CN107153707A - 一种针对非易失内存的哈希表构建方法及系统 - Google Patents

一种针对非易失内存的哈希表构建方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对非易失内存的哈希表构建方法及系统。本发明方法构建一个哈希表，该哈希表逻辑上构建成一个倒立的完全二叉树，该二叉树的所有叶子节点是可寻址的单元，所有的非叶子节点是不可寻址单元且作为叶子节点处理哈希冲突的备用单元；从叶子节点到根节点路径上的所有非叶子节点用于存储在该叶子节点处发生哈希冲突的冲突元素；进一步删除该二叉树底部的多层只保留顶部剩余的层；该哈希表中每个元素对应两个不同的哈希位置，这两个哈希位置通过使用两个不同的哈希函数计算得到。本发明还实现了一种针对非易失内存的哈希表构建系统。本发明技术方案所构建的哈希表不会造成任何额外的写，并且具有高的空间利用率和低的请求延迟。

Description

一种针对非易失内存的哈希表构建方法及系统
技术领域
本发明属于计算机数据存储领域，更具体地，涉及一种针对非易失内存的哈希表构建方法及系统。
背景技术
传统的内存技术DRAM和SRAM，已经被广泛使用在计算机系统的内存层次中分别作为主存和片上缓存。但是这些传统的内存技术面临不断增加的泄漏功耗和有限的可扩展性等问题。新型的非易失内存技术(NVM)，如相变存储器(PCM)，阻变存储器(ReRAM)和自旋扭矩存储器(STT-RAM)，由于具有高密度、高可扩展性和接近于零的待机能耗等优点，被提出作为DRAM和SRAM的替代品。然而，NVM在写耐久性和写性能上具有一定的局限性。NVM的存储单元只能容忍有限次数的写，例如PCM的每个存储单元只能写1000万到1亿次。对NVM的写操作不仅磨损有限的耐久性，并且造成比读操作更高的延迟和能耗开销。
随着计算机体系结构中内存特性的重大改变，出现了一个重要的问题，也就是：如何改进内存中的数据结构来更有效地适应NVM。本发明主要关注基于哈希的数据结构。由于快速地查询响应和常数级的寻址复杂度，哈希表被广泛应用在主存和缓存中来创建索引和查询表。在传统的内存技术DRAM和SRAM上设计哈希表主要考虑两个因素：空间利用率和请求延迟。相比于DRAM和SRAM，在NVM上设计哈希表的一个重要挑战是，处理有限的写耐久性和读写不对称性。
在基于哈希的数据结构中，哈希冲突实际上是无法避免的。传统的处理哈希冲突的哈希表构建方法主要包括链哈希法、线性探测法、双选择哈希法、布谷鸟哈希法和罗宾汉哈希法等。但是，根据经验分析和试验评估，大部分现有的哈希表构建方法都会造成许多额外的内存写，这对于NVM的写耐久性是不友好的。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种针对非易失内存的哈希表构建方法及系统，其目的在于将哈希表逻辑上构建成一个倒立的完全二叉树，叶子节点是可寻址的单元，非叶子节点是不可寻址单元且作为叶子节点处理哈希冲突的备用单元，用于存储冲突元素，删除该二叉树底部的多层，同时每个元素对应两个不同的哈希位置，两个哈希位置通过使用两个不同的哈希函数计算得到。由此不会对NVM造成任何额外的写，并且具有高的空间利用率和低的请求延迟。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种针对非易失内存的哈希表构建方法，该方法包括以下步骤：
(1)位置共享：将哈希表中的所有存储单元逻辑上组织成一个倒立的完全二叉树，该二叉树顶层的所有叶子结点为哈希函数寻址单元，当叶子结点发生哈希冲突的时候，冲突元素储存在叶子结点到根节点路径上的非叶子结点中；
(2)路径缩减：只保留所述二叉树最顶部的K层；
(3)双路径哈希：所述哈希表中每个元素使用两个不同的哈希函数对应到两个不同的哈希位置。
进一步地，将所述二叉树的所有节点由顶层到底层依次存储在一个一维数组中，二叉树中第N层所有节点占据所述一维数组中的2L-(L-N)个位置。
