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        數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)優(yōu)化算法淺析

        2016-07-05 13:14:29譚玲麗
        關(guān)鍵詞:機(jī)群

        【摘 要】數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)在實(shí)際工作中應(yīng)用非常廣泛,對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢(xún)優(yōu)化對(duì)推動(dòng)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義。并行數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)優(yōu)化的研究主要圍繞具有多個(gè)JOIN操作的復(fù)雜關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行,本文主要對(duì)并行數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行探索。

        【關(guān)鍵詞】查詢(xún)優(yōu)化;并行數(shù)據(jù)庫(kù);語(yǔ)義查詢(xún);機(jī)群

        1 引言

        并行數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)優(yōu)化主要圍繞具有多個(gè)JOIN 操作的復(fù)雜關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)(簡(jiǎn)稱(chēng)MJ查詢(xún))的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行研究。1990年,Schneider等研究了查詢(xún)樹(shù)模型,提出了左線(xiàn)性樹(shù)(Left-Deep Trees)、右線(xiàn)性樹(shù)(RIGHT-Deep Trees)和濃密樹(shù)(Bushy Trees)的概念。一個(gè)MJ查詢(xún)可以表示為一個(gè)查詢(xún)樹(shù)T=(V,E),其中V是結(jié)點(diǎn)集合,E是邊集合。每個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)表示一個(gè)關(guān)系,每個(gè)內(nèi)結(jié)點(diǎn)表示一個(gè)JOIN操作,同時(shí)表示這個(gè)JOIN操作的結(jié)果關(guān)系,每條邊表示一個(gè)JOIN操作,JOIN謂詞也可以由邊來(lái)表示,即MJ查詢(xún)的查詢(xún)樹(shù)是一個(gè)二叉樹(shù)。查詢(xún)樹(shù)分為三類(lèi)左線(xiàn)性樹(shù)、右線(xiàn)性樹(shù)和濃密樹(shù)。

        語(yǔ)義查詢(xún)優(yōu)化技術(shù),將一個(gè)查詢(xún)變換成一個(gè)或數(shù)個(gè)語(yǔ)義等價(jià)的查詢(xún),進(jìn)而尋找并執(zhí)行這些等價(jià)查詢(xún)中具有較好實(shí)現(xiàn)策略的一個(gè);基于遺傳算法的并行優(yōu)化算法主要是基于機(jī)群并行數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)系存儲(chǔ)的選擇、多連接查詢(xún)優(yōu)化和查詢(xún)處理等關(guān)鍵技術(shù)。

        2 左線(xiàn)性樹(shù)查詢(xún)優(yōu)化算法(簡(jiǎn)稱(chēng)LDT算法)

        LDT方法把兩個(gè)JOIN關(guān)系分為內(nèi)關(guān)系和外關(guān)系,把HASH-JOIN分為BUILD和PROBE兩個(gè)基本操作,BUILD操作掃描內(nèi)關(guān)系,建立HASH表;PROBE操作掃描外關(guān)系,搜索匹配HASH表,完成JOIN操作。具體算法如下:

        (1)搜索給定MJ查詢(xún)的左線(xiàn)性樹(shù)空間,選擇具有最小響應(yīng)時(shí)間的優(yōu)化左線(xiàn)性樹(shù)T;

        (2)由T產(chǎn)生數(shù)據(jù)相關(guān)圖DG;

        (3)根據(jù)DG產(chǎn)生優(yōu)化并行查詢(xún)執(zhí)行計(jì)劃P;

        (4)運(yùn)行優(yōu)化查詢(xún)計(jì)劃P。

        3 右線(xiàn)性樹(shù)的查詢(xún)優(yōu)化算法

        由于MJ查詢(xún)的左線(xiàn)性樹(shù)優(yōu)化并行查詢(xún)算法最多只允許兩個(gè)JOIN操作并行執(zhí)行,存在明顯局限性。為此,Schneider等研究了基于右線(xiàn)性樹(shù)的MJ查詢(xún)優(yōu)化問(wèn)題,并給出了基于右線(xiàn)性樹(shù)的查詢(xún)化化算法(簡(jiǎn)稱(chēng)RDT算法)。該算法類(lèi)似于LDT算法,RDT算法產(chǎn)生的查詢(xún)執(zhí)行計(jì)劃具有相當(dāng)高的并行性,所以N個(gè)JOIN操作皆可并行執(zhí)行。

        該算法基本思想是:在BUILD階段,每個(gè)JOIN關(guān)系被分成兩部分,一部分進(jìn)入內(nèi)存,建立HASH表,另一部分留駐外存,等以后處理;在PROBE階段,每個(gè)JOIN操作的結(jié)果也被分成兩部分,一部分直接用來(lái)進(jìn)行下一個(gè)JOIN操作的PROBE處理,另一部分存入外存,等以后處理。

        4 基于濃密樹(shù)的查詢(xún)優(yōu)化算法

        濃密樹(shù)GBT(General-Bushy-Tree)的MJ查詢(xún)優(yōu)化算法的查詢(xún)計(jì)劃分為同步和非同步兩類(lèi)。在同步查詢(xún)計(jì)劃中,一個(gè)MJ查詢(xún)的處理過(guò)程劃分為多個(gè)同步執(zhí)行階段,各個(gè)同步執(zhí)行階段順序執(zhí)行。在每一同步執(zhí)行階段,多個(gè)JOIN操作并行執(zhí)行,其他的查詢(xún)計(jì)劃稱(chēng)為非同步執(zhí)行計(jì)劃。

