Life Expectancy不能维持在一个值上，就代表SQLServer有内存瓶颈。
SQLServer：Buffer Manager：Database Pages ：就是Database Cache的大小。　　 SQLServer：Buffer Manager：Free Pages：SQL Server中空闲可用的大小。
　　 SQLServer：Buffer Manager：Stolen Pages：Buffer Pool中Stolen的大小。
　　 SQLServer：Buffer Manager：Total Pages：Buffer Pool的总大小（等于Database Pages+Free Pages+Stolen Pages）。该值乘以8KB，应该等于Memory Manager：Total Server Memory的值。

　　从上面这些计数器中我们就能了解SQL Server的内存使用情况，结合前面说的系统层的计数器大概能看出是否存在内存瓶颈。
　　2）内存动态管理视图
　　在SQL Server 2005以后，SQL Server的内存管理是使用Memory Clerk的方式统一管理。所有的SQL Server的内存的申请或释放，都需要通过它们的Clerk，SQL Server也通过这些Clerk的协调来满足不同需求。通过查询这些DMV，可以得到比用性能计数器更加详细的内存使用情况。
　　
　　我们可以通过下面的查询语句来检测SQL Server的Clerk的内存使用情况。

使用sys.dm_os_memory_clerks查看内存使用情况

SELECT type, --Clerk的类型
    sum(virtual_memory_reserved_kb) as vm_Reserved_kb, -- 保留的内存
    sum(virtual_memory_committed_kb) as vm_Committed_kb, --提交的内存
    sum(awe_allocated_kb) as awe_Allocated_kb, -- 开启AWE后使用的内存
    sum(shared_memory_reserved_kb) as sm_Reserved_kb, -- 共享的保留内存
    sum(shared_memory_committed_kb) as sm_Committed_kb, -- 共享的提交内存
    sum(single_pages_kb) as SinlgePage_kb, -- Buffer Pool中的Stolen的内存
    sum(multi_pages_kb) as MultiPage_kb -- MemToLeave的内存
FROM sys.dm_os_memory_clerks
GROUP BY type
ORDER BY type　　从上面的查询语句，我们可以算出前面提到的内存大小

　　 Reserved/Commit = sum(virtual_memory_reserved_kb) / sum(virtual_memory_committed_kb)

　　 Stolen = sum(single_pages_kb) + sum(multi_pages_kb)

　　 Buffer Pool = sum(virtual_memory_committed_kb) + sum(single_pages_kb)

　　 MemToLeave = sum(multi_pages_kb)
　　
　　通过上面的介绍我们可以知道SQL Server总体和各部分内存的使用情况，如果我想知道数据页的缓存中到底缓存了哪些数据，这些数据是属于哪个数据库的哪个表中的呢？执行计划又是缓存了哪些语句的执行计划呢？这也可以通过DMV查看的到。


查看内存中的数据页面缓存的是哪个数据库的哪个表格的数据

declare @name nvarchar(100)
declare @cmd nvarchar(1000)
declare dbnames cursor for
select name from master.dbo.sysdatabases
open dbnames
fetch next from dbnames into @name
while @@fetch_status = 0
begin
set @cmd = 'select b.database_id, db=db_name(b.database_id),p.object_id,p.index_id,buffer_count=count(*) from '
--这里的object_id代表是SQL Server中的对象号,index_id代表是索引号,buffer_count代表的是页面数
+ @name + '.sys.allocation_units a, '
+ @name + '.sys.dm_os_buffer_descriptors b, ' + @name + '.sys.partitions p
where a.allocation_unit_id = b.allocation_unit_id
and a.container_id = p.hobt_id
and b.database_id = db_id(''' + @name + ''')
group by b.database_id,p.object_id, p.index_id
order by b.database_id, buffer_count desc'
exec (@cmd)
fetch next from dbnames into @name
end
close dbnames
deallocate dbnames
go
-- 根据上面取出来的@object_id找出是哪个数据库的哪个表
SELECT    s.name AS table_schema, o.name as table_name --使用的就是table_schema.table_name表
FROM    sys.sysobjects AS o INNER JOIN
          sys.schemas AS s ON o.uid = s.schema_id
WHERE    (o.id = @object_id)
-- 根据上面取出来的@object_id和@index_id找出索引的名称
SELECT    id, indid, name as index_name -- index_name就是索引的名称
FROM    sys.sysindexes
WHERE    (id = @object_id) AND (indid = @index_id)
-- 根据上面取出来的表名table_schema.table_name和索引的名称index_name，还可以找出该索引是建立在哪些字段上的
EXEC sp_helpindex 'table_schema.table_name'　　
　　查看内存中缓存的执行计划，以及执行计划对应的语句：



-- 输出可能较大，请小心使用
SELECT    usecounts, refcounts, size_in_bytes, cacheobjtype, objtype, text
FROM    sys.dm_exec_cached_plans cp CROSS APPLY sys.dm_exec_sql_text(plan_handle)
ORDER BY objtype DESC　　

　　写了这么多竟然发现大多数讲的还是数据收集的这一部分，相应的解决办法还没有讲到。。。由于文章太长，具体的解决方法将在下一篇讲解，下一篇将从Database Page、Stolen和Multi-Page三部分的具体瓶颈来讲解。