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。     

一种适应GPU的混合OLAP查询处理模型

通用GPU因其强大的并行计算能力成为新兴的高性能计算平台,并逐渐成为近年来学术界在高性能数据库实现技术领域的研究热点.但当前GPU数据库领域的研究沿袭的是ROLAP(relational OLAP)多维分析模型,研究主要集中在关系操作符在GPU平台上的算法实现和性能优化技术,以哈希连接的GPU并行算法研究为中心.GPU拥有数千个并行计算单元,但其逻辑控制单元较少,相对于CPU具有更强的并行计算能力,但逻辑控制和复杂内存管理能力较弱,因此并不适合需要复杂数据结构和复杂内存管理机制的内存数据库查询处理算法直接移植到GPU平台.提出了面向GPU向量计算特性的混合OLAP多维分析模型semi-MOLAP,将MOLAP(multidimensionalOLAP)模型的直接数组访问和计算特性与ROLAP模型的存储效率结合在一起,实现了一个基于完全数组结构的GPU semi-MOLAP多维分析模型,简化了GPU数据管理,降低了GPU semi-MOLAP算法复杂度,提高了GPU semi-MOLAP算法的代码执行率.同时,基于GPU和CPU计算的特点,将semi-MOLAP操作符拆分为CPU和GPU平台的协同计算,提高了CPU和GPU的利用率以及OLAP的查询整体性能.     

并发内存OLAP查询优化技术研究

基于多核处理器硬件技术和高并发查询负载需求,近年来的研究不仅关注于一次一查询模式的查询优化技术,而且也关注于一次一组模式的查询优化技术.通过将并发查询转换为共享负载,一些低访问延迟的操作,如磁盘I/O、cache访问,可以被多个并发的查询所共享.当前的研究通常基于共享查询操作符,如扫描、连接、谓词处理等,通过生成全局执行计划优化并发查询.对于复杂的分析型负载,如何创建优化的执行计划是一个具有挑战性的问题.在广泛使用的星形模型的基础上提出一种模板OLAP查询执行计划来简化查询执行计划,以达到最大化查询操作符利用率的目标.1)提出了基于代理键的连接索引技术,将传统的基于值探测的连接操作转化为内存数组索引引用(AIR),使连接操作的CPU效率更高并且支持聚集计算的后物化;2)并发查询的谓词处理简化为cache line敏感的谓词向量,在单次cache line访问中最大化并发查询谓词计算性能;3)通过多核并行实现技术在SSB基准上进行测试.实验结果表明：共享扫描和共享谓词处理能够将并发OLAP查询处理性能提升1倍.     

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.     

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.     

关于数据仓库中联机分析处理的几点研究

本文介绍了数据仓库中OLAP（联机分析处理）技术，详细阐述了星型架构中的维表和事实表，并将星型架构和多维数据模型在各方面进行比较。     

种基于OLAP的Cube存储结构

Cube计算对OLAP有着极其重要的作用。本文根据数据仓库模式的前端用户接口之一OLAP,设计了一个多维的超压缩立方体结构HierarchicalCompressCube(CHCube)HH,并详细讨论了它的创建、增量更新及快速查询算法。在创建CHCube结构时,充分利用了元数据信息,因而在OLAP查询及更新等操作上具有很好的时空有效性。在实际的OLAP应用系统中,使得对多维数据的描述更加灵活,对多维数据的操作更加高效。     

数据仓库中的多维数据模型及其对象关系的实现

数据仓库和联机分析处理(OLAP)是当今商业数据处理领域的研究重点。传统的关系数据库技术已经很难满足联机分析处理对数据仓库的大量数据进行分析查询的要求。多维数据模型已成为数据仓库和联机分析处理的核心技术。该文设计了一种直观、有效的多维数据模型并给出了基于对象关系的实现。     

基于UML Profile设计OLAP元模型

对UML进行轻量级扩展,建立了一套针对联机分析处理(OLAP)的扩展机制,并建立基于多维建模的OLAP元模型.实现OLAP在概念层上的设计,取代了以往在具体的表结构和数据仓库系统上进行建模的方法.使得OLAP较旱地伴随数据仓库系统进入设计阶段,以减少开发的时间和代价.     

