CN117453853A - 一种基于bw树的超长字符串跨页索引方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于BW树的超长字符串跨页索引方法，索引方法包括，分割超长字符串并存储在单个索引页内；检查索引页的当前状态，判断是否存在插入、修改或删除的需求；创建增量节点记录所需的更改信息，将增量节点安全集成到索引结构中，并确保更新的原子性；接收查询请求后进行数据搜索查询，优先检查增量节点，随后根据数据量的变化动态调整索引结构，同时进行并发控制与范围搜索优化；直到所有字符串部分完成索引并更新相关索引页，同时保持整个索引结构的一致性和准确性，展示整个字符串的内容。本发明有益效果：提高索引命中率和数据库系统的吞吐量，同时防止检索时发生死锁或过度的性能开销。
Description
技术领域
本发明属于数据库索引技术领域，尤其是涉及一种基于BW树的超长字符串跨页索引方法。
背景技术
数据库索引作为数据库系统中的重要组成部分，通过索引，能够实现海量数据的快速检索，有助于提高数据库系统的查询效率，同时，一个好的索引还能减少不必要的磁盘IO，提高数据库的吞吐量。随着信息化时代的发展，文本呈爆炸式增长，通过传统的索引技术已无法满足高效的检索效率，尤其在超长字符串的跨页索引中效率极低，并且未能充分发挥多核CPU资源，尤其在面对范围搜索和高并发的情境下，检索效率和命中率更为低下。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于BW树的超长字符串跨页索引方法，以提高索引命中率和数据库系统的吞吐量，同时防止检索时发生死锁或过度的性能开销。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于BW树的超长字符串跨页索引方法。
进一步的，索引对象设备包括原子记录存储、面向多核CPU、面向新型储存设备flash，超长字符串超过单页大小限制将触发索引，索引方法包括以下步骤：
T1、索引初始化：分割超长字符串并存储在单个索引页内；
T2、判断更新需求：检查索引页的当前状态，判断是否存在插入、修改或删除的需求，若存在需求则转到T3，否则转到T4；
T3、页的更新：创建增量节点记录所需的更改信息，将增量节点安全集成到索引结构中，并确保更新的原子性；
T4、页的搜索、导航和结构调整：接收查询请求后进行数据搜索查询，优先检查增量节点，随后根据数据量的变化动态调整索引结构，同时进行并发控制与范围搜索优化；
T5、索引完成：直到所有字符串部分完成索引并更新相关索引页，同时保持整个索引结构的一致性和准确性，展示整个字符串的内容。
进一步的，所述T3具体包括以下步骤：
T31、创建一个新的增量节点，该增量节点类型为“插入”，“修改”，“删除”三种类型之一；
T32、将该增量节点的下一节点指向被修改的基页；
T33、通过原子比较交换指令，更新映射表中基页所在PID的值。
进一步的，所述T4包括以下步骤：
T41、通过索引树查询，遍历所有增量节点是否包含相关数据，若包含则转到T43，否则转到T42；
T42、在基页中搜索，同时根据数据量的增减，适时执行页分裂或页合并操作；
T43、结束搜索并返回找到的数据。
进一步的，所述T41中当增量节点过多时需合并增量节点，合并增量节点包括以下步骤：
S1、申请新的页空间记为新页；
S2、遍历原页，将原页中所有索引项，最大键值和最小键值，以及右兄弟节点信息写入新页；
S3、通过原子比较交换指令，更新映射表中原页所在PID的值；
S4、释放原页空间。
进一步的，所述T42中的搜索包括范围搜索，通过相连兄弟指针实现范围搜索。
进一步的，所述T42中的页分裂包括以下步骤：
A1、申请新的页空间记新页；
A2、从被分裂页中选取一个合适的键值作为分裂键值，将所有大于该分裂键值的索引项复制到新页，新页的右兄弟页指向被分裂页的右兄弟页，并将新页添加到映射表；
A3、创建“分裂增量节点”，通过追加的方式，更新被分裂的页；
A4、创建“索引增量节点”，通过追加的方式，更新被分裂页的父页。
进一步的，所述T42中的页合并包括以下步骤：
H1、创建“删除增量节点”，通过追加的方式，更新被合并的页；
H2、创建“合并增量节点”，通过追加的方式，更新被合并页的左页；
H3、创建“索引删除增量节点”，通过追加的方式，更新被合并页的父页。
