基于固态硬盘内部并行的数据库表扫描与聚集

犇 犪 狋 犪 犫 犪 狊 犲 犜 犪 犫 犾 犲 犛 犮 犪 狀 犪 狀 犱 犃 狉 犲 犪 狋 犻 狅 狀 犫 犈 狓 犾 狅 犻 狋 犻 狀 犐 狀 狋 犲 狉 狀 犪 犾 犘 犪 狉 犪 犾 犾 犲 犾 犻 狊 犿 狅 犳 犛 犛 犇 狊 犵 犵 犵 狔 狆 犵
（ ， ， ） 犛 犮 犺 狅 狅 犾 狅 犐 狀 狅 狉 犿 犪 狋 犻 狅 狀 犚 犲 狀 犿 犻 狀 犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狅 犆 犺 犻 狀 犪 犅 犲 犻 犻 狀 １ ０ ０ ８ ７ ２ 犳 犳 狔 犳 犼 犵
范 玉 雷 赖 文 豫 孟 小 峰
中 国 人 民 大 学 信 息 学 院 北 京 （ ） １ ０ ０ ８ ７ ２
摘 要 ， 随 着 基 于 闪 存 的 固 态 硬 盘 在 个 人 计 算 机 和 企 业 服 务 器 上 的 广 泛 应 用 固 态 硬 盘 受 到 学 术 界 和 工 业 界 越 来 ， 除 了 具 有 闪 存 存 储 器 的 优 良 特 性 之 外 固 态 硬 盘 内 部 还 具 有 丰 富 的 并 行 特 性 传 统 数 据 库 系 统 的 物 理 越 多 的 关 注 ． ． ， 操 作 表 扫 描 和 上 层 聚 集 操 作 是 针 对 磁 盘 的 机 械 特 性 和 对 称 读 写 特 性 而 设 计 的 并 不 能 发 挥 固 态 硬 盘 内 部 并 行 特 性 ， 的 优 势 文 中 首 先 将 固 态 硬 盘 作 为 一 个 黑 盒 进 行 探 测 以 了 解 其 内 部 的 并 行 特 性 在 此 基 础 上 对 传 统 数 据 库 表 扫 描 ． ． ， ， 操 作 进 行 相 应 的 改 进 提 出 一 种 并 行 表 扫 描 模 型 以 充 分 利 用 固 态 硬 盘 内 部 丰 富 的 并 行 特 性 其 次 基 Ｐ ａ ｒ ａ Ｓ Ｓ Ｄ Ｓ ｃ ａ ｎ ． ， ， 文 中 还 提 出 一 种 高 效 的 并 行 聚 集 操 作 模 型 并 利 用 该 聚 集 操 作 模 型 实 现 几 种 常 于 并 行 表 扫 描 模 型 Ｐ ａ ｒ ａ Ｓ Ｓ Ｄ Ａ ｒ ｇ ｇ ， 见 聚 集 操 作 最 后 通 过 实 验 表 明 并 行 表 扫 描 和 并 行 聚 集 操 作 的 性 能 较 之 传 统 数 据 库 表 扫 描 和 聚 集 操 作 的 性 能 分 ． ， 倍 和 倍 同 时 实 验 结 果 还 表 明 并 行 聚 集 操 作 对 内 存 的 需 求 不 大 并 行 表 扫 描 和 并 行 聚 集 操 作 大 大 提 别 提 高 了 ３ ４ ． ， 高 了 表 扫 描 和 聚 集 操 作 的 性 能 充 分 说 明 了 固 态 硬 盘 内 部 并 行 特 性 的 优 越 性 ． 关 键 词 ； ； ； 固 态 硬 盘 闪 存 数 据 库 并 行 表 扫 描 并 行 聚 集 中 图 法 分 类 号Ｔ 号 ： ／ Ｐ ３ １ １ 犇 犗 犐 １ ０ ． ３ ７ ２ ４ Ｓ Ｐ ． Ｊ ． １ ０ １ ６ ． ２ ０ １ ２ ． ０ ２ ３ ２ ７
第 卷 第 期 ３ ５ １ １ 年 月 ２ ０ １ ２ １ １
计 算 机 学 报 Ｃ Ｈ Ｉ Ｎ Ｅ Ｓ Ｅ Ｊ Ｏ Ｕ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ５ Ｎ ｏ ． １ １ Ｎ ｏ ｖ ． ２ ０ １ ２
基 于 固 态 硬 盘 内 部 并 行 的 数 据 库 表 扫 描 与 聚 集
； ； ； 犓 犲 狑 狅 狉 犱 狊 ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｄ ｉ ｓ ｋ ｆ ｌ ａ ｓ ｈ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｄ ａ ｔ ａ ｂ ａ ｓ ｅ ａ ｒ ａ ｌ ｌ ｅ ｌ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ｓ ｃ ａ ｎ ａ ｒ ａ ｌ ｌ ｅ ｌ ａ ｒ ｅ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｐ ｇ ｇ ｇ 狔
