內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的架構(gòu)設(shè)計及原理

　　摘 要 恢復(fù)技術(shù)是保證內(nèi)存數(shù)據(jù)庫運行可靠的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的基于日志的恢復(fù)技術(shù)會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生很大影響。本文提出內(nèi)存數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)快速日志恢復(fù)技術(shù)，它控制日志的產(chǎn)生數(shù)量，使得在系統(tǒng)崩潰并重新啟動時，能以最快的速度恢復(fù)到系統(tǒng)崩潰前的最近一致點上。

　　關(guān)鍵字 內(nèi)存數(shù)據(jù)庫；日志恢復(fù)；檢查點

　　0 引言

　　內(nèi)存數(shù)據(jù)庫（MMDB）把數(shù)據(jù)全部或者當前工作部分駐留在內(nèi)存中，消除了傳統(tǒng)磁盤數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中I/O瓶頸，極大的提高了系統(tǒng)的性能和吞吐量，但是由于所有操作都作用于內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的主拷貝上，數(shù)據(jù)庫及易遭到操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件造成的破壞，因此MMDB的恢復(fù)技術(shù)十分關(guān)鍵。日志（Logging）恢復(fù)是傳統(tǒng)的MMDB恢復(fù)技術(shù)之一，它能滿足當前MMDB系統(tǒng)對事務(wù)響應(yīng)和快速系統(tǒng)恢復(fù)的要求，但是在大量事務(wù)吞吐量情況下造成的日志暴增所帶來很大問題，會對MMDB性能產(chǎn)生很大影響。

　　本文提出MMDB系統(tǒng)快速日志恢復(fù)技術(shù)，它是在不阻礙系統(tǒng)正常運行的情況下，控制日志的產(chǎn)生數(shù)量，使得在系統(tǒng)崩潰并重新啟動時，能以最快的速度恢復(fù)到系統(tǒng)崩潰前的最近一致點上。

　　1 系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計

　　快速恢復(fù)模型的整體架構(gòu)如圖1所示。事務(wù)處理模塊負責根據(jù)用戶請求產(chǎn)生事務(wù)，并由事務(wù)管理器調(diào)度。事務(wù)管理器將負責各個事務(wù)的日志記錄，交給日志產(chǎn)生規(guī)則處理。檢查點模塊根據(jù)日志產(chǎn)生規(guī)則才產(chǎn)生的日志數(shù)量動態(tài)調(diào)整檢查點啟動時間。當日志記錄數(shù)達到一定值時，檢查點程序啟動。它讀取所有日志記錄，交給日志篩選器。日志篩選器根據(jù)篩選算法，從當前所有日志項中篩選出實際有效的日志記錄，并將這些有效日志記錄交給日志分發(fā)結(jié)點。日志分發(fā)結(jié)點主要做兩項工作：第一是它將日志傳送給日志磁盤管理器，由其負責將日志回寫到日志磁盤上，第二是日志分發(fā)結(jié)點將日志傳送給備份更新發(fā)生器。備份更新發(fā)生器利用快速恢復(fù)算法，觸發(fā)各類更新操作，根據(jù)日志更新磁盤上的數(shù)據(jù)。

　　圖1 快速恢復(fù)模型的整體架構(gòu)

　　該快速恢復(fù)模型具有如下的特點：

　�、倏焖倩謴�(fù)模型以日志驅(qū)動方式做檢查點，異步更新磁盤上的備份數(shù)據(jù)鏡象。

　�、谙到y(tǒng)只維護全局Redo日志，以Redo日志來驅(qū)動備份更新發(fā)生器，各個事務(wù)維護私有Redo日志和Undo日志在事務(wù)提交時將私有Redo日志寫入全局Redo日志中。

　�、凼褂萌罩竞Y選算法，近一步減少Redo日志的數(shù)量，提升檢查點程序的性能。

　�、軅浞輸�(shù)據(jù)鏡象只反應(yīng)己提交事務(wù)的更新狀態(tài)，因此在系統(tǒng)重載時不需要回退未提交的事務(wù)。

　�、菘焖倩謴�(fù)算法為并發(fā)重載算法。在系統(tǒng)恢復(fù)過程中，能繼續(xù)接受新事務(wù)的請求。

　　2 快速日志驅(qū)動檢查點

　　快速日志驅(qū)動檢查點的基本思想是，檢查點程序仍然由日志來驅(qū)動，根據(jù)讀取到的日志項來更新數(shù)據(jù)鏡象上的內(nèi)容，維持數(shù)據(jù)鏡象與內(nèi)存中數(shù)據(jù)庫的基本同步。但是，與以往日志驅(qū)動檢查點算法不同的是，它通過日志產(chǎn)生規(guī)則和日志篩選算法兩個策略克服了以往日志驅(qū)動檢查點算法中日志數(shù)量可能過快增長的問題。

