CN108763508B - 数据页访问方法、存储引擎以及计算机可读存储介质 - Google Patents

数据页访问方法、存储引擎以及计算机可读存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种数据页访问方法、基于NVM的数据库存储引擎以及计算机可读存储介质，该方法包括：在非易失存储器NVM上存储缓冲池的镜像数据页；根据数据页的写入访问，对所述缓冲池中的数据页进行修改，并将所述数据页的页号、撤销日志信息以及修改日志信息存入到预设动态数组中。本发明通过在NVM上存储缓冲池的镜像数据页，去掉了现有关系型数据库中的重做日志缓冲区，数据页修改过程也去掉了重做日志记录流程，增加了并发性，提升了数据库存储引擎的性能。

Description

数据页访问方法、存储引擎以及计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种数据页访问方法、基于NVM的数据库存储引擎以及计算机可读存储介质。
背景技术
传统的关系型数据库系统是面向磁盘的，主要架构是在HDD(Hard Disk Drive，硬盘驱动器)和DRAM(Dynamic Random Access Memory，动态随机存取存储器)构建的两层存储层级上。因此慢速的HDD和高速的DRAM之间的I/O(Input/Output，输入/输出)成为整个系统中最主要的性能瓶颈。随着3D XPoint技术的出现，以非易失性、大容量、低延迟、高并发访问能力、按字节寻址等特性的新型非易失存储硬件工业化成为现实。融入NVM(NonVolatile memory，非易失存储器)的新型存储环境有望跨越CPU(Central ProcessingUnit，中央处理器)与外存之间的性能鸿沟，消除计算机系统中制约上层软件设计的I/O瓶颈。
然而，将现有关系型数据库系统直接应用在NVM上，并不能获得最佳性能。基于传统存储层级架构的数据库系统存在低效或无用的组件与技术。研究人员发现，将面向磁盘的数据库系统裁剪成内存可完全驻留的版本后，在全内存执行环境下系统并没有获得预想的性能收益。其原因在于，除了约12％的CPU时间花费在有用的工作上以外，其他的时间大量被用于缓冲、并发控制、恢复等与事务处理密切相关的辅助性工作上。类似的研究表明，目前没有任何一种现有的OLTP(On-Line Transaction Processing，联机事务处理)数据库架构能在不同的负载特征下(例如只读、读多写少、写多读少等)以及NVM非易失存储环境下获得一致最佳的性能。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种数据页访问方法、基于NVM的数据库存储引擎以及计算机可读存储介质，以解决如何利用NVM硬件非易失性、按字节寻址、大容量低延迟等新特性，设计高性能的数据库存储引擎的问题。
本发明实施例解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
根据本发明实施例的一个方面，提供的一种数据页访问方法，所述方法包括：
在非易失存储器NVM上存储缓冲池的镜像数据页；
根据数据页的写入访问，对所述缓冲池中的数据页进行修改，并将所述数据页的页号、撤销日志信息以及修改日志信息存入到预设动态数组中。
根据本发明实施例的另一个方面，提供的一种基于NVM的数据库存储引擎，所述存储引擎包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的数据页访问程序，所述数据页访问程序被所述处理器执行时实现上述的数据页访问方法的步骤。
根据本发明实施例的另一个方面，提供的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有数据页访问程序，所述数据页访问程序被处理器执行时实现上述的数据页访问方法的步骤。
本发明实施例的数据页访问方法、基于NVM的数据库存储引擎以及计算机可读存储介质，通过在NVM上存储缓冲池的镜像数据页，去掉了现有关系型数据库中的重做日志缓冲区，数据页修改过程也去掉了重做日志记录流程，增加了并发性，提升了数据库存储引擎的性能。
附图说明
图1为本发明第一实施例的数据页访问方法流程示意图；
图2为本发明实施例的数据库系统架构结构示意图；
图3为本发明实施例的mini-transaction结构示意图；