进一步地，所述哈希表中每个单元存储三项数据，分别是单元标识、存储元素键值和存储元素值；单元标识为“0”表示该单元为空，单元标识为“1”表示该单元被占用。
进一步地，所述哈希表包括以下操作：
插入操作：要插入一个新的元素<key,value>，其中key表示存储元素键值，value表示存储元素值；将key带入哈希函数计算哈希位置p1和p2，判断叶子节点p1和p2中是否有空节点，是则将新的元素存入其中一个空节点并将单元标识token置为“1”；否则继续迭代遍历路径-p1和-p2在下一层的节点，直至找到一个空的节点将新的元素存入，并将token置为“1”；若遍历完两条路径依然没有找到空节点，则插入失败，其中，所述路径-p1和-p2分别表示叶子节点p1和p2到根节点的路径；
查询操作：通过哈希函数计算查询key对应的哈希位置p1和p2，由顶层到底层迭代遍历路径-p1和-p2中的节点寻找目标元素，找到后返回目标元素的value，若遍历完路径-p1和-p2后没有找到目标元素，则查询目标不在哈希表中；
删除操作：通过哈希函数计算查询key对应的哈希位置p1和p2，由顶层到底层迭代遍历路径-p1和-p2中的节点寻找目标元素，找到后将目标元素的token置为“0”，若没有找到目标元素则删除目标不在哈希表中。
按照本发明的另一方面，提供了一种针对非易失内存的哈希表构建系统，该系统包括：
位置共享模块，用于将哈希表中的所有存储单元逻辑上组织成一个倒立的完全二叉树，该二叉树顶层的所有叶子结点为哈希函数寻址单元，当叶子结点发生哈希冲突的时候，冲突元素储存在叶子结点到根节点路径上的非叶子结点中；
路径缩减模块，用于只保留所述二叉树最顶部的K层；
双路径哈希模块，用于将所述哈希表中每个元素使用两个不同的哈希函数对应到两个不同的哈希位置。
进一步地，所述二叉树的所有节点由顶层到底层依次存储在一个一维数组中，二叉树中第N层所有节点占据所述一维数组中的2L-(L-N)个位置。
进一步地，所述哈希表中每个单元存储三项数据，分别是单元标识、存储元素键值和存储元素值；单元标识为“0”表示该单元为空，单元标识为“1”表示该单元被占用。
进一步地，所述哈希表包括以下操作：
插入操作：要插入一个新的元素<key,value>，其中key表示存储元素键值，value表示存储元素值；将key带入哈希函数计算哈希位置p1和p2，判断叶子节点p1和p2中是否有空节点，是则将新的元素存入其中一个空节点并将单元标识token置为“1”；否则继续迭代遍历路径-p1和-p2在下一层的节点，直至找到一个空的节点将新的元素存入，并将token置为“1”；若遍历完两条路径依然没有找到空节点，则插入失败，其中，所述路径-p1和-p2分别表示叶子节点p1和p2到根节点的路径；
查询操作：通过哈希函数计算查询key对应的哈希位置p1和p2，由顶层到底层迭代遍历路径-p1和-p2中的节点寻找目标元素，找到后返回目标元素的value，若遍历完路径-p1和-p2后没有找到目标元素，则查询目标不在哈希表中；
删除操作：通过哈希函数计算查询key对应的哈希位置p1和p2，由顶层到底层迭代遍历路径-p1和-p2中的节点寻找目标元素，找到后将目标元素的token置为“0”，若没有找到目标元素则删除目标不在哈希表中。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术特征及有益效果：
(1)由于采用了位置共享技术处理哈希冲突，哈希表中的插入和删除操作只需要读取路径上的节点来查找一个空的位置或目标元素，因此不会造成任何额外的内存写；
(2)由于采用了双路径哈希技术，更多的位置用来处理每个叶子节点处发生的哈希冲突，两条哈希路径的随机性使得一个被插入的元素对应的两条路径中有非常高的概率存在空位置，从而降低了元素插入失败的概率，因此哈希表能达到很高的空间利用率；