进一步的，在所述T4中，并发控制通过序列化原子比较交换指令操作处理增量节点的添加、页分裂和页合并，以管理并发和冲突；
在索引页中记录最小和最大键值以及指向右兄弟页的指针实现范围搜索优化。
进一步的，在并发控制的环境下，当多个原子比较交换指令需要被序列化处理时，包括以下步骤被采用以确保操作的一致性和完整性：
W1、所有线程在执行自己的操作之前，检查是否存在待完成的序列化原子比较交换指令，若存在转到W2，否则转到W3；
W2、线程优先执行这些序列化指令；
W3、系统确保所有的序列化原子比较交换指令已被成功执行并完成后，所有线程继续执行它们各自的操作。
进一步的，一种计算机可读取存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一种基于BW树的超长字符串跨页索引方法。
相对于现有技术，本发明所述的一种基于BW树的超长字符串跨页索引方法具有以下有益效果：
（1）本发明所述的一种基于BW树的超长字符串跨页索引方法，利用了BW树的特点，包括无锁并发控制、面向多核CPU的设计和适应新型存储设备，通过对超长字符串的有效处理，有望在处理大量文本数据的数据库中提供显著的性能提升；
（2）本发明所述的一种基于BW树的超长字符串跨页索引方法，创建增量节点并确保其安全集成到索引结构中，强调了更新操作的原子性，这对于保持数据一致性和减少索引结构冲突至关重要；
（3）本发明所述的一种基于BW树的超长字符串跨页索引方法，在索引页中记录最小和最大键值以及指向右兄弟页的指针，以优化范围搜索；
（4）本发明所述的一种基于BW树的超长字符串跨页索引方法，使用序列化原子比较交换指令操作处理增量节点变更，同时优化索引页以加速范围搜索，是针对并发环境下的一个有效策略；
（5）本发明所述的一种基于BW树的超长字符串跨页索引方法，并发控制通过序列化原子比较交换指令操作处理增量节点的添加、页分裂和页合并，以管理并发和冲突，确保所有序列化指令都是完成状态，防止检索时发生死锁或过度的性能开销。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的索引方法流程图示意图；
图2为本发明实施例所述的页更新和合并增量示意图；
图3为本发明实施例所述的页分裂过程示意图；
图4为本发明实施例所述的页合并过程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种基于BW树的超长字符串跨页索引方法，适用于处理超出单页大小限制的超长字符串，索引对象设备包括原子记录存储、面向多核CPU、面向新型储存设备flash，针对多核CPU和新型存储设备（如闪存）进行了优化，以提高索引的处理效率和响应速度。如图1所示，当系统检测到一个字符串超过了单个索引页的大小限制时将触发此索引方法，索引方法包括以下步骤：
T1、索引初始化：分割超长字符串并存储在单个索引页内，超长字符串分割成多个较小的部分，每个部分大小要适合单个索引页，但又尽量保持尺寸以优化存储效率；
T2、判断更新需求：检查索引页的当前状态，判断是否存在插入、修改或删除的需求，若存在需求则转到T3，否则转到T4；
T3、页的更新：创建增量节点记录所需的更改信息，将增量节点安全集成到索引结构中，并确保更新的原子性；
T4、页的搜索、导航和结构调整：系统接收查询请求后进行数据搜索查询，优先检查增量节点，随后根据数据量的变化动态调整索引结构，同时进行并发控制与范围搜索优化；
T5、索引完成：直到所有字符串部分完成索引并更新相关索引页，同时保持整个索引结构的一致性和准确性，展示整个字符串的内容，跨越多个索引页。
具体的，T3具体包括以下步骤：
T31、创建一个新的增量节点，该增量节点类型为“插入”，“修改”，“删除”三种类型之一；
T32、将该增量节点的下一节点指向被修改的基页；
T33、通过原子比较交换指令，更新映射表中基页所在PID的值；
在图2中，被修改的页为P，新增量节点为D，页更新后，逻辑页P指向增量节点D，增量节点D的下一节点指向基页P。
具体的，为优化数据查询效率并维持高效的数据存储和检索，T4包括以下步骤：
T41、通过索引树查询，遍历所有增量节点是否包含相关数据，若包含则转到T43，否则转到T42；
T42、在基页中搜索，同时根据数据量的增减，适时执行页分裂或页合并操作；
