摘 要： 對(duì)于一些查詢密集型的應(yīng)用，查詢操作的響應(yīng)速度往往是決定其系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，因此如何提高查詢響應(yīng)速度和系統(tǒng)吞吐率成為首要任務(wù)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，通過將查詢數(shù)據(jù)緩存可以有效地解決這個(gè)問題。
關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)集成；數(shù)據(jù)緩存；B_Link樹
目前，在企業(yè)中由于開發(fā)時(shí)間或開發(fā)部門的不同，往往存在有多個(gè)異構(gòu)的在不同軟硬件平臺(tái)上的信息系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，這些系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源彼此獨(dú)立、相互封閉，使得數(shù)據(jù)難以在系統(tǒng)之間交流、共享和融合，從而形成了“信息孤島”問題。如何對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的集成管理，屏蔽這些信息的異構(gòu)部分，并給上層用戶或應(yīng)用提供一個(gè)統(tǒng)一透明的訪問接口，以透明的方式訪問各信息源，成為當(dāng)今企業(yè)和組織所關(guān)心的問題。數(shù)據(jù)集成也就是在這樣的情況下提出來的。
通過復(fù)制的方式，將各種異構(gòu)數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)抽取到一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源中（如數(shù)據(jù)倉庫），同時(shí)維護(hù)數(shù)據(jù)源整體上數(shù)據(jù)的一致性。該方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)物理數(shù)據(jù)庫異構(gòu)的屏蔽和數(shù)據(jù)訪問的控制，以便于提供一個(gè)統(tǒng)一的訪問接口、提高訪問效率和系統(tǒng)的獨(dú)立性。圖1是一個(gè)典型的基于數(shù)據(jù)復(fù)制方式建立的數(shù)據(jù)倉庫體系結(jié)構(gòu)圖。
此外，在把數(shù)據(jù)倉庫應(yīng)用于數(shù)據(jù)集成時(shí)，還需解決如何應(yīng)對(duì)大量客戶端應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)倉庫進(jìn)行訪問時(shí)能夠做出快速的響應(yīng)。但是一個(gè)數(shù)據(jù)庫的連接資源是有限的，大量的并發(fā)查詢操作必定會(huì)導(dǎo)致查詢效率的下降，導(dǎo)致客戶端應(yīng)用程序獲取數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間大大增加。這樣的情況用戶是不想看到的，甚至有些對(duì)時(shí)間有一定限制的應(yīng)用因?yàn)椴荒芗皶r(shí)獲得所需的數(shù)據(jù)而無法正常工作而迫切需要解決這一問題。出現(xiàn)這個(gè)問題的原因是：由于連接數(shù)據(jù)庫是一件耗時(shí)的工作，而且一般數(shù)據(jù)庫服務(wù)器能同時(shí)提供的連接數(shù)也相當(dāng)有限，出現(xiàn)了性能瓶頸。解決這個(gè)問題的有效方法可以通過將查詢過的數(shù)據(jù)緩存起來，若下次有同樣的查詢時(shí)則不需再連接數(shù)據(jù)庫，而是直接從緩存中獲得，這樣不但節(jié)省了連接數(shù)據(jù)庫的時(shí)間開銷，而且省略了查詢數(shù)據(jù)庫所帶來的時(shí)間和資源的消耗。但是對(duì)于數(shù)據(jù)緩存的組織不能簡(jiǎn)單了事，必須得經(jīng)過精心的設(shè)計(jì)。為此，本文提出一種基于B_Link樹的方法來管理緩存。下面將詳細(xì)介紹如何組織和管理緩存。
1 數(shù)據(jù)緩存的體系結(jié)構(gòu)
無論多么強(qiáng)大的服務(wù)器，其內(nèi)存的數(shù)量都是有限的，故在考慮大數(shù)據(jù)量的緩存時(shí)，不可能將所有的數(shù)據(jù)都緩存在內(nèi)存中，而要考慮使用二級(jí)緩存。基于B_Link樹緩存總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，為了解決內(nèi)存有限的問題，采用了兩層緩存結(jié)構(gòu)，用一張哈希表將查詢與索引表對(duì)應(yīng)起來。若已經(jīng)建立了緩存，則對(duì)應(yīng)有一張緩存索引表，用于記錄數(shù)據(jù)記錄塊的位置（數(shù)據(jù)記錄塊是指把數(shù)據(jù)記錄打包成塊進(jìn)行保存和傳輸）。若數(shù)據(jù)在內(nèi)存中則直接取出發(fā)送給客戶端應(yīng)用程序即可，否則需通過關(guān)鍵詞去磁盤中獲取。磁盤中的緩存是基于B_Link樹組織起來的。
