这篇文章我想谈下空值位图掩码（NULL bitmap mask） ，并揭开它的神秘面纱。空值位图掩码是在存储引擎层为列是否存储NULL值进行编码。它是一个简单的位图掩码，如果值是1的话，表示这列有NULL值，如果是0的话，表示这列有具体的值（非NULL值）。
这样的解释听起来非常直接，但当我们进一步分析时，用这个方法还是有启发性的。首先我们来看看数据行的组合结构，这是存储引擎用来在磁盘上存储记录的结构。结构如下图所示：
这个格式被称为定长变量格式（FixedVar format），因为SQL Server总是先存储定长列（像INT，CHAR），再存储变长列（像VARCHAR)。从图中我们可以看到，SQL Server以存储2 bytes的状态位开始，接着用2 bytes存储由行头到定长列结尾长度（包含所有定长列数据）。然后用2 bytes存储列个数，紧随其他的就是真正的空值位图掩码（NULL bitmap mask）。
所有的一切第一眼看起来都很合理，但我们再仔细看下的话，我们就开始思考，并且你可能会问：为什么SQL Server在每条数据行里存储具体的列数？对于每条数据行，列数都不是一样的么？为什么SQL Server要存储这些冗余的数据？
第1个答案是非常简单和有逻辑性的：SQL Server需要列数来计算用作实际空值位图掩码（NULL bitmap mask）的字节数。小于等于8列的表需要1 byte，9到16列需要 2 bytes，17到24列需要3 bytes，以此类推。明白了么？但在表里每条记录的列数必须是一样的！
我们来看第2个用实例分析的技术性正确答案：首先，你要知道空值位图掩码（NULL bitmap mask）是用在数据引擎级别，即当前记录中的列数。这就是说SQL Server在物理行可以存储不同数量的列。额，好像说的有点含糊不清…………物理数据行列数和表元数据层（sys.dolumns）里列数并不一致。这些也是SQL Server内部的真正不同层级。
因此在什么情况下这些层级间会彼此不相等呢？很简单：当你往表里增加列的时候！如果你加的列是NULL还是NOT NULL，SQL Server会作出完全不同的区别。当你增加一个新的NULL列到表时，SQL Server只更新表元数据层，一点也不接触到存储引擎层。也就是说当你增加一个NULL列时，所有的记录物理存储上不发生任何改变。另一方面，当你增加一个NOT NULL列时，SQL Server会更新表元数据层，同时也会更新存储引擎层，这就是说，SQL Server会接触并重写表里的每一条记录，在那里你增加了一个NOT NULL列。这会带来性能上的巨大区别！因此SQL Server需要在每条数据记录里存储具体的列数，因为这里的列数不能和表元数据层的列数同步。
我们来拿具体的例子来详细分析下。这个例子我们创建了一个简单的含8列的表，SQL Server需要使用1 bytes来作为空值位图掩码（NULL bitmap mask）。
1 CREATE TABLE TestTable 2 ( 3 Column1 INT IDENTITY(1, 1) NOT NULL, 4 Column2 CHAR(600) NOT NULL, 5 Column3 CHAR(600) NOT NULL, 6 Column4 CHAR(600) NOT NULL, 7 Column5 CHAR(600) NOT NULL, 8 Column6 VARCHAR(600) NOT NULL, 9 Column7 VARCHAR(600) NOT NULL, 10 Column8 VARCHAR(600) NOT NULL 11 ) 12 GO
然后，我们往表里插入2条记录:
1 INSERT INTO TestTable VALUES 2 ( 3 REPLICATE('2', 600), 4 REPLICATE('3', 600), 5 REPLICATE('4', 600), 6 REPLICATE('5', 600), 7 REPLICATE('6', 600), 8 REPLICATE('7', 600), 9 REPLICATE('8', 600) 10 ), 11 ( 12 REPLICATE('2', 600), 13 REPLICATE('3', 600), 14 REPLICATE('4', 600), 15 REPLICATE('5', 600), 16 REPLICATE('6', 600), 17 REPLICATE('7', 600), 18 REPLICATE('8', 600) 19 ) 20 GO
我们通过DBCC PAGE命令查看下具体的数据页：
1 DBCC IND(ALLOCATIONDB, TestTable, -1) 2 GO
1 DBCC TRACEON(3604) 2 GO 3 DBCC PAGE(ALLOCATIONDB, 1, 24993, 1) 4 GO 5 6 DBCC TRACEON(3604) 7 GO 8 DBCC PAGE(ALLOCATIONDB, 1, 24995, 1) 9 GO