图4为本发明实施例的缓存池的LRU链表结构示意图；
图5为本发明第二实施例的基于NVM的数据库存储引擎结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
第一实施例
如图1所示，本发明第一实施例提供一种数据页访问方法，所述方法包括：
步骤S11：在NVM上存储缓冲池的镜像数据页。
在本实施例中，对数据库存储引擎进行重构，采用分层存储的结构，每一层级使用不同的存储介质。
请参考图2所示，L0层采用NVM，L1层可采用HDD或者SSD(Solid State Drives，固态硬盘)；L0层和缓冲池(Buffer Pool)均包括k个数据页，即Page1-Pagek；L1层包括n个数据页，即Page1-Page n，其中n>k。在NVM上存储缓冲池的镜像数据页，去掉了现有关系型数据库中的重做日志缓冲区(Redo Log Buffer)，增加了并发性。
当数据库第一次启动时，对L0层的NVM按照16Kb大小进行格式化，和缓冲池(Buffer Pool)中的数据页一一对应。
步骤S12：根据数据页的写入访问，对所述缓冲池中的数据页进行修改，并将所述数据页的页号、撤销日志信息以及修改日志信息存入到预设动态数组中。
在本实施例中，内存中使用mini-transaction作为操作数据页的单位。请参考图3所示，mini-transaction包括用于存储数据页页号的备忘动态数组(图中的Memo所示)，用于存储修改日志信息的修改日志动态数组(图中的Log所示)，以及用于存储撤销日志信息的撤销日志动态数组(图中的Undo Log所示)。
所述撤销日志信息包括页号、相对页头的偏移、修改的大小以及修改前的值；所述修改日志信息包括页号、相对页头的偏移以及修改的大小，所述撤销日志信息和所述修改日志信息的格式可参考图3所示。
在一种实施方式中，所述根据数据页的写入访问，对所述缓冲池中的数据页进行修改，并将所述数据页的页号、撤销日志信息以及修改日志信息存入到预设动态数组中包括：
根据所述数据页的页号定位所述数据页，并对所述数据页加锁；
将所述数据页的页号存储到所述备忘动态数组；
记录撤销日志信息，并将所述撤销日志信息存储到所述撤销日志动态数组；
修改所述数据页，并将修改日志信息存储到所述修改日志动态数组。
具体地，在事务开启之后，即根据页号定位数据页，并对该数据页加锁；将数据页的页号存储到Memo中，记录撤销日志信息，并将撤销日志信息存储到Undo Log中，用于后续事务的回滚；修改数据页并将修改日志信息存储到Log中。
可选的，所述修改所述数据页，并将修改日志信息存储到所述修改日志动态数组之后还包括：
根据所述修改日志动态数组存储的修改日志信息，将所述数据页的修改部分刷写到所述NVM，并对所述数据页解锁。
具体地，在事务提交之后，从所述修改日志动态数组中弹出一条修改日志信息，解析出页号、相对页头的偏移以及修改的大小，然后根据页号定位到所述数据页，将所述数据页的修改部分刷写到L0层的NVM，并对所述数据页解锁。在现有关系型数据库中，当刷写脏页时，需要将整个数据页都刷写到磁盘上。而通过该实施方式，只需将数据页的修改部分刷写到L0层的NVM，减少了写放大。
可选的，所述修改所述数据页，并将修改日志信息存储到所述修改日志动态数组之后还包括：
根据所述撤销日志动态数组存储的撤销日志信息，恢复所述数据页，并对所述数据页解锁。
具体地，事务的回滚，需要从所述撤销日志动态数组中弹出一条撤销日志信息，解析出页号、相对页头的偏移、修改的大小以及修改前的值，恢复到修改前的数据页，并对所述数据页解锁。
在一种实施方式中，所述在NVM上存储缓冲池的镜像数据页之后还包括：
根据所述数据页的只读访问，判断所述数据页是否在所述缓冲池中；
若所述数据页不在所述缓冲池中，则从硬盘上加载所述数据页到所述缓冲池；否则对所述数据页进行只读访问。
在该实施方式中，当需要访问的数据页不在buffer pool时，则从L1层的硬盘上加载到buffer pool中；否则直接访问。
在该实施方式中，所述从硬盘上加载所述数据页到所述缓冲池之前还包括：
当所述缓冲池的内存不足时，在所述缓冲池的LRU(Least Recently Used，最近最久未使用)链表中选出未修改的数据页，并将所述未修改的数据页刷写到所述硬盘。
