基于向量引用Platform-Oblivious内存连接优化技术

以MapD为代表的图分析数据库系统通过GPU、Phi等新型众核处理器来支持高性能分析处理,在面向复杂数据模式时连接操作仍然是重要的性能瓶颈.近年来,异构处理器逐渐成为高性能计算的主流平台,内存连接性能的研究从多核CPU平台扩展到新兴的众核处理器,但众多的研究成果并未系统地揭示连接算法性能、连接数据集大小、硬件架构之间的内在联系,难以为未来异构处理器平台的数据库提供连接平台优化选择策略.本文以面向多核CPU、Xeon Phi、GPU处理器平台的内存连接优化技术为目标,通过优化内存哈希表设计,实现以向量映射替代哈希映射操作,消除哈希代价对内存连接算法的影响,从而更加准确地测量内存连接算法在多核CPU的cache大小、Xeon Phi的cache大小、Xeon Phi的并发多线程、GPU的SIMT（单指令多线程）机制等硬件相关因素影响下的性能特征.实验结果表明,缓存与并发多线程机制是提高内存连接算法性能的重要影响因素.缓存机制对于满足cache大小的连接操作具有性能优势,而GPU的并发多线程机制则在较大表的连接操作中具有较高的性能,Xeon Phi则在满足其L2 cache大小的连接操作中具有最高性能.实验结果揭示了内存连接操作性能与异构处理器硬件特性的联系,为未来异构处理器平台内存数据库查询优化器提供了优化策略.     

面向多核CPU和GPU平台的数据库星形连接优化

针对联机分析处理（OLAP）中事实表与多个维表之间的星形连接执行代价较高的问题,提出了一种在先进的多核中央处理器（CPU）和图形处理器（GPU）上的星形连接优化方法。首先,对于多核CPU和GPU平台的星形连接中的物化代价问题,提出了基于向量索引的CPU和GPU平台上的向量化星形连接算法;然后,通过面向CPU cache和GPU shared memory大小的向量划分来提出基于向量粒度的星形连接操作,从而优化星形连接中向量索引的物化代价;最后,提出了基于压缩向量的星形连接算法,将定长向量索引压缩为变长的二元向量索引,从而在低选择率时提高cache内向量索引的存储访问效率。实验结果表明,在CPU平台上向量化星形连接算法相对于常规的行式或列式连接性能提升了40%以上,在GPU平台上向量化星形连接算法相对于常规星形连接算法性能提升超过了15%;与当前主流的内存数据库和GPU数据库相比,优化的星形连接算法性能相对于最优内存数据库Hyper性能提升了130%,相对于最优的GPU数据库OmniSci性能提升了80%。可见基于向量索引的向量化星形连接优化技术有效地提高了多表连接性能,与传统优化技术相比,基于向量索引的向量化处理提高了较小cache上的数据存储访问效率,压缩向量进一步提升了向量索引在cache内的访问效率。     

一个基于三元组存储的列式OLAP查询执行引擎

大数据与传统的数据仓库技术相结合产生了大数据实时分析处理需要（volume+velocity）,它要求大数据背景下的数据仓库不能过多地依赖物化、索引等高存储代价的优化技术,而要提高实时处理能力来应对大数据分析中数据量大、查询分析复杂等特点.这些查询分析操作一般表现为在事实表和维表之间连接操作的基础上对结果集上进行分组聚集等操作.因此,表连接和分组聚集操作是ROLAP（relational OLAP）性能的两个重要决定因素.研究了新硬件平台下针对大规模数据的OLAP查询的性能,设计新的列存储OLAP查询执行引擎CDDTA-MMDB（columnar direct dimensional tuple access-main memory databasequeryexecutionengine,直接维表元组访问的内存数据库查询执行引擎）.基于三元组的物化策略,使得CDDTA-MMDB能够减少内存列存储模型上表连接操作访问基表和中间数据结构的次数.首先,CDDTA-MMDB将查询分解为作用在维表和事实表上的子查询,如果只涉及过滤操作,子查询将生成<代理键,布尔值>二元组;否则,子查询生成<代理键,关键字,值>三元组.然后,只需一趟扫描事实表,利用事实表的外键映射函数直接定位相应三元组或者二元组,完成相应的过滤、连接或聚集操作.CDDTA-MMDB充分考虑了内存列存储数据库的设计原则,尽量减少随机内存访问.实验结果表明：CDDTA-MMDB是高效的,与具代表性的列存储数据库相比,比MonetDB 5.5快2.5倍,比C-store的invisible join快5倍;并且,CDDTA-MMDB在多核处理器上具有线性加速比.     

构建新型高性能与高可用的键值数据库系统

近年来,写密集型应用程序越来越普遍.如何有效地处理这种工作负载,是数据库系统领域深入研究的方向之一.写操作开销主要由以下两个方面的因素构成：（1）硬件级别,即写操作引起的I/O,目前无法在短时间内消除这种开销;（2）软件开销,即修改内存数据拷贝以及构造日志记录造成的多次写操作.日志即数据（log-as-database,称其为单拷贝系统）的架构能够减少写操作引起的I/O,同时降低软件方面的开销.目前,业界对单拷贝系统展现出浓厚的兴趣.现有的单拷贝系统大部分建立在特殊的基础设施之上,例如infiniband或NVRam（非易失性随机存取存储器）,这种基础设施尚未达到广泛可用或者是依托他系统（例如Dynamo）构建,这种方法缺乏灵活性与普适性.在商用机器环境中,自底向上构建了一个称为LogStore的键值数据库系统,采用log-as-database设计理念,以充分利用单拷贝系统的优点,在提升写操作性能的同时,有效缩短主备数据之间的差距.在系统中内嵌复制协议达到高可用性而不是依赖其他系统,使得系统灵活可控.系统新颖的查询执行模型将执行线程与特定分片绑定,结合多版本并发控制技术,以无锁的方式消除读写冲突、写写冲突以及上下文切换开销.用YCSB对系统性能进行了详细的评估,对比主流的键值系统HBase以及单拷贝系统实现LogBase,LogStore在写密集型工作负载上性能要优4倍左右.在崩溃恢复方面,LogStore可在1分钟之内完成TB级别数据规模的恢复,比LogBase要快1个数量级以上.