可以看到，每条记录的长度是 4129 bytes（4204 bytes 数据+ 7 bytes 行开销+ 2 bytes 变长列个数 + 3 * 2 bytes 每个变长列结束位置的偏移量）。
现在我们往表里加一个新的NULL列：
1 ALTER TABLE TestTable ADD Column9 CHAR(600) NULL 2 GO
这是表里的第9列，也就是说SQL Server对于这个列数需要2 bytes。但是 SQL Server并不在存储引擎层改变物理数据行，因为我们只加了一个NULL列。SQL Server不需要在存储引擎层做任何处理。我们可以通过查看数据页来验证下：
记录还是同样4219 bytes的长度，但是我们逻辑上已经在表上加了1列。现在我们来更新表的1条记录，这样的话，新加列就有具体值了：
1 UPDATE TestTable SET Column9 = REPLICATE('9', 600) 2 WHERE Column1 = 1 3 GO
当你查看表里第2条记录的数据页时，记录大小还是原来的4219 bytes。
1 DBCC TRACEON(3604) 2 GO 3 DBCC PAGE(ALLOCATIONDB, 1, 24995, 1) 4 GO
你现在创建了一个场景：SQL Server在数据行内部存储了不同长度的空值位图掩码（NULL bitmap mask）。这就是说你有定长列的表，在存储引擎级别，却有不同长度的行大小！很有趣，是不是？
现在我们删除表并重建，继续往表里插入2条记录：
1 DROP TABLE dbo.TestTable 2 3 CREATE TABLE TestTable 4 ( 5 Column1 INT IDENTITY(1, 1) NOT NULL, 6 Column2 CHAR(600) NOT NULL, 7 Column3 CHAR(600) NOT NULL, 8 Column4 CHAR(600) NOT NULL, 9 Column5 CHAR(600) NOT NULL, 10 Column6 VARCHAR(600) NOT NULL, 11 Column7 VARCHAR(600) NOT NULL, 12 Column8 VARCHAR(600) NOT NULL 13 ) 14 GO 15 16 INSERT INTO TestTable VALUES 17 ( 18 REPLICATE('2', 600), 19 REPLICATE('3', 600), 20 REPLICATE('4', 600), 21 REPLICATE('5', 600), 22 REPLICATE('6', 600), 23 REPLICATE('7', 600), 24 REPLICATE('8', 600) 25 ), 26 ( 27 REPLICATE('2', 600), 28 REPLICATE('3', 600), 29 REPLICATE('4', 600), 30 REPLICATE('5', 600), 31 REPLICATE('6', 600), 32 REPLICATE('7', 600), 33 REPLICATE('8', 600) 34 ) 35 GO
现在我们往表里增加一个NOT NULL列：
1 ALTER TABLE TestTable ADD Column9 CHAR(600) NOT NULL 2 DEFAULT REPLICATE('9', 600) 3 GO
现在，SQL Server需要在存储引擎层改变每条记录，因为新列的默认值必须被增加（当你表里已经有记录存储时，新加列必须要定义一个默认值），而且SQL Server需要扩展空值位图掩码（NULL bitmap mask）。
1 DBCC IND(ALLOCATIONDB, TestTable, -1) 2 GO 3 4 DBCC TRACEON(3604) 5 GO 6 DBCC PAGE(ALLOCATIONDB, 1, 24993, 1) 7 GO 8 9 DBCC TRACEON(3604) 10 GO 11 DBCC PAGE(ALLOCATIONDB, 1, 24995, 1) 12 GO
当你处理大表，给表增加NOT NULL列时，这个现象会导致严重的性能问题。想象下我们往表里插入100万条记录。当我们增加NULL列时，SQL Server只需要几毫秒，因为只进行元数据修改操作。但当我们往表里增加NOT NULL列时，SQL Server待ALTER TABLE操作完成需要花费40秒！在处理大表，往表里增加NOT NULL列，这的确是个非常严重的性能降级！！
希望你现在已经理解了为什么SQL Server在存储引擎层对每条记录存储具体的列数，还有在SQL Server里，当你往大表里增加NOT NULL列，会出现严重的性能问题。
本文转自Woodytu博客园博客，原文链接：http://www.cnblogs.com/woodytu/p/4581131.html，如需转载请自行联系原作者