具体地，当所述缓冲池的内存不足时，不能直接将L1层数据加载到内存。需要从缓冲池的LRU链表的冷点部分的尾部选出一个未修改的数据页，将该页从L0层刷写到L1层，以使得内存中的该页作为空闲页供L1层加载使用。缓冲池中所有数据页都由LRU链表(双向链表)组织，LRU链表的3/8处作为冷热数据交界点，如图4所示，page 6作为冷热数据交界点，page 6后面的数据页(包括page 6)都是冷数据页，page 6之前的数据页都是热数据页。
在另一种实施方式中，所述在NVM上存储缓冲池的镜像数据页之后还包括：
当数据库重启时，将所述NVM上存储的镜像数据页加载到所述缓冲池。
在现有关系型数据库中，当数据库重启时，会读取磁盘上的重做日志(Redo Log)，进行前滚恢复。通过该实施方式，不再需要重做日志，只需将NVM镜像直接加载到内存即可，减少了启动时间，同时也将热数据加载到了内存，更方便数据访问。
本发明实施例的数据页访问方法，通过在NVM上存储缓冲池的镜像数据页，去掉了现有关系型数据库中的重做日志缓冲区，数据页修改过程也去掉了重做日志记录流程，增加了并发性，提升了数据库存储引擎的性能。
第二实施例
如图5所示，本发明第二实施例提供一种基于NVM的数据库存储引擎，所述存储引擎包括：存储器21、处理器22及存储在所述存储器21上并可在所述处理器22上运行的数据页访问程序，所述数据页访问程序被所述处理器22执行时，用于实现以下所述的数据页访问方法的步骤：
在非易失存储器NVM上存储缓冲池的镜像数据页；
根据数据页的写入访问，对所述缓冲池中的数据页进行修改，并将所述数据页的页号、撤销日志信息以及修改日志信息存入到预设动态数组中。
所述数据页访问程序被所述处理器22执行时，还用于实现以下所述的数据页访问方法的步骤：
根据所述数据页的只读访问，判断所述数据页是否在所述缓冲池中；
若所述数据页不在所述缓冲池中，则从硬盘上加载所述数据页到所述缓冲池；否则对所述数据页进行只读访问。
所述数据页访问程序被所述处理器22执行时，还用于实现以下所述的数据页访问方法的步骤：
当所述缓冲池的内存不足时，在所述缓冲池的最近最久未使用LRU链表中选出未修改的数据页，并将所述未修改的数据页刷写到所述硬盘。
所述数据页访问程序被所述处理器22执行时，还用于实现以下所述的数据页访问方法的步骤：
当数据库重启时，将所述NVM上存储的镜像数据页加载到所述缓冲池。
所述数据页访问程序被所述处理器22执行时，还用于实现以下所述的数据页访问方法的步骤：
所述预设动态数组包括用于存储数据页页号的备忘动态数组、用于存储撤销日志信息的撤销日志动态数组以及用于存储修改日志信息的修改日志动态数组；
所述根据数据页的写入访问，对所述缓冲池中的数据页进行修改，并将所述数据页的页号、撤销日志信息以及修改日志信息存入到预设动态数组中包括：
根据所述数据页的页号定位所述数据页，并对所述数据页加锁；
将所述数据页的页号存储到所述备忘动态数组；
记录撤销日志信息，并将所述撤销日志信息存储到所述撤销日志动态数组；
修改所述数据页，并将修改日志信息存储到所述修改日志动态数组。
所述数据页访问程序被所述处理器22执行时，还用于实现以下所述的数据页访问方法的步骤：
根据所述修改日志动态数组存储的修改日志信息，将所述数据页的修改部分刷写到所述NVM，并对所述数据页解锁。
所述数据页访问程序被所述处理器22执行时，还用于实现以下所述的数据页访问方法的步骤：
根据所述撤销日志动态数组存储的撤销日志信息，恢复所述数据页，并对所述数据页解锁。
所述数据页访问程序被所述处理器22执行时，还用于实现以下所述的数据页访问方法的步骤：
所述撤销日志信息包括页号、相对页头的偏移、修改的大小以及修改前的值；所述修改日志信息包括页号、相对页头的偏移以及修改的大小。
本发明实施例的基于NVM的数据库存储引擎，通过在NVM上存储缓冲池的镜像数据页，去掉了现有关系型数据库中的重做日志缓冲区，数据页修改过程也去掉了重做日志记录流程，增加了并发性，提升了数据库存储引擎的性能。
第三实施例
本发明第三实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有数据页访问程序，所述数据页访问程序被处理器执行时用于实现第一实施例所述的数据页访问方法的步骤。
需要说明的是，本实施例的计算机可读存储介质，与第一实施例的方法属于同一构思，其具体实现过程详细见方法实施例，且方法实施例中的技术特征在本实施例中均对应适用，这里不再赘述。
