資料庫快取管理器塊替換

triffic發表於2016-04-01
資料庫快取

學習高階資料庫技術課的時候，老師提到了資料庫中的buffer manager(快取管理器)，現在找出來重新整理溫習下，今天要討論的資料庫快取管理器塊替換的總體結構如下圖所示：

db-1

當應用程式需要從磁碟上得到一個塊時，它會呼叫緩衝管理器，那麼現在就分兩種情況：

1.1、如果這個塊已經在buffer中，緩衝管理器就會返回該塊在主存中的地址給應用程式
1.2、如果這個塊不在buffer中，那麼buffer manager就會做以下幾件事情:

1）在buffer中為該塊分配空間，那麼它是如何做到的呢？首先，如果需要的話，替換一些塊以讓出空間給新的塊，被替換的塊如果已經被修改過，那麼就需要把它重新寫回到磁碟上。
2）把需要的塊從磁碟上讀到buffer中，然後返回該塊在主存中的地址。

第二部分

在上面的述說中我們瞭解到，當buffer的空間不足時，會選擇一個塊換出，這裡就牽涉到了替換strategy，記得老師在課上給我們講解了幾種比較流行的替換strategy，自己整理了一下:

2.1、LRU演算法(Least Recently Used 近期最少使用演算法)

這個應該非常熟悉，不光是在資料庫中用到，我覺得我們最早接觸到這個應該是在作業系統中，這裡就不多說了，給個example就很明白了。

假設現在的訪問序列：1，4，8，1，5，2，3，2，4
得到如下圖所示的替換過程：
db-2

但是LRU演算法在一些特定的情況下，效能就不會很好，比如：

  • 1）檔案共享：馬上被用到的資料被一次訪問的資料擠出，LRU堆疊保留了一次性訪問的資料直到堆疊滿的時候才會被替換出；
  • 2）環訪問：假設現在LRU stack的大小為k，而現在的訪問序列是：1，…，k，k+1，那麼順序訪問k+1之後，就會一直miss(之前的元素已被替換出堆疊)；
  • 3）不同頻率的訪問(混合工作負載)

頻繁訪問的資料會被不頻繁訪問的資料所替換

2.2、Clock: An approximation of LRU(一種與LRU近似的方法)

該演算法的思想是把所有的塊形成一個環(通過mod運算實現)，環中的每一塊都帶一個引用位(reference_bit)，也稱為第二次機會位，當可用塊為0時，此時就需要選擇一塊換出，在選擇塊換出時，如果當前塊的reference_bit為1時，則修改成0，該塊繼續留在環中，如果當前塊的reference_bit為0，則選擇該塊換出，如下圖所示：

db-3

2.3、LIRS Policy

2.3.1、LIRS演算法(Low Inter-Reference Recency Set Recency)：表示某一塊最近一次被訪問與當前的間隔，可以理解為該塊最近一次被訪問之後，接下來訪問了多少個其它塊(Recency可以用這個其它塊數表示)。

Reuse Distance(IRR)：Buffer中某一塊被連續訪問時，它們之間的其它塊數(在計算的時候，不算重複的塊)。可以用下圖進行說明：
db-4

2.3.2、LIRS的基本思想

  • 1）該演算法認為IRR值高的塊不會被頻繁訪問，所以把這些塊選作將要被替換的塊；
  • 2）Recency被用作第二次引用；
  • 3）把IRR值低的塊保留在Buffer Cache中。

LIRS對比上面兩種演算法有其明顯的改進，首先，它根據多種資訊資源來合理地改變每個塊的狀態；其次，它的實現成本低。

2.3.3、LIRS的資料結構

LIRS的整個資料結構如下圖所示：
db-5

我們從上圖中可以看出，該演算法有兩個block set：LIR block set和HIR block set，同時整個物理快取也由兩部分組成，並且也可以知道，屬於IRR值低的塊集合中的塊全部儲存在物理快取中，而屬於IRR值高的塊集合中的塊只有一部分位於物理快取中。

2.3.4 LIRS的塊替換操作

下面我們結合具體的例子來了解使用LIRS演算法之後，是如何進行塊替換的，假設現在有5個塊，分別是A,B,C,D,E，且當前在time 9這個位置，此時塊訪問序列以及每個塊的Recency和IRR值如下圖所示：
db-6

由上圖可知，塊A最近一次被訪問是在time 8，所以它的R（Recency）為1；另外塊A在time 6 和time 8被連續兩次訪問到，在這兩個時刻之間，只有塊D被訪問到，所以塊A的IRR為1。塊B,C,D,E的R值和IRR值的計算方法和塊A一樣，如果某一塊最近只有一次被訪問到，那麼它的IRR值為無窮大，比如塊C和E。假設現在的物理快取的空間劃分如下圖所示：

db-7

也就是，在該物理快取中只能存放兩個IRR值低的塊，一個IRR值高的塊，我們最後進行歸類得到如下圖所示：
db-8

那麼接下來，如果在time 10訪問塊D，該如何進行替換，從上面得知，塊D屬於IRR值高的塊集合，而此時屬於IRR值高的塊集合中只有塊E駐留在物理快取中，那麼此時就需要把塊E替換出去，把塊D存入物理快取中，整個過程如下圖所示：

db-9

在塊D進入物理快取之後，我們接下來要做一些更新操作，看看塊D應該屬於哪個集合，因為在D進入物理快取之後，各個塊的R值和IRR值已經發生變化，更新完各個塊的R值和IRR值之後，我們把塊D的IRR值和IRR值低的塊集合中的塊的R值進行比較，如果塊D的IRR值比IRR值低的塊集合中的某塊的R值小，則把該塊換入到IRR值高的塊集合中，而塊D進入IRR值低的塊集合中，過程圖如下圖所示：

db-10

塊D在time 10被訪問之後，最後的結果如下圖所示：

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