　　2.1 日志產(chǎn)生規(guī)則

　　快速日志驅(qū)動檢查點算法中設(shè)立的日志產(chǎn)生規(guī)則是：系統(tǒng)中日志被分為全局日志和私有日志兩類。系統(tǒng)只維護全局Redo日志，而不維護Undo日志，由事務(wù)自身維護私有的Redo日志和Undo日志。在事務(wù)提交時，依照事務(wù)提交的先后順序，將事務(wù)的私有Redo日志添加到全局Redo日志中。因此，在事務(wù)運行過程中，會產(chǎn)生Redo日志和Undo日志。Redo日志用于在系統(tǒng)恢復(fù)過程中，重做已提交事務(wù)。而Undo日志用于在事務(wù)Abort時回退事務(wù)，或者在系統(tǒng)恢復(fù)過程中回退未提交的事務(wù)。如果恢復(fù)模型的設(shè)計能夠保證系統(tǒng)恢復(fù)過程中，沒有需要回退的未提交事務(wù)，那么系統(tǒng)只需要讀取Redo日志而不需要讀取Undo日志。因而系統(tǒng)只需要維護全局的Redo日志，而不需要維護Undo日志，將Undo日志交給事務(wù)自身維護，Undo日志只用于事務(wù)自身Abort時回退。這樣就可以減少全局日志的總量。

　　圖2具體描述了全局日志和私有日志的使用。在事務(wù)T1，T2， T3的內(nèi)存空間內(nèi)，各自維護自己的私有Redo日志和Undo日志。在非易失性內(nèi)存(SRAM)上，MMDB系統(tǒng)開辟全局Redo日志緩沖區(qū)，讓事務(wù)在提交時事務(wù)的私有Redo日志寫入該緩沖區(qū)。檢查點程序?qū)⒍ㄆ谧x取日志緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，將日志寫入磁盤，并驅(qū)動檢查點程序更新磁盤鏡象數(shù)據(jù)。

　　圖2 全局日志和私有日志

　　各事務(wù)將按如下階段操作日志：

　�、偈聞�(wù)啟動時，需要在事務(wù)的各自空間內(nèi)建立私有Redo日志和私有Undo日志，并將在私有Redo日志中寫入事務(wù)啟動記錄。

　�、谑聞�(wù)運行過程中，事務(wù)的每次更新操作，需要在私有Redo日志中添加Redo記錄，并在私有Undo日志中添加Undo記錄。

　　③事務(wù)提交時，需要按如下步驟完成：

　�、逑蚴聞�(wù)的私有Redo日志內(nèi)添加事體Commit記錄。

　�、鎸⑹聞�(wù)的私有Redo日志寫入全局Redo日志中。

　�、玑尫攀聞�(wù)的私有Redo日志和私有Undo日志，釋放事務(wù)所占用的其他資源，完成提交。

　　④事務(wù)Abort時，需要按照如下步驟完成：

　�、迨聞�(wù)反向掃描私有Undo日志，回退事務(wù)的更新操作。

　�、驷尫攀聞�(wù)的私有Redo日志和私有Undo日志，釋放事務(wù)所占用的其他資源，結(jié)束事務(wù)。

　　由此可見，事務(wù)只在提交時才將私有Redo日志寫入全局日志緩沖區(qū)。從而也保證了，檢查點程序運行時，只看到己提交事務(wù)的Redo日志，磁盤上的數(shù)據(jù)鏡象也只反映已提交事務(wù)的更新操作。

　　2.2日志篩選算法

　　用日志產(chǎn)生規(guī)則能明顯減少日志產(chǎn)生的數(shù)量，但是在更新事務(wù)吞吐量較大的情況下，檢查點程序從全局日志緩沖區(qū)讀取Redo日志時，仍然可能會面對Redo日志量過大的問題。產(chǎn)生的原因是這樣的：如果對一份數(shù)據(jù)做兩次更新操作，那么兩個事務(wù)各自產(chǎn)生一條對同一物理地址上值更新的物理日志，但只有第2次更新事務(wù)產(chǎn)生的日志為有效的。本文利用日志篩選算法來避免日志量過大問題。該算法認為，當LOG1(T1，addr，valuel)和LOG2(T2, addr, value2)按照事務(wù)的提交順序通過日志篩選器時，當T1的提交時間在T2提交時間前，那么只有LOG2(T2, addr, value2)被認為是有效，而LOGI(T1，addr，valuel)被忽略。日志篩選器需要關(guān)注物理日志中被修改值的地址的相關(guān)性。對相同修改地址的物理日志依據(jù)日志的提交順序進行篩選。為加快日志的篩選速度，將全日志緩沖區(qū)劃分為多個區(qū)域，這將日志記錄中操作地址具有空間相關(guān)性的日志按照所屬事務(wù)的提交順序聚合在一個區(qū)域內(nèi)，能加速日志篩選算法的篩選速度。使得在篩選過程中，只需在小范圍內(nèi)(也就是一個區(qū)域)搜索可以被篩選的日志。當全局Redo日志緩沖區(qū)中的某一個區(qū)域滿時，就喚醒檢查點程序，將這一區(qū)域中的Redo日志寫入日志磁盤，并驅(qū)動備份更新發(fā)生器更新磁盤上的數(shù)據(jù)鏡象