本发明实施例的计算机可读存储介质，通过在NVM上存储缓冲池的镜像数据页，去掉了现有关系型数据库中的重做日志缓冲区，数据页修改过程也去掉了重做日志记录流程，增加了并发性，提升了数据库存储引擎的性能。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
以上参照附图说明了本发明的优选实施例，并非因此局限本发明的权利范围。本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本发明的权利范围之内。

Claims (8)

1.一种数据页访问方法，其特征在于，所述方法包括：
在非易失存储器NVM上存储缓冲池的镜像数据页；
根据数据页的写入访问，对所述缓冲池中的数据页进行修改，并将所述数据页的页号、撤销日志信息以及修改日志信息存入到预设动态数组中；
所述预设动态数组包括用于存储数据页页号的备忘动态数组、用于存储撤销日志信息的撤销日志动态数组以及用于存储修改日志信息的修改日志动态数组；
所述根据数据页的写入访问，对所述缓冲池中的数据页进行修改，并将所述数据页的页号、撤销日志信息以及修改日志信息存入到预设动态数组中包括：
根据所述数据页的页号定位所述数据页，并对所述数据页加锁；
将所述数据页的页号存储到所述备忘动态数组；
记录撤销日志信息，并将所述撤销日志信息存储到所述撤销日志动态数组；
修改所述数据页，并将修改日志信息存储到所述修改日志动态数组；
所述修改所述数据页，并将修改日志信息存储到所述修改日志动态数组之后还包括：
根据所述修改日志动态数组存储的修改日志信息，将所述数据页的修改部分刷写到所述NVM，并对所述数据页解锁。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在NVM上存储缓冲池的镜像数据页之后还包括：
根据所述数据页的只读访问，判断所述数据页是否在所述缓冲池中；
若所述数据页不在所述缓冲池中，则从硬盘上加载所述数据页到所述缓冲池；否则对所述数据页进行只读访问。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述从硬盘上加载所述数据页到所述缓冲池之前还包括：
当所述缓冲池的内存不足时，在所述缓冲池的最近最久未使用LRU链表中选出未修改的数据页，并将所述未修改的数据页刷写到所述硬盘。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在NVM上存储缓冲池的镜像数据页之后还包括：
当数据库重启时，将所述NVM上存储的镜像数据页加载到所述缓冲池。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述修改所述数据页，并将修改日志信息存储到所述修改日志动态数组之后还包括：
根据所述撤销日志动态数组存储的撤销日志信息，恢复所述数据页，并对所述数据页解锁。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述撤销日志信息包括页号、相对页头的偏移、修改的大小以及修改前的值；
所述修改日志信息包括页号、相对页头的偏移以及修改的大小。
7.一种基于NVM的数据库存储引擎，其特征在于，所述存储引擎包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的数据页访问程序，所述数据页访问程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的数据页访问方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有数据页访问程序，所述数据页访问程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的数据页访问方法的步骤。
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深入理解DB2缓冲池（BufferPool）;wepe12;《https://blog.csdn.net/wepe12/article/details/53908028》;20161228;第1-3页

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