T43、结束搜索并返回找到的数据；
优势在于，由于基页P中保存的索引记录是有序的，所以在基页P中查询速度会很快。
具体的，在T41中，多次更新某个页后，会累计许多增量节点，当增量节点过多时需合并增量节点，以提高查询效率，合并增量节点包括以下步骤：
S1、申请新的页空间记为新页；
S2、遍历原页，将原页中所有索引项，最大键值和最小键值，以及右兄弟节点信息写入新页；
S3、通过原子比较交换指令，更新映射表中原页所在PID的值；
S4、释放原页空间。
具体的，T42中的搜索包括范围搜索，页中存储了当前页最小键值和最大键值，以及右兄弟页，需要执行范围搜索的时候通过相连兄弟指针实现范围搜索。
具体的，当物理页的大小超过系统要求的页大小时需要进行页分裂，本申请使用两次原子比较交换指令完成页分裂，T42中的页分裂包括以下步骤：
A1、申请新的页空间记新页；
A2、从被分裂页中选取一个合适的键值作为分裂键值，将所有大于该分裂键值的索引项复制到新页，新页的右兄弟页指向被分裂页的右兄弟页，并将新页添加到映射表，过程不需要使用原子比较交换指令，此时新页未对其他线程可见；
A3、创建“分裂增量节点”，通过追加的方式，更新被分裂的页，该分裂增量节点用于查找索引时路由选择，该节点记录了分裂键值，所有小于该分裂键值的查询都会落到被分裂页上，所有大于该分裂键值的查询都会落在新页上；
A4、创建“索引增量节点”，通过追加的方式，更新被分裂页的父页，该索引增量节点可以将落在新页的查询直接路由到新页上，而不必经过被分裂页的“分裂增量节点”；
在图3中，页P为被分裂页，其右兄弟页为R，新页为Q。如（a）所示，新页Q包含了被分裂页P一半的值，且新页的右兄弟页也为R。在（b）中，通过一次原子比较交换指令将增量节点追加到原页P中，此时无法从父页O直接访问新页Q，因此，需要在父页O追加新增量节点，如（c）所示。
当页中的索引项小于系统要求的页的大小时，需要进行页合并操作，T42中的页合并包括以下步骤：
H1、创建“删除增量节点”，通过追加的方式，更新被合并的页，该删除增量节点只是屏蔽了通过父页访问该页的路由，该页仍可通过左页访问；
H2、创建“合并增量节点”，通过追加的方式，更新被合并页的左页，该增量节点描述了被合并页现已作为左页的一部分，同时也描述了左页的最大键值为被合并页的最大键值；
H3、创建“索引删除增量节点”，通过追加的方式，更新被合并页的父页，该索引删除增量节点描述了从父页中删除到被合并页的路由，此时无法从父页直接访问被合并页；
在图4中，页R为被合并页，其右兄弟页为S，左兄弟页为L。在（a）中，通过原子比较交换指令，向被合并页R添加删除增量，此时所有通过父页P路由到页R的查询都不可访问页R的内容，如果需要访问页R，需要通过页L的右兄弟页访问。在（b）中，向被合并页R的左兄弟页L添加合并增量，该合并增量描述了所有R中的索引记录属于页L。由于父页P中仍保存该页到R页的记录，因此，在（c）中，向父页P添加索引删除增量，该增量描述了将父页P到R页的记录删除。
本申请基于无锁控制难免会遇到冲突，在T4中，并发控制通过序列化原子比较交换指令操作处理增量节点的添加、页分裂和页合并，以管理并发和冲突。在索引页中记录最小和最大键值以及指向右兄弟页的指针实现范围搜索优化。
具体的，在并发控制的环境下，当多个原子比较交换指令需要被序列化处理时，包括以下步骤被采用以确保操作的一致性和完整性：
W1、所有线程在执行自己的操作之前，检查是否存在待完成的序列化原子比较交换指令，若存在转到W2，否则转到W3；
W2、线程优先执行这些序列化指令；
W3、系统确保所有的序列化原子比较交换指令已被成功执行并完成后，所有线程继续执行它们各自的操作。
一个实施例中，在页分裂的过程中，如果一个线程遇到某个页只能通过左页才能访问到，无法通过父页访问到时，碰到该状态的线程必须提交一个“索引增量节点”到父页，以确保该分裂过程完成，然后再执行自己的操作。同样，在页合并的时候，当删除页时，访问该页的左页，准备追加一个“合并增量节点”，这时如果左页已被删除（另一个页合并序列化指令），必须先完成左页的合并，然后才能继续本页的合并。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。上述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于BW树的超长字符串跨页索引方法，其特征在于：索引对象设备包括原子记录存储、面向多核CPU、面向新型储存设备flash，超长字符串超过单页大小限制将触发索引，索引方法包括以下步骤：