收 稿 日 期 最 终 修 改 稿 收 到 日 期 本 课 题 得 到 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 和 核 高 基 重 大 专 项 ： ； ： （ ， ） ２ ０ １ ２ ０ ６ ０ ５ ２ ０ １ ２ ０ ９ ０ ９ ． ６ ０ ８ ３ ３ ０ ０ ５ ６ １ ０ ７ ０ ０ ５ ５ 资 助 男 年 生 博 士 研 究 生 主 要 研 究 方 向 为 闪 存 数 据 库 存 储 管 理 查 询 处 理 和 查 询 优 化 索 引 和 （ ） ， ， ， ， 、 、 范 玉 雷 ２ ０ １ ０ Ｚ Ｘ ０ １ ０ ４ ２ ０ ０ ２ ０ ０ ３ ． １ ９ ８ ４ 恢 复 技 术 研 究 男 年 生 硕 士 研 究 生 主 要 研 究 方 向 为 闪 存 数 据 库 系 统 存 储 管 理 查 询 处 理 和 赖 文 豫 ： ， ， ， ， 、 ． Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ｆ ｌ ８ １ ５ ｒ ｕ ｃ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ ． １ ９ ８ ９ ＠ ｙ ， ， ， ， ， ， 、 、 查 询 优 化 技 术 研 究 男 年 生 博 士 教 授 博 士 生 导 师 主 要 研 究 领 域 为 数 据 集 成 数 据 库 系 统 移 动 对 象 管 理 孟 小 峰 ． １ ９ ６ ４ Ｗ ｅ ｂ Ｘ Ｍ Ｌ ．
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计 算 机 学 报
年 ２ ０ １ ２
： 本 文 的 主 要 贡 献 如 下 （ ） 通 过 测 试 研 究 了 不 同 厂 家 不 同 型 号 固 态 硬 引 言 １ １ 盘 的 内 部 并 行 特 性 ． ， （ ） 随 着 闪 存 技 术 的 飞 速 发 展 闪 存 设 备 凭 借 其 小 设 计 高 效 的 物 理 操 作 表 扫 描 模 型 ２ Ｐ ａ ｒ ａ Ｓ Ｓ Ｄ 、 、 ／ 、 、 ， ， 巧 轻 便 抗 震 耐 高 低 温 耗 电 量 小 读 写 速 度 快 等 Ｓ 使 其 充 分 利 用 固 态 硬 盘 内 部 并 行 特 性 从 而 大 ｃ ａ ｎ ，大 优 良 特 性 在 各 种 场 景 中 都 得 到 极 大 的 发 展 与 应 用 提 高 表 扫 描 性 能 ． ， （ ） 小 到 传 感 器 大 到 服 务 器 都 能 看 到 它 的 影 子 近 几 针 对 设 计 高 效 的 聚 集 操 作 模 ． ３ Ｐ ａ ｒ ａ Ｓ Ｓ Ｄ Ｓ ｃ ａ ｎ ， 、 、 ， 年 固 态 硬 盘 作 为 一 种 大 容 量 非 易 失 可 替 代 磁 盘 型 使 其 充 分 利 用 固 态 硬 盘 内 部 并 行 Ｐ ａ ｒ ａ Ｓ Ｓ Ｄ Ａ ｒ ｇ ｇ ， ， 受 到 了 学 术 界 和 工 业 界 的 热 烈 追 捧 固 并 基 于 该 模 型 实 现 了 几 种 聚 集 操 作 的 闪 存 设 备 特 性 ． ． 、 、 闪 存 转 换 层 和 控 制 器 本 文 第 节 介 绍 固 态 硬 盘 内 部 并 行 特 性 问 题 态 硬 盘 是 一 种 由 闪 存 存 储 器 ２ ［ ］ １ ； 组 成 的 块 设 备， 述 和 相 关 工 作 因 此 固 态 硬 盘 具 有 很 多 闪 存 存 储 描 第 节 主 要 从 测 试 角 度 分 析 固 态 ３ ， ； 器 的 优 良 特 性 盘 内 部 并 行 特 性 随 着 固 态 硬 盘 技 术 的 发 展 固 态 硬 硬 第 节 提 出 一 种 新 的 基 于 固 态 ． ４ ； 第 节 描 述 基 盘 在 个 人 计 算 机 和 企 业 服 务 器 上 都 得 到 了 广 泛 应 硬 盘 内 部 并 行 特 性 的 扫 描 操 作 模 型 ５ 在 个 人 计 算 机 中 固 态 硬 盘 可 以 作 为 二 级 存 储 于 并 行 表 扫 描 操 作 的 聚 集 操 作 模 型 以 及 一 些 聚 集 操 用 ． ， ； 设 备 部 分 或 者 完 全 替 代 传 统 磁 盘 比 如 苹 果 笔 记 本 作 第 节 通 过 实 验 对 比 分 析 阐 述 基 于 固 态 的 实 现 ６ 盘 并 行 特 性 的 表 扫 描 操 作 和 聚 集 操 作 的 性 能 优 以 及 一 些 超 级 本 中 在 企 业 服 务 器 领 硬 Ｍ ａ ｃ Ｂ ｏ ｏ ｋ Ａ ｉ ｒ ． ， ， ； ， 域 固 态 硬 盘 可 以 作 为 磁 盘 的 缓 冲 区 例 如 微 软 在 多 势 最 后 总 结 本 文 ． 