閃存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存儲(chǔ)管理及可裁剪性研究.pdf

1、閃存是20世紀(jì)80年代由因特爾公司和東芝公司發(fā)明的一種新型存儲(chǔ)介質(zhì)，相比傳統(tǒng)的磁盤，它在I/O性能，抗震性，功耗，體積等諸多方面都具有明顯的優(yōu)勢。所以近年來，閃存有逐漸替代傳統(tǒng)磁盤的趨勢，開始在各種移動(dòng)終端，手持設(shè)備甚至大型數(shù)據(jù)中心得到廣泛的應(yīng)用。
　　 另一方面，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)性能出現(xiàn)了瓶頸，這主要體現(xiàn)在作為其存儲(chǔ)介質(zhì)的磁盤發(fā)展速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于CPU，內(nèi)存等其他硬件的發(fā)展。由于閃存的出現(xiàn)，一種直觀上有效的解決辦法即使用閃存

2、作為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的二級(jí)存儲(chǔ)介質(zhì)。但是有研究表明，直接將現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)遷移至閃存，其帶來的性能加速比遠(yuǎn)低于閃存相對磁盤的性能加速比。這是因?yàn)楝F(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)都是針對磁盤進(jìn)行設(shè)計(jì)，而閃存與磁盤的物理特性有很大的不同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中針對磁盤設(shè)計(jì)的一系列算法在閃存上表現(xiàn)并不令人滿意，所以要充分利用閃存的性能，我們必須根據(jù)其特性重新設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的各核心算法。
　　 本論文主要針對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理，緩沖區(qū)管理以及事務(wù)恢復(fù)等方面進(jìn)行

3、了深入研究，同時(shí)由于閃存應(yīng)用場景的廣泛性，不同的應(yīng)用場景對于數(shù)據(jù)庫功能的需求也各不相同，所以本論文在如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能模塊快速裁剪和定制方面也進(jìn)行了一些試探性的研究。
　　 論文首先介紹了閃存的發(fā)展歷史，然后針對兩種不同的閃存類型：NOR型閃存和NAND型閃存，分析對比了它們在性能，應(yīng)用場合等各方面的差異。
　　 存儲(chǔ)管理是組成數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)性能的重要模塊，本論文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上提出了一種適應(yīng)隨機(jī)小粒度更新的閃存存儲(chǔ)管

4、理模式，該模式通過檢測閃存塊中數(shù)據(jù)頁的更新模式，動(dòng)態(tài)地分配日志區(qū)大小。能夠有效地減少閃存的寫入和擦除次數(shù)，延長整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的使用壽命。
　　 緩沖區(qū)是影響數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)性能的重要因素。由于閃存獨(dú)特的物理特性，命中率一般不能再作為衡量緩沖區(qū)算法好壞的標(biāo)準(zhǔn)。在此觀察上，論文提出了一種針對日志型閃存存儲(chǔ)管理模式的緩沖區(qū)算法，它通過檢測緩沖頁面的冷熱，延時(shí)寫出熱頁從而有效地減少了閃存的寫入和擦除次數(shù)，同時(shí)該算法中實(shí)現(xiàn)了兩種日志打包算法，可以

5、明顯提高閃存日志區(qū)的空間利用率，進(jìn)一步減少塊擦除次數(shù)，提高了閃存的使用壽命。
　　 論文還為日志型閃存存儲(chǔ)模型提供了一種簡單快速的事務(wù)支持和恢復(fù)算法，該算法通過將提交日志和未提交日志分開存儲(chǔ)，可以避免閃存塊合并操作導(dǎo)致某些事務(wù)無法回滾的問題，同時(shí)由于不需要寫全局事務(wù)狀態(tài)日志，可以大量減少閃存寫次數(shù)同時(shí)提高閃存空間利用率。
　　 最后在閃存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的快速定制方面，論文利用面向方面的編程模型，提出了一套基于橫切代碼位置的抽

6、取算法，并給出了代碼從OOP向AOP遷移的技術(shù)路線，實(shí)驗(yàn)證明該算法可以有效的實(shí)現(xiàn)橫切代碼分離，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的定制。
　　 本論文的主要貢獻(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
　　 (1)提出了一種適應(yīng)小粒度隨機(jī)更新的閃存存儲(chǔ)管理模型，通過檢測閃存塊的更新模式，自適應(yīng)地調(diào)整日志區(qū)大小，有效地減少了閃存寫入和擦除次數(shù)。
　　 (2)提出了一種針對日志型閃存存儲(chǔ)模型的緩沖區(qū)算法，該算法通過對緩沖區(qū)的頁面進(jìn)行冷熱分類，延時(shí)置換熱頁，

7、有效地減少了閃存寫入次數(shù)，同時(shí)結(jié)合兩種日志打包算法，提高了閃存日志區(qū)的空間利用率，有效地緩和了日志區(qū)的碎片問題，提高了閃存的使用壽命。
　　 (3)為(1)中的存儲(chǔ)模型提供了一種用于支持快速事務(wù)恢復(fù)的算法，通過將提交日志和未提交日志進(jìn)行分離，可以有效解決塊合并操作導(dǎo)致的某些事務(wù)不可恢復(fù)的問題。同時(shí)不再需要全局事務(wù)狀態(tài)日志，節(jié)省了大量的閃存寫操作。
　　 (4)利用面向方面的編程，定義了基于橫切代碼位置的抽取算法，給出了用