浅谈数据仓库中的OLAP技术

随着数据仓库技术和联机分析处理(OLAP)技术的发展,多维数据查询与分析已经广泛应用到商务、金融以及军事等多个领域的信息处理中,为各行业的决策分析提供了强大的支持。本文主要从数据仓库及OLAP技术的相关概念,OLAP多维数据模型及核心技术方面进行了分析总结。     

面向MIC协处理器的OLAP外键连接算法

众核架构协处理器Xeon Phi成为新兴的主流高性能计算平台.对于数据库应用而言,内存分析处理是一种计算密集型负载,其主要的性能取决于大事实表与维表之间的内存外键连接性能.本文关注于一种相对于缓存相关的分区哈希连接算法和缓存不相关的无分区哈希连接算法的缓存友好型外键连接算法,以适应Xeon Phi协处理器较小的LLC和高并发线程的特点.通过挖掘OLAP模式中的代理键特征,基于键值匹配的哈希探测操作可以进一步简化为事实表与维表之间基于主-外键参照完整性约束的代理键参照访问,因此复杂的哈希表和CPU代价较高的哈希探测操作可以简化为通过映射外键值为代理键向量内存偏移地址的方法对代理向量直接访问.基于代理向量参照访问的外键连接算法能够简单并高效地应用于Xeon Phi协处理器平台,通过更多的核心和高并发线程来掩盖内存访问延迟.实验中对传统的哈希连接算法（无分区哈希连接算法和基数分区哈希连接算法）和基于代理向量参照技术的外键连接算法在Xeon E5-2650 v3 10核处理器平台和Xeon Phi 5110P 60核协处理器平台进行性能测试和比较,实验结果给出了主流的内存外键连接算法在不同数据集和不同平台上全面的性能特征.     

基于图形处理器的Cuboid算法

近年来,基于图形处理器的通用计算获得了广泛关注,并在多个领域取得了进展.内存OLAP减少了磁盘I/O,但基于单核或多核CPU的计算能力及cache miss成为新的性能瓶颈,从而无法保证好的效率.而图形处理器由于其众多核和高带宽能够很好地适应OLAP计算特性.通过图形处理器来加速任一cuboid的计算,从而提高整个内存OLAP系统的性能.提出了基于图形处理器的分块并行算法,并对算法进行了优化及讨论了数据稀疏和数据分布倾斜等不同条件下的算法.算法通过扩展可以突破内存限制,组成磁盘、内存、显存三级流水线,适应海量数据计算;同时算法也可以作为计算整个cube的基础.通过实验比较,基于图形处理器的算法明显优于四核CPU算法.     

StreamQCTree:一种流数据方压缩结构

数据流管理系统计算聚集查询结果保存在内存中形成流数据方(StreamCube),提供快速、精确的在线OLAP查询。有限的内存空间需要一种有效的存储方法来存储更大时间窗口的流数据方。提出一种基于QC-Tree结构的流数据方StreamQCTree生成、裁剪及查询方法。将QC-Tree结构中上界集划分为基本上界类和附加上界类;并分析附加上界类的成本计算模型;根据该模型在固定存储空间下,采用动态选择物化结点的方案选择物化部分附加上界类,使对StreamQCTree的平均查询响应时间最小。实验表明,StreamQCTree能够有效地访问数据方且获得较好的压缩效果。     

众核计算平台的高吞吐率密码算法加速

众核处理器适应于加速高吞吐率的计算密集型应用,而密码算法需要进行大量的数学计算,特别需要使用高吞吐率的计算平台。提出了一种面向众核平台的粗粒度并行加速框架,该框架不考虑算法内部的运算过程,将数据以计算函数为单位分配到众核协处理器上执行。使用MIC众核协处理器,采用三级并行结构及任务分配机制,提升了高吞吐率密码算法处理的并行性。针对多种密码算法应用的实验结果表明,该框架可充分利用众核平台实现粗粒度并行的高吞吐率加解密处理。     

一种基于朴素贝叶斯算法的OLAP缓存机制

大数据时代,缓存作为一种提高数据处理性能的有效技术而被广泛研究。目前大多数缓存机制将查询结果以文件的形式保存了下来,命中率较低,造成了缓存资源的浪费。以国内外的缓存技术为基础,结合用户的查询习惯,借助增量朴素贝叶斯算法设计了一种新的数据仓库缓存机制,此缓存机制可根据用户的操作习惯判断每次查询的结果是否需要被缓存,以此提高缓存命中率。并通过实验从平均查询时间以及缓存命中率两方面验证了该缓存机制的有效性。     

一种面向异构众核处理器的并行编译框架

异构众核处理器是面向高性能计算领域处理器发展的重要趋势,但其更为复杂的体系结构使得编程难的问题更加突出.针对这一问题,基于开源编译器Open64,提出了一种面向异构众核处理器的并行编译框架,将程序自动转换为异构并行程序.该框架主要包括4个模块：任务划分模块用来识别适合进行加速计算的程序段,实现了嵌套循环的多维并行识别方法;数据布局模块完成数据在主存和SPM之间的布局,实现了数组边界分析和指针范围分析;传输优化模块实现了数据传输合并、传输外提、打包传输、数组转置等多种数据传输优化方法;收益评估模块在构建代价模型的基础上实现了一种动静结合的收益评估方法.并且,基于SW26010处理器,对该编译框架进行了实现,测试结果表明,该编译框架能够实现一些程序以面向异构众核结构的并行变换,且获得较好的加速效果.