T1、索引初始化：分割超长字符串并存储在单个索引页内；
T2、判断更新需求：检查索引页的当前状态，判断是否存在插入、修改或删除的需求，若存在需求则转到T3，否则转到T4；
T3、页的更新：创建增量节点记录所需的更改信息，将增量节点安全集成到索引结构中，并确保更新的原子性；
T4、页的搜索、导航和结构调整：接收查询请求后进行数据搜索查询，优先检查增量节点，随后根据数据量的变化动态调整索引结构，同时进行并发控制与范围搜索优化；
T5、索引完成：直到所有字符串部分完成索引并更新相关索引页，同时保持整个索引结构的一致性和准确性，展示整个字符串的内容。
2.根据权利要求1所述的一种基于BW树的超长字符串跨页索引方法，其特征在于：所述T3具体包括以下步骤：
T31、创建一个新的增量节点，该增量节点类型为“插入”，“修改”，“删除”三种类型之一；
T32、将该增量节点的下一节点指向被修改的基页；
T33、通过原子比较交换指令，更新映射表中基页所在PID的值。
3.根据权利要求1所述的一种基于BW树的超长字符串跨页索引方法，其特征在于：所述T4包括以下步骤：
T41、通过索引树查询，遍历所有增量节点是否包含相关数据，若包含则转到T43，否则转到T42；
T42、在基页中搜索，同时根据数据量的增减，适时执行页分裂或页合并操作；
T43、结束搜索并返回找到的数据。
4.根据权利要求3所述的一种基于BW树的超长字符串跨页索引方法，其特征在于：所述T41中当增量节点过多时需合并增量节点，合并增量节点包括以下步骤：
S1、申请新的页空间记为新页；
S2、遍历原页，将原页中所有索引项，最大键值和最小键值，以及右兄弟节点信息写入新页；
S3、通过原子比较交换指令，更新映射表中原页所在PID的值；
S4、释放原页空间。
5.根据权利要求3所述的一种基于BW树的超长字符串跨页索引方法，其特征在于：所述T42中的搜索包括范围搜索，通过相连兄弟指针实现范围搜索。
6.根据权利要求3所述的一种基于BW树的超长字符串跨页索引方法，其特征在于：所述T42中的页分裂包括以下步骤：
A1、申请新的页空间记新页；
A2、从被分裂页中选取一个合适的键值作为分裂键值，将所有大于该分裂键值的索引项复制到新页，新页的右兄弟页指向被分裂页的右兄弟页，并将新页添加到映射表；
A3、创建“分裂增量节点”，通过追加的方式，更新被分裂的页；
A4、创建“索引增量节点”，通过追加的方式，更新被分裂页的父页。
7.根据权利要求3所述的一种基于BW树的超长字符串跨页索引方法，其特征在于：所述T42中的页合并包括以下步骤：
H1、创建“删除增量节点”，通过追加的方式，更新被合并的页；
H2、创建“合并增量节点”，通过追加的方式，更新被合并页的左页；
H3、创建“索引删除增量节点”，通过追加的方式，更新被合并页的父页。
8.根据权利要求5所述的一种基于BW树的超长字符串跨页索引方法，其特征在于：在所述T4中，并发控制通过序列化原子比较交换指令操作处理增量节点的添加、页分裂和页合并，以管理并发和冲突；
在索引页中记录最小和最大键值以及指向右兄弟页的指针实现范围搜索优化。
9.根据权利要求8所述的一种基于BW树的超长字符串跨页索引方法，其特征在于：在并发控制的环境下，当多个原子比较交换指令需要被序列化处理时，包括以下步骤被采用以确保操作的一致性和完整性：
W1、所有线程在执行自己的操作之前，检查是否存在待完成的序列化原子比较交换指令，若存在转到W2，否则转到W3；
W2、线程优先执行这些序列化指令；
W3、系统确保所有的序列化原子比较交换指令已被成功执行并完成后，所有线程继续执行它们各自的操作。
10.一种计算机可读取存储介质，存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-9任一项所述的一种基于BW树的超长字符串跨页索引方法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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