張振龍

(廈門大學計算機與信息學院，福建廈門360000)

近幾年，越來越多的非關鍵性業(yè)務開始嘗試使用開源數(shù)據(jù)庫以節(jié)省成本，在開源數(shù)據(jù)庫中PostgreSQL是功能最為完善的關系型數(shù)據(jù)庫。本文選取PostgreSQL作為原型數(shù)據(jù)庫。

SSD(固態(tài)硬盤)是摒棄傳統(tǒng)磁介質，其存儲優(yōu)勢是高速的順序讀取和順序寫入，高速的隨機讀取性能;劣勢是價格偏高，壽命較短，以及寫入放大，本文將結合SSD的特點，將其使用在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，以提升數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的整體效率。

1 相關工作

目前許多知名數(shù)據(jù)庫廠商也針對SSD提出了自己產(chǎn)品的改進方案，許多學術研究也把SSD中使用數(shù)據(jù)庫優(yōu)化作為研究方向。研究點大概集中在以下幾點:

(1)將整個數(shù)據(jù)庫放置在SSD上，提出一種新的數(shù)據(jù)庫存儲概念，為閃存數(shù)據(jù)庫，并圍繞閃存數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)存儲方式提出各種改進算法。但是，由于SSD本身的壽命問題，以及成本問題，該數(shù)據(jù)庫只能應用于小型的非關鍵性應用。

(2)在關系型數(shù)據(jù)庫中，將日志，索引，臨時表空間，回滾段這些信息放置到SSD中，以提高數(shù)據(jù)庫整體執(zhí)行效率。日志的特點是大量的順序寫操作，而索引，臨時表空間，回滾段的特點是順序寫，隨機讀。而且這些數(shù)據(jù)都屬于是非關鍵性數(shù)據(jù)，可重建，因此，如果一時的SSD損壞并不影響數(shù)據(jù)的一致性。因此完全符合SSD的特點，可以在一定程度上提升數(shù)據(jù)庫的存儲效率。

(3)使用SSD作為二級緩存，也就是我們熟知的Oracle的 flashcache，這點 Oracle已經(jīng)成功地商用，并為其數(shù)據(jù)庫帶來了可觀的性能提升。利用SSD的特性，把從一級緩存中置換出來的數(shù)據(jù)存儲到SSD中，將SSD其作為二級緩存，由于緩存中的數(shù)據(jù)也不是關鍵數(shù)據(jù)，且在使用時制定SSD讀寫策略，使其符合隨機讀順序寫的原則。但是，由于Oracle是商業(yè)軟件，其對SSD的使用的具體策略并沒有公開，本文將使用SSD作為PostgreSQL的二級緩存。

2 PostgreSQL使用SSD優(yōu)化

數(shù)據(jù)庫對磁盤數(shù)據(jù)進行訪問時，如果是首次，首先將數(shù)據(jù)從磁盤中取出，然后放置到共享緩存，再從共享緩存中獲取數(shù)據(jù)進行處理。如果要取的數(shù)據(jù)在共享緩存中已經(jīng)存在，則直接從共享緩存中獲取該數(shù)據(jù)進行處理。因此，有共享緩存的存在，大大提升了數(shù)據(jù)庫的執(zhí)行效率，減少了數(shù)據(jù)庫的IO瓶頸。而且，只要是數(shù)據(jù)庫需要的數(shù)據(jù)，都必須經(jīng)過共享緩存。

本文先分析了目前PostgreSQL的共享緩存管理方法，然后設計一套策略，并對其進行實現(xiàn)。

2.1 PostgreSQL的共享緩存管理方法

PostgreSQL對共享緩存的管理方式采用哈希表以及描述符的方式進行管理。首先在初始化階段，PostgreSQL開辟出一塊空間，緩沖區(qū)描述符合緩沖區(qū)塊的存儲空間是連續(xù)分配的，而哈希表則分配在另一個空間中。

在分配完空間后，描述符與共享緩存空間塊是一個一一對應的關系，其使用關系則通過哈希表保存，一個緩存塊的大小在 PostgreSQL中默認為8 kbyte。而描述符是以一個數(shù)據(jù)結構的方式存在，具體的數(shù)據(jù)結構名稱叫BufferDesc，在Buf_internals.h中定義，主要的字段有

refcount:用于下文提到的時鐘算法輪尋;

bufid:表示所指向的緩沖的塊號，默認為4096個塊，以整形方式標識;

freenext:下一個空閑塊的地址，用于下文中提到的Freelist的管理;

緩沖區(qū)管理的核心就是其對緩沖塊的分配方式，上層接口請求數(shù)據(jù)時，發(fā)送一個BufferTag的數(shù)據(jù)結構，該數(shù)據(jù)結構包含三個字段;

RelFileNode rnode:物理文件的編號;

ForkNumber forkNum:當前的文件分支，PG文件有三種，在這不詳細描述;

BlockNumber blockNum:當前請求的文件塊號有了這三個值，我們就可以找到對應文件的內容。這個時候，PostgreSQL并不是馬上去磁盤讀取數(shù)據(jù)。而是將這三個值作為上文中提到的哈希表的Key，看是否能在哈希表中找到，而哈希表的Value正是bufid。如果能找到，則表示將要請求的這個數(shù)據(jù)正在緩沖區(qū)中，直接返回該緩沖區(qū)的內容即可;如果不能找到，再分配一個新的bufid，并維護哈希表記錄下這次磁盤讀取。