　　3 快速恢復(fù)算法

　　在系統(tǒng)崩潰后，MMDB系統(tǒng)需要通過恢復(fù)過程，將數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到崩潰前的最近一致點上。在系統(tǒng)恢復(fù)過程中，重載程序?qū)��?shù)據(jù)從磁盤鏡象上加載到MMDB系統(tǒng)中，同時根據(jù)日志，重做(Redo)或者取消(Undo)部分事務(wù)，來恢復(fù)數(shù)據(jù)庫的一致性。

　　快速恢復(fù)算法如下算法步驟:

　�、佼斚到y(tǒng)崩潰重啟時，先啟動日志檢查和分配程序，檢查非易失性內(nèi)存(SM)中提供給事務(wù)提交時用于寫入私有Redo日志的緩沖區(qū)中是否有完整寫入的Redo日志。如果有完整的Redo日志，則日志檢查和分配程序?qū)⑦@些完整的日志分配到全局Redo日志緩沖區(qū)的不同區(qū)域中。

　�、诮y(tǒng)計全局Redo日志緩沖區(qū)中的日志數(shù)量，并標記這些日志。當前Redo日志緩沖區(qū)中的日志將被用于恢復(fù)內(nèi)存中MMDB系統(tǒng)的一致性，同時也要用于維護磁盤上數(shù)據(jù)鏡象的一致性。

　�、刍謴�(fù)程序從磁盤數(shù)據(jù)鏡象上加載一些重要的系統(tǒng)表以后，MMDB系統(tǒng)可以啟動，并可以接受新事務(wù)的請求。系統(tǒng)的正常事務(wù)處理和系統(tǒng)恢復(fù)過程同時進行。

　　④觸發(fā)檢查點程序從全局Redo日志緩沖區(qū)中讀取日志，驅(qū)動備份更新發(fā)生器更新磁盤上的數(shù)據(jù)鏡象。在這過程中，驅(qū)動備份更新發(fā)生器向緩沖區(qū)管理區(qū)詢問將被更新的記錄所在的鏡象數(shù)據(jù)頁面是否已經(jīng)被加載到內(nèi)存中。如果己經(jīng)被加載，則不但需要更新磁盤上的鏡象數(shù)據(jù)頁，還需要更新內(nèi)存中的數(shù)據(jù)頁面。如果全局Redo日志緩沖區(qū)中所有被標記的日志都已經(jīng)被用于驅(qū)動備份更新發(fā)生器，那么此時備份更新發(fā)生器可以告訴重載程序恢復(fù)工作已經(jīng)完成，沒有其他鏡象頁面需要更新。

　　⑤MMDB在接受新事務(wù)的請求時，對于事務(wù)的所訪問到的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)還沒有被加載內(nèi)存中時，則系統(tǒng)向重載程序要求將所需數(shù)據(jù)從磁盤鏡象上加載到內(nèi)存中。此時，重載程序先要檢查要求加載的數(shù)據(jù)頁面是否會被備份更新發(fā)生器修改。如果是，則需要等待備份更新發(fā)生器更新鏡象頁面后再加載到內(nèi)存中，否則就直接將鏡象頁面加載到內(nèi)存中。

　�、蕻斔�有鏡象都加載完成后，MMDB系統(tǒng)恢復(fù)過程結(jié)束。

　　4 結(jié)束語

　　恢復(fù)技術(shù)是保證內(nèi)存數(shù)據(jù)庫運行可靠的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)日志恢復(fù)技術(shù)由于存在產(chǎn)生過多不必要的日志的缺點，本文研究了一種新的日志恢復(fù)技術(shù)來盡可能的減少日志數(shù)量，并在此基礎(chǔ)上提出了快速日志恢復(fù)算法。本文提出的恢復(fù)技術(shù)算法簡單可以大大的節(jié)約系統(tǒng)的資源。然而，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫恢復(fù)是一個十分復(fù)雜而龐大的技術(shù)，所以該方法還有待完善。

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