本文選題：閃存　切入點：數(shù)據(jù)庫　出處：《北京大學》2013年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：閃存是一種電可擦除可編程只讀存儲器。由于其具有體積小，重量輕，訪問速度快，適用環(huán)境廣等優(yōu)點，閃存已經(jīng)大量地被應用在移動設備上，如手機、MP3、傳感器等。近年來，隨著閃存容量的不斷增加，價格的不斷下降，基于閃存的存儲設備被越來越多地用于企業(yè)級大型數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中，如數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。由于閃存的訪問速度，，特別是其隨機訪問速度大大快于磁盤，所以閃存的使用可以大大地緩解數(shù)據(jù)庫外存的瓶頸問題。 與傳統(tǒng)的磁盤相比，閃存有其自身的特性。首先，作為一種電子設備，閃存并不需要機械尋道延時，所以其隨機訪問速度與順序訪問速度相差不大。此外，由于閃存在覆蓋寫前要進行擦除操作，所以閃存有讀寫速度不對稱的特點。當前的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)均按照磁盤特性優(yōu)化系統(tǒng)性能，所以直接將數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)移植到閃存上并不能發(fā)揮出閃存的最佳性能。這就要根據(jù)閃存的特點對數(shù)據(jù)庫進行調整。 為了揚長避短，對于閃存的優(yōu)化需要減少閃存的寫入操作特別是隨機寫操作數(shù)量。對于隨機更新較多的索引結構中，通常使用日志的方式，將隨機更新操作轉化為順序操作，而如何設計日志的格式和組織方式是一個重要的問題。緩沖區(qū)管理中同樣存在類似的問題，如何合理地將一些臟頁面保留在緩沖區(qū)中，以減少整體I/O的性能也是閃存優(yōu)化要考慮的重點問題。此外，當前閃存磁盤混合存儲系統(tǒng)設計同樣受到關注。本文以此為背景進行閃存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的優(yōu)化研究，具體來說包括以下幾個方面。 (1)本文提出了操作可感知的緩沖區(qū)管理策略FOR。在代價分析的基礎上，F(xiàn)OR同時考慮頁面狀態(tài)與發(fā)生在頁面上的操作，充分地利用頁面訪問信息來決定頁面的替換。所以FOR方法可以更好地實現(xiàn)基于閃存的緩沖區(qū)管理功能。而且本文進一步針對FOR方法運行速度較慢的缺點進行了優(yōu)化，提出了FOR+算法，進一步地提升了緩沖區(qū)管理的整體性能。 (2)本文提出了一種基于閃存的高維索引結構LCR樹。 LCR樹在傳統(tǒng)的高維索引上加入日志區(qū)，將隨機更新操作轉化為順序更新，提高了索引的更新效率。此外，LCR樹將日志區(qū)組織為壓縮日志方式，即多次更新的日志會保存在同一個頁面內。與現(xiàn)有方法相比壓縮日志能夠減少索引的讀取操作數(shù)量，達到更好的I/O性能。 (3)本文針對閃存磁盤混合存儲系統(tǒng)進行優(yōu)化，提出了基于概率和基于熱度的混合存儲管理策略�；诟怕实幕旌洗鎯Ψ椒ㄊ褂脙蓚�概率參數(shù)控制數(shù)據(jù)之間的遷移操作，以減少系統(tǒng)各存儲層次之間不必要的數(shù)據(jù)移動，從而提升整體的性能�；跓岫鹊拇鎯Ψ椒ǹ梢宰R別出數(shù)據(jù)的熱度，所以能夠將訪問頻繁的數(shù)據(jù)放在較高的存儲層次中，與已有方法相比，可以以較小的代價更好地完成混合存儲管理。
[Abstract]:Flash memory is a kind of electrically erasable programmable read-only memory. Because of its small size, light weight, fast access speed and wide application environment, flash memory has been widely used in mobile devices, such as mobile phone MP3, sensor, etc. In recent years, flash memory has been widely used in mobile devices. With the increasing of flash storage capacity and the decreasing of price, flash based storage devices are used more and more in large enterprise data storage systems, such as database system. Especially its random access speed is much faster than disk, so the use of flash memory can greatly alleviate the bottleneck of database storage. Compared with traditional disks, flash memory has its own characteristics. First, as an electronic device, flash memory does not require mechanical seek delay, so its random access speed is not different from sequential access speed. Since flash memory has to be erased before overwriting, flash memory is characterized by asymmetric read and write speed. Current database management systems optimize system performance according to disk characteristics. Therefore, transplanting database system directly to flash memory can not bring into play the best performance of flash memory, which should be adjusted according to the characteristics of flash memory. In order to optimize flash memory, it is necessary to reduce the number of write operations, especially the number of random write operations. For index structures with more random updates, log operations are usually used to convert random update operations into sequential operations. How to design the format and organization of the log is an important issue. There are similar problems in buffer management, how to reasonably keep some dirty pages in the buffer, To reduce the performance of the whole I / O is also a key problem to be considered in flash memory optimization. In addition, the design of flash disk hybrid storage system is also concerned. This paper studies the optimization of flash memory database system based on this background. Specifically, it includes the following aspects. In this paper, we propose an operational perceptible buffer management strategy FOR.On the basis of cost analysis, we consider both the state of the page and the operations that occur on the page. Therefore, the FOR method can better realize the function of buffer management based on flash memory. Furthermore, this paper further optimizes the FOR method because of its slow running speed. FOR algorithm is proposed to further improve the overall performance of buffer management. In this paper, a high-dimensional index structure LCR tree based on flash memory is proposed. The LCR tree adds log area to the traditional high-dimensional index, which transforms random update operation into sequential update. In addition, the LCR tree organizes the log area into a compressed log mode, that is, the log that has been updated many times will be saved in the same page. Compared with the existing method, the compressed log can reduce the number of read operations of the index. Achieve better I / O performance. In this paper, a hybrid storage management strategy based on probability and heat is proposed for flash disk hybrid storage system. The hybrid storage method based on probability uses two probabilistic parameters to control the migration between data. In order to reduce unnecessary data movement between different storage levels of the system, thereby improving the overall performance. The heat based storage method can identify the heat of the data, so the frequently accessed data can be placed in a higher storage level. Compared with the existing methods, hybrid storage management can be accomplished at a lower cost.
【學位授予單位】：北京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TP333

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本文編號：1652397