在共享緩沖區(qū)滿的時候，又有新的請求需要分配共享緩沖區(qū)塊時，觸發(fā)緩沖區(qū)分配算法，而經(jīng)典的也是最簡單的緩沖區(qū)管理算法就是FIFO，但是一般在實際應用中會采用改進的 FIFO算法，例如在PostgreSQL中所采用的算法就是時鐘掃描算法。該算法在BufferAlloc.c中調用，時鐘掃描算法的基本原理就是，依次掃描所有的共享緩存描述符，在描述符中記錄了一個refcount的值，如果該值為0，這將這個共享緩存返回，并使用這個共享緩存塊;如果這個值不為0，則把這個值減1，繼續(xù)找尋下一個。而refcount這個計數(shù)器是當這個共享緩存中的數(shù)據(jù)被訪問時累加1，但是最大值為5。

時鐘掃描算法的弊端就是要遍歷所有的共享緩存塊，這樣帶來了較大的開銷。特別是當數(shù)據(jù)庫進行大規(guī)模讀寫，或者數(shù)據(jù)庫進行VACUUM的時候就會對緩存造成頻繁的換入換出。因此，在Post greSQL中，對以上場景采用了一種稱為環(huán)的策略在上層接口中，可以指定共享緩存的分配方式，如果需要進行環(huán)的方式分配，則在分配過程中記錄事先設定好的環(huán)大小，將分配過程中涉及的緩存塊形成一個環(huán)，之后如果再需要分配，只在環(huán)中進行分配而不會動用環(huán)之外的緩存塊，從而避免整個共享緩沖區(qū)被大量換入換出。

在對共享緩存的操作過程中，必然要涉及到鎖PostgreSQL中控制共享緩沖區(qū)訪問有兩種鎖。

(1)自旋鎖:又稱為pin鎖，利用互斥量實現(xiàn)的底層鎖，用于內存塊訪問。

(2)內容鎖:分為共享鎖和排他鎖，利用pin鎖實現(xiàn)的上層鎖，用于進程間并發(fā)的排他和共享操作

2.2 使用SSD作為PostgreSQL二級讀緩存

將SSD作為PostgreSQL的二級緩存一般有三種方式。一種是作為讀數(shù)據(jù)時的緩存(緩存非臟數(shù)據(jù))，也可以作為寫數(shù)據(jù)時的緩存(只緩存臟數(shù)據(jù))最后可以作為讀寫共存的緩存。而本文對SSD作為讀數(shù)據(jù)的緩存進行詳細描述，作為寫或者讀寫緩存的場景在這里不考慮，有興趣的讀者可以自己研究實現(xiàn)。

作為二級緩存的基本思想就是將一級緩存中存放不下的數(shù)據(jù)轉移到二級緩沖中進行存放，而這里的一級緩存指的就是共享緩存。當發(fā)生置換時，就是共享緩存滿的時候，數(shù)據(jù)在共享緩存中已經(jīng)無法存放，這個時候，我們就可以對置換出來的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)轉移，轉移到二級緩存中，也就是SSD中，當下次請求這個數(shù)據(jù)時，我們不需要再從磁盤中讀取，而直接從SSD中讀取即可。但是，并不是所有從共享緩存中置換的數(shù)據(jù)都是值得緩存的數(shù)據(jù)，本文定義了一種篩選規(guī)則，如果該數(shù)據(jù)是隨機讀磁盤的操作，索引數(shù)據(jù)或者是新寫入的數(shù)據(jù)則緩存;如果是一個順序讀寫磁盤的操作，或者數(shù)據(jù)庫正處在大量讀寫，鏡像，備份等操作時則不緩存。二級緩存基本思想如圖1所示。

圖1 二級緩存基本思想

將SSD作為二級緩存時，首先模仿共享緩存的管理方式，設置一個二級緩存描述符，以及用于保存使用情況的哈希表。當共享緩存發(fā)生置換時，具體就是在BufferAlloc這個函數(shù)的末尾，也就是已經(jīng)成功分配了一個bufid作為即將使用的共享緩存塊的時候。在原本的邏輯中，數(shù)據(jù)庫將對這個緩存塊進行寫入覆蓋的操作，但是本文在寫入覆蓋前，對這個共享緩存塊的數(shù)據(jù)進行判斷，如果符合進入二級緩存的條件，則將其放置到二級緩存中，等待下次讀取。在這里，由于一個PostgreSQL的緩存塊只有8K，為了避免對SSD的頻繁操作造成寫入放大，因此可以在這里做個處理，將多個置換出的數(shù)據(jù)拼成大塊，一下寫入到SSD中。

當下次數(shù)據(jù)請求到來時，具體就是在ReadBuffer_common這個函數(shù)中，從函數(shù)邏輯中明顯可以看出其讀磁盤的操作，具體就是smgrread的函數(shù)調用之前在這里我們可以添加代碼邏輯，使其先到SSD中去尋找想要的數(shù)據(jù)，而不用直接讀取磁盤。

3 結束語

本文詳細表述了SSD緩存PostgreSQL中非臟數(shù)據(jù)的方法，并自己利用TPC-C進行測試，性能約有10%左右的提升。本文中所使用的方法，還有很大的改進空間，如果將臟數(shù)據(jù)考慮在內，則緩存情況更加復雜，這個可以作為下一步的研究方向。

SSD的特性隨著技術的發(fā)展，其優(yōu)勢將越來越明顯，最終可能取代磁盤作為主要的存儲介質。但是，本文的意義不僅在于針對SSD的優(yōu)化，未來的硬件存儲的發(fā)展必然是多層次的，例如IBM目前已經(jīng)推出PCM存儲設備。而本文所描述的方法，只要存在多層次存儲，便可以借鑒。

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