(3)由于采用了路径缩减技术，有效缩短了每条路径的长度，从而减少了哈希表访问时需要探测的位置数目，从而提高了哈希表的性能。
附图说明
图1是本发明实施例的哈希表的逻辑结构图；
图2是本发明实施例的位置共享子方法示意图；
图3是本发明实施例的双路径哈希子方法示意图；
图4是本发明实施例的路径缩减子方法示意图；
图5是本发明实施例的哈希表的物理存储结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例首先将所述哈希表将哈希表中的所有存储单元逻辑上组织成一个倒立的完全二叉树，该二叉树顶层的所有叶子结点为哈希函数寻址单元，当叶子结点发生哈希冲突的时候，冲突元素储存在叶子结点到根节点路径上的非叶子结点中；
之后只保留所述二叉树最顶部的3层；
最后将所述哈希表中每个元素使用两个不同的哈希函数对应到两个不同的哈希位置。
其中，所述二叉树的所有节点由顶层到底层依次存储在一个一维数组中，二叉树中第N层所有节点占据所述一维数组中的2L-(L-N)个位置。所述哈希表中每个单元存储三项数据，分别是单元标识、存储元素键值和存储元素值；单元标识为“0”表示该单元为空，单元标识为“1”表示该单元被占用。
如图2所示，给出了本发明中构建L＝3的哈希表时位置共享子方法的实施例：
位置共享子方法把哈希表中的所有存储单元逻辑上组织成一个倒立的4层完全二叉树，该倒立完全二叉树的第3层中的节点，也就是所有的叶子节点，是可被哈希函数寻址的单元。第0层到第2层中的所有节点，也就是所有的非叶子结点，是不可被哈希函数寻址的，被看作是的共享的备用节点，其用于处理在叶子节点发生的哈希冲突。第2层的节点被2个第3层的节点共享用于处理哈希冲突；第1层的节点被4个第3层的节点共享用于处理哈希冲突；第0层的节点也就是根节点，被8个第3层的节点共享用于处理哈希冲突；
对于一个新插入的元素x，通过哈希函数h(x)计算得到其哈希位置为2，那么x将被插入到路径-2中的一个空节点。
如图3所示，给出了本发明中构建L＝3的哈希表时双路径哈希子方法的实施例子：
双路径哈希子方法对每个元素用两个不同哈希函数分别计算两个位置；对于一个新插入的元素x，通过哈希函数h1(x)计算得到其第一个哈希位置2，通过哈希函数h2(x)计算得到其第二个哈希位置5；在路径-2和路径-5中的空节点都可以插入x。
如图4所示，给出了本发明中构建L＝4，K＝3的哈希表时路径缩减子方法的实施例子：
路径缩减子方法删去该倒立二叉树的最底部的两层(第0和1层)，只保留顶部的三层，即第2、3和4层。
如图5所示，给出了本发明实施例中哈希表的物理存储方法：
哈希表逻辑上组织成一个L+1层的倒立完全二叉树，经过路径缩减只保留了最顶部K层的，其被存储在一个一维数组中，该二叉树的第L层中的所有节点，也就是所有的叶子节点，存储在该一维数据的前2L个位置，该二叉树的第L-1层中的所有节点存储在该一维数组中紧接着的2L-1个位置，以此类推，存储剩余的层，被删除的最底部的多层节点不需要存储。
其中，存储位置可通过迭代的方法计算得到：
(1)已知叶子节点p是第L层中的第p个节点，从叶子节点p到根节点路径为路径-p；
(2)路径-p中在第L层中的节点存储在一维数组的第p个位置；
(3)路径-p中在第L-1层中的第pL-1个节点，计算则路径-p中在第L-1层中的节点存储在一维数组的第pL-1+2L(也就是pL-1加上位于第L-1层之上所有层的节点总数)个位置；
(4)路径-p中在第L-2层中的第pL-2个节点，计算则路径-p中在第L-2层中的节点存储在一维数组的第pL-2+2L+2L-1(也就是pL-2加上位于第L-2层之上所有层的节点总数)个位置；