2 B_Link樹的基本結(jié)構(gòu)和操作
2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
B_Link樹是在B+樹的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的，主要添加了一個(gè)高值域和非葉子結(jié)點(diǎn)指向其右兄弟結(jié)點(diǎn)的Link指針。B_Link樹結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中帶下劃線的表示高值域，主要用于提升并發(fā)操作的性能。Link指針可以使得每個(gè)結(jié)點(diǎn)至少可以有兩條路徑訪問到，提高了查詢速度。
2.2 B_Link樹的查詢操作
B_Link樹的查詢操作是比較容易的，具體操作可查閱參考文獻(xiàn)[1]。其基本思路是：首先檢查根結(jié)點(diǎn)，找到大于查詢關(guān)鍵字V的最小搜索碼值（假設(shè)搜索碼值為ki）；然后，順著指針pi到達(dá)另一個(gè)結(jié)點(diǎn)，如果查詢關(guān)鍵字比該結(jié)點(diǎn)所有關(guān)鍵字都大，則遍歷指針指向當(dāng)前結(jié)點(diǎn)的右兄弟結(jié)點(diǎn)，在達(dá)到最后一層葉子結(jié)點(diǎn)時(shí)，若找到則返回該結(jié)點(diǎn)，否則返回空。
2.3 B_Link樹的插入操作
B_Link樹的插入操作是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，既要保證B_Link樹的基本結(jié)構(gòu)不受到破壞，還要保證并發(fā)操作時(shí)不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，所以有必要進(jìn)行加鎖處理。下面介紹幾種操作：
（1）x←scannode（v，A）：掃描指針A指向的結(jié)點(diǎn)，找到能發(fā)現(xiàn)key值v的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)并賦給x。
（2）A←get（current）：表示將current結(jié)點(diǎn)讀入內(nèi)存中并把其指針賦給A。
（3）A←node.insert（A，w，v）：把指針w和帶關(guān)鍵字v插入指針A指向的結(jié)點(diǎn)。
（4）u←allocate（B）：為結(jié)點(diǎn)B在磁盤中分配一新的頁，并將其指針賦給u。
（5）A，B←rearrange old A：把需要分裂的A指向的結(jié)點(diǎn)分裂成新的由A和B指向的結(jié)點(diǎn)。
（6）lock（current）：表示將current結(jié)點(diǎn)鎖住，防止其他并發(fā)操作對(duì)該結(jié)點(diǎn)進(jìn)行修改，但這并不會(huì)鎖住查詢操作。需要說明的是：如果查詢某個(gè)結(jié)點(diǎn)時(shí)，這個(gè)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行了分裂操作，有可能會(huì)出現(xiàn)查詢關(guān)鍵字大于高值域的情況，這時(shí)只要將當(dāng)前指針指向右兄弟結(jié)點(diǎn)即可，并在父結(jié)點(diǎn)中添加一搜索碼和指針指向右兄弟結(jié)點(diǎn)（細(xì)節(jié)可參考文獻(xiàn)[1]）。
下面是插入算法的偽代碼：
Procedure insert（v）
initialize stack；//初始化一個(gè)堆棧，用于保存祖先結(jié)點(diǎn)
current←root；
A←get（current）；
//將current讀入內(nèi)存中并將其指針賦給A
while current is not a leaf do
//從上至下遍歷結(jié)點(diǎn)，直到葉子結(jié)點(diǎn)
Begin
t←current；
current←scannode（v，A）；
if new current was not link pointer in A then
push（t）；
A ← get（current）；
end；
lock（current）； //將該結(jié)點(diǎn)鎖住
A←get（current）；
move.right；
//如果有必要將當(dāng)前結(jié)點(diǎn)指向其右兄弟結(jié)點(diǎn)