人 在 线 游 戏 和 数 据 去 重 等 系 统 中 均 使 用 固 态 硬 盘 作 ［ ］ ２ ４ 为 磁 盘 的 写 缓 冲， 从 而 大 大 提 高 了 系 统 的 处 理 能２ 问 题 定 义 及 相 关 工 作 ， 力 此 外 固 态 硬 盘 还 可 和 磁 盘 一 起 做 二 级 存 储 ． ［ ］ ５ 设 备． 固 态 硬 盘 具 有 磁 盘 所 不 具 有 的 丰 富 的 内 部 并 行 ， 除 了 具 有 闪 存 存 储 器 的 优 势 之 外 固 态 硬 盘 还 特 性 然 而 传 统 数 据 库 却 不 能 充 分 发 挥 固 态 硬 盘 的 ， ［ ］固 ６ 具 有 丰 富 的 内 部 并 行 特 性 态 硬 盘 内 部 并 行 特 ， 因 此 越 来 越 多 的 研 究 者 开 始 关 注 固 态 硬 这 种 特 性 ． ， 而 磁 盘 的 盘 性 使 得 存 储 设 备 支 持 并 行 处 理 成 为 可 能 内 部 并 行 特 性 在 数 据 库 中 的 应 用 ． 磁 ２ 请 求 处 理 主 要 是 通 过 磁 盘 关 键 组 件 磁 头 来 完 成 ， 固 态 硬 盘 结 构 和 内 部 并 行 结 构 ． １ 头 同 一 时 刻 只 能 为 一 个 请 求 进 行 寻 道 、 定 位 和 读 取 相 对 于 磁 盘 的 盘 片 和 磁 头 等 机 械 构 造 固 态 硬 ， ， 数 据 不 能 支 持 存 储 设 备 上 的 并 行 处 理 传 统 数 据 库 ． 盘 没 有 机 械 组 件 主 要 由 接 口 逻 辑 内 置 缓 冲 区 控 ， 、 、 ［ ］ ８ ，制 是 根 据 磁 盘 的 机 械 运 动 和 读 写 对 称 等 特 性 而 设 计 器 和 闪 存 存 储 器 组 成， 如 图 所 示 １ ． ， 所 以 直 接 把 传 统 数 据 库 移 植 到 固 态 硬 盘 之 上 很 难 充 分 发 挥 固 态 硬 盘 的 优 势 尤 其 是 固 态 硬 盘 内 部 丰 ， 富 的 并 行 特 性 ． 扫 描 操 作 是 数 据 库 系 统 中 一 个 最 基 本 的 物 理 操 ［ ］ ７ 作 扫 描 操 作 分 为 两 类： 表 扫 描 和 索 引 扫 描 针 对 ． ． 磁 盘 机 械 特 性 设 计 的 表 扫 描 从 磁 盘 上 一 块 接 一 块 的 ［ ］ ７ 读 取 指 定 表 的 数 据． 数 据 库 系 统 提 供 的 部 分 查 询 ［ ７ 处 理 过 程 被 转 化 为 底 层 的 表 扫 描 这 个 物 理 操 作］ ， 、 ， 例 如 排 序 聚 集 和 连 接 因 为 它 们 都 需 要 读 取 整 个 表 ， 的 数 据 块 所 以 物 理 操 作 表 扫 描 对 查 询 处 理 有 着 重 图 固 态 硬 盘 内 部 结 构 １ ［ ］ ７ 聚 集 操 作 主 要 有 求 和 求 最 大 最 小 计 数 、 ／ 、 要 影 响 ． 接 口 逻 辑 把 闪 存 存 储 器 封 装 成 类 磁 盘 的 块 设 备 ． ， 和 求 平 均 值 等 在 系 统 和 系 统 中 都 有 Ｏ Ｌ Ｔ Ｐ Ｏ Ｌ Ａ Ｐ ： （ ） 内 置 缓 冲 区 的 作 用 主 要 有 两 个 缓 冲 逻 辑 地 址 和 １ 着 十 分 重 要 的 作 用 ． 缓 冲 用 户 读 写 数 据 ； （ ） 理 地 址 之 间 的 映 射 信 息 本 文 针 对 固 态 硬 盘 内 部 并 行 特 性 设 计 高 效 的 物 物 ２ ． ， 置 缓 冲 区 可 以 使 用 但 是 掉 电 会 丢 失 数 并 且 利 用 该 模 型 实 内 ， 理 操 作 表 扫 描 和 聚 集 操 作 模 型 Ｄ Ｒ Ａ Ｍ ， 为 了 防 止 掉 电 时 丢 失 数 据 一 般 都 会 采 用 非 易 失 现 求 和 求 平 均 值 计 数 和 求 最 大 最 小 总 体 来 说 、 、 ／ ，据 ． ．