        文獻(xiàn)[2]以同步執(zhí)行計(jì)劃為目標(biāo),提出了三種產(chǎn)生優(yōu)化同步執(zhí)行計(jì)劃的啟發(fā)工MJ查詢(xún)優(yōu)化算法,第一個(gè)算法稱(chēng)之為GP算法,是一種貪心算法,算法思想核心是同步執(zhí)行段的劃分,循環(huán)地為每一同步執(zhí)行階段選擇盡量多的可并行執(zhí)行的JOIN操作。該算法時(shí)間復(fù)雜性較大,為解決此問(wèn)題,繼而提出算法GPt,它僅產(chǎn)生如下類(lèi)型的計(jì)劃:只有第一同步執(zhí)行階段并行執(zhí)行多個(gè)JOIN,其余同步執(zhí)行階段僅執(zhí)行一個(gè)JOIN操作。

        GBT查詢(xún)優(yōu)化方法具備了很高的并行性,但該執(zhí)行計(jì)劃空間十分龐大,因此查詢(xún)優(yōu)化算法的開(kāi)銷(xiāo)也非常大。

        5 語(yǔ)義查詢(xún)優(yōu)化方法

        語(yǔ)義查詢(xún)比較有趣,它不同于上述優(yōu)化方法。所謂語(yǔ)義優(yōu)化是指對(duì)一指定的查詢(xún)問(wèn)題,寫(xiě)出不同的查詢(xún)語(yǔ)句,從中挑出DBMS能夠?yàn)橹业阶罡咝?shí)現(xiàn)方法的語(yǔ)句。據(jù)統(tǒng)計(jì),語(yǔ)義完整性規(guī)則可能占一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的概念模式描述內(nèi)容的80%。

        語(yǔ)義優(yōu)化的實(shí)現(xiàn),遵照以下步驟:確立約束目標(biāo),即確定對(duì)哪些關(guān)系應(yīng)增加補(bǔ)充約束或者引入索引,或者引入、刪除哪些關(guān)系;選擇完整性約束;產(chǎn)生屬性上的新約束;約束合并;查詢(xún)約束的消除;形成等價(jià)的語(yǔ)義查詢(xún)。有文獻(xiàn)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明,利用語(yǔ)義完整性規(guī)則進(jìn)行查詢(xún)優(yōu)化,能夠顯著地提高效率。

        6 遺傳算法

        遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)是近年發(fā)展起來(lái)的一種嶄新的全局優(yōu)化算法,1962年由Holland教授首次提出,它借用了生物遺傳學(xué)的觀點(diǎn),通過(guò)自然選擇、遺傳、變異等作用機(jī)制,實(shí)現(xiàn)各個(gè)個(gè)體的適應(yīng)性的提高。這一點(diǎn)體現(xiàn)了自然界中“物競(jìng)天擇、適者生存”的進(jìn)化過(guò)程。

        傳統(tǒng)的遺傳算法中有關(guān)并行調(diào)度的討論和代價(jià)估算是基于無(wú)共享資源的體系結(jié)構(gòu),首先,關(guān)系的分布算法在選擇關(guān)系的分布屬性、分布方式和處理機(jī)集合時(shí),充分考慮了機(jī)群系統(tǒng)中引起數(shù)據(jù)重分布的因素,減少了額外的通信開(kāi)銷(xiāo);同時(shí)兼顧了并行系統(tǒng)中的三種并行。其次,查詢(xún)優(yōu)化部分,提出了基于遺傳算法的機(jī)群環(huán)下多連接查詢(xún)的并行優(yōu)化算法(簡(jiǎn)稱(chēng)BGA)。該算法研究了資源分配在查詢(xún)執(zhí)行代價(jià)估算中的作用和方法,提高了查詢(xún)優(yōu)化的效優(yōu)選法。與此同時(shí),為了節(jié)省風(fēng)絡(luò)通信的開(kāi)銷(xiāo),查詢(xún)計(jì)劃代價(jià)模型的計(jì)算將網(wǎng)絡(luò)的通信代價(jià)考慮在內(nèi),充分利用了查詢(xún)中各關(guān)系的物理存儲(chǔ)信息,減小了不必要的通信開(kāi)銷(xiāo)。

        7 結(jié)論

        傳統(tǒng)的并行數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)優(yōu)化技術(shù)有基于左線(xiàn)性樹(shù)、右線(xiàn)性樹(shù)、濃密樹(shù)、操作森林的并行數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)優(yōu)化,各有優(yōu)劣。目前使用的遺傳算法進(jìn)行查詢(xún)優(yōu)化的方法中,我們認(rèn)為仍存在兩個(gè)問(wèn)題:(1)在估算查詢(xún)計(jì)劃的代價(jià)時(shí),沒(méi)有考慮資源的分配情況,數(shù)據(jù)操作間的并行性得不到充分的開(kāi)發(fā);(2)在無(wú)共享體系結(jié)構(gòu)的查詢(xún)優(yōu)化中,沒(méi)有考慮網(wǎng)絡(luò)的通信代價(jià),無(wú)法避免額外的通信開(kāi)銷(xiāo)。

        算法研究方面,遺傳算法才剛起步,A算法、A*算法、模擬退火算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在計(jì)算機(jī)的諸多方面都取得了巨大的成績(jī),但在并行數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢(xún)優(yōu)化方面基本還是一個(gè)空白,仍需積極探索。

        參考文獻(xiàn)

        [1]厲陽(yáng)春.基于線(xiàn)性濃密樹(shù)的并行數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)優(yōu)化算法[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,19(1):20-23

        [2]玄萍.并行數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)優(yōu)化的遺傳算法[R].哈爾濱:黑龍江大學(xué),2004

        [3]許新華,胡世港,唐勝群等.數(shù)據(jù)查詢(xún)優(yōu)化技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀與未來(lái)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2009,45(18):156-161

        作者簡(jiǎn)介:譚玲麗,女,湖北武漢人。漢族。碩士。武漢東湖學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,講師。研究方向:軟件工程,數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。

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