(5)以此类推，可以计算出路径-p中在余下各层中的节点在一维数组中的存储位置。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种针对非易失内存的哈希表构建方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)位置共享：将哈希表中的所有存储单元逻辑上组织成一个倒立的完全二叉树，该二叉树顶层的所有叶子结点为哈希函数寻址单元，当叶子结点发生哈希冲突的时候，冲突元素储存在叶子结点到根节点路径上的非叶子结点中；
(2)路径缩减：只保留所述二叉树最顶部的K层；
(3)双路径哈希：所述哈希表中每个元素使用两个不同的哈希函数对应到两个不同的哈希位置。
2.根据权利要求1所述的一种针对非易失内存的哈希表构建方法，其特征在于，将所述二叉树的所有节点由顶层到底层依次存储在一个一维数组中，二叉树中第N层所有节点占据所述一维数组中的2L-(L-N)个位置。
3.根据权利要求1所述的一种针对非易失内存的哈希表构建方法，其特征在于，所述哈希表中每个单元存储三项数据，分别是单元标识、存储元素键值和存储元素值；单元标识为“0”表示该单元为空，单元标识为“1”表示该单元被占用。
4.根据权利要求1所述的一种针对非易失内存的哈希表构建方法，其特征在于，所述哈希表包括以下操作：
插入操作：要插入一个新的元素<key,value>，其中key表示存储元素键值，value表示存储元素值；将key带入哈希函数计算哈希位置p1和p2，判断叶子节点p1和p2中是否有空节点，是则将新的元素存入其中一个空节点并将单元标识token置为“1”；否则继续迭代遍历路径-p1和-p2在下一层的节点，直至找到一个空的节点将新的元素存入，并将token置为“1”；若遍历完两条路径依然没有找到空节点，则插入失败，其中，所述路径-p1和-p2分别表示叶子节点p1和p2到根节点的路径；
查询操作：通过哈希函数计算查询key对应的哈希位置p1和p2，由顶层到底层迭代遍历路径-p1和-p2中的节点寻找目标元素，找到后返回目标元素的value，若遍历完路径-p1和-p2后没有找到目标元素，则查询目标不在哈希表中；
删除操作：通过哈希函数计算查询key对应的哈希位置p1和p2，由顶层到底层迭代遍历路径-p1和-p2中的节点寻找目标元素，找到后将目标元素的token置为“0”，若没有找到目标元素则删除目标不在哈希表中。
5.一种针对非易失内存的哈希表构建系统，其特征在于，所述系统包括：
位置共享模块，用于将哈希表中的所有存储单元逻辑上组织成一个倒立的完全二叉树，该二叉树顶层的所有叶子结点为哈希函数寻址单元，当叶子结点发生哈希冲突的时候，冲突元素储存在叶子结点到根节点路径上的非叶子结点中；
路径缩减模块，用于只保留所述二叉树最顶部的K层；
双路径哈希模块，用于将所述哈希表中每个元素使用两个不同的哈希函数对应到两个不同的哈希位置。
6.根据权利要求5所述的一种针对非易失内存的哈希表构建系统，其特征在于，所述二叉树的所有节点由顶层到底层依次存储在一个一维数组中，二叉树中第N层所有节点占据所述一维数组中的2L-(L-N)个位置。
7.根据权利要求5所述的一种针对非易失内存的哈希表构建系统，其特征在于，所述哈希表中每个单元存储三项数据，分别是单元标识、存储元素键值和存储元素值；单元标识为“0”表示该单元为空，单元标识为“1”表示该单元被占用。
8.根据权利要求5所述的一种针对非易失内存的哈希表构建系统，其特征在于，所述哈希表包括以下操作：
插入操作：要插入一个新的元素<key,value>，其中key表示存储元素键值，value表示存储元素值；将key带入哈希函数计算哈希位置p1和p2，判断叶子节点p1和p2中是否有空节点，是则将新的元素存入其中一个空节点并将单元标识token置为“1”；否则继续迭代遍历路径-p1和-p2在下一层的节点，直至找到一个空的节点将新的元素存入，并将token置为“1”；若遍历完两条路径依然没有找到空节点，则插入失败，其中，所述路径-p1和-p2分别表示叶子节点p1和p2到根节点的路径；
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