if v is in A then stop
//如果原來的樹中存在關(guān)鍵字為v的結(jié)點(diǎn)，則算法停止
w←pointer to pages allocated for record associated with v； //把與v相關(guān)聯(lián)的指針賦給w
Doinsertion：
if A not need to split //若結(jié)點(diǎn)無須分裂
Begin
A←node.insert（A. w. v）；
//把w指針和關(guān)鍵字v插入A指向的結(jié)點(diǎn)中，返回新的指針A
put（A， current）；
//把指針A放入current結(jié)點(diǎn)適當(dāng)?shù)奈恢?br />
unlock（current）；
end else begin
u←allocate（1 new page for B）；
A，B←rearrange old A，adding v and w， to make 2 nodes；//把A指向的結(jié)點(diǎn) 分裂成2個(gè)結(jié)點(diǎn)，
//分別由A和B指向
（link ptr of A， link ptr of B）←（u， link ptr of old A）；
//把分裂出的新結(jié)點(diǎn)的右兄弟結(jié)點(diǎn)指針
//指向未分裂前A的右兄弟結(jié)點(diǎn)
y←getmaxvalue（A）；
//取出A指向的結(jié)點(diǎn)中的最大的值（注意不是高值域）
put（B，u）；
put（A， current）； //開始將指針放入父結(jié)點(diǎn)中
v ← y；
w ← u；
current ← pop（stack）；
//進(jìn)行回溯處理，檢測(cè)父親是否需要繼續(xù)分裂
lock（current）；
A ← get（current）；
move.right；
unlock（oldnode）；
goto Doinsertion；
end
其中的move.right操作表示將指針指向其右兄弟結(jié)點(diǎn)。對(duì)于刪除算法，基本思路與插入算法類相同，要保持樹結(jié)構(gòu)和并發(fā)操作的正確性，具體可參閱文獻(xiàn)[2]。此外，充分利用內(nèi)存中的緩存也是很是重要的，在這里可以采用一種預(yù)讀取的辦法，即在磁盤緩存中檢索到要讀的結(jié)點(diǎn)時(shí)，在傳輸數(shù)據(jù)這段時(shí)間里可以將接下來的一些記錄數(shù)據(jù)塊讀入內(nèi)存緩存中，這樣在下次取數(shù)據(jù)時(shí)可以減少一些磁盤IO操作，提高讀取性能。
3 性能測(cè)試分析
測(cè)試環(huán)境如下：
數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端配置：數(shù)據(jù)庫Oracle 10g，操作系統(tǒng)Linux 2.6，CPU 2.1 GHz X4，內(nèi)存4 GB，硬盤串口500 GB。查詢中間件服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是同樣的配置，但不在同一臺(tái)服務(wù)器上，對(duì)查詢中間件的介紹可以參閱文獻(xiàn)[3]。
客戶端配置：CPU 2.6 GHz X2，內(nèi)存2 GB，硬盤串口160 GB。表1和表2是在不同的并發(fā)查詢數(shù)目和不同的查詢規(guī)模下經(jīng)過緩存和未經(jīng)緩存所需時(shí)間的對(duì)比。表1中查詢記錄數(shù)固定為10萬條，表2中并發(fā)查詢數(shù)固定為50個(gè)。
通過對(duì)比直接查詢數(shù)據(jù)庫和經(jīng)過緩存優(yōu)化后進(jìn)行查詢的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，通對(duì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存處理，效率提升是非常明顯的，尤其是在并發(fā)查詢的數(shù)量比較大時(shí)，效率提升更為明顯。
本文把數(shù)據(jù)緩存應(yīng)用于基于數(shù)據(jù)倉庫方式的數(shù)據(jù)集成中，而且，在組織緩存時(shí)采用了兩級(jí)緩存結(jié)構(gòu)，并采用了B_Link樹來組織磁盤中的緩存中的結(jié)構(gòu)。因此提高了并發(fā)查詢數(shù)據(jù)的效率、縮短了客戶端查詢數(shù)據(jù)的響應(yīng)時(shí)間、提高了工作效率。但本文方法還存在一些不足，例如，如何更有效地協(xié)調(diào)磁盤和內(nèi)存中的緩存交互，這一設(shè)計(jì)的好壞也直接關(guān)系到查詢的性能，這有待以后進(jìn)一步完善和優(yōu)化。
參考文獻(xiàn)
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