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.     

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.     

内存存储模型上的多表连接优化技术研究

分析了面向先进硬件平台上的数据库优化技术,提出了基于内存存储模型的多表连接查询处理优化技术,采用内存存储模型存储维表并对维表主键进行顺序化,从而使维表的主键与内存维表记录的内存偏移地址相一致,实现对维表记录的内存直接访问。通过列存储技术减少维表记录的访问宽度,进一步优化维表访问的cache性能。与基于SQL Server 2005的查询执行计划的连接算法、join index连接算法以及基于列存储模型的优化连接算法进行了实验比较和性能分析,结果表明:基于内存存储模型的多表连接算法在处理星型结构数据仓库多谓词、多连接的复杂查询时具有很好的性能,与join index相比不需要额外的空间开销,与列存储数据模型相比具有更好的兼容性和性能。     

一种基于维层次编码的OLAP聚集查询算法

联机分析处理(OLAP)查询往往需在海量数据上进行即席的复杂分组聚集查询，在其SQL语句中通常包含多表连接和分组聚集操作，因而减少多表连接和压缩关键字，以及对查询数据进行有效地分组聚集操作，成为ROLAP查询处理的关键问题。提出了一种基于维层次编码的新型预分组聚集算法DHEPGA．DHEPGA算法充分利用了编码长度较小的维层次编码及其前缀，来快速检索出与查询关键字相匹配的维层次编码，求得维层次属性的查询范围，减少了I／O开销，提高了OLAP查询效率。理论分析和实验结果表明，DHEPGA算法性能是非常有效的。     

向量计算Array OLAP查询处理技术

多核和众核处理器成为新的具有强大并行处理能力的大内存计算平台的主流配置。多核处理器遵循以LLC（Last Level Cache,最后一级cache）大小为中心的优化技术,而众核处理器,如Phi、GPU协处理器,则采用较小的cache并以更多的硬件级线程来掩盖内存访问延迟的设计。随着处理核心数量的增长,计算框架更倾向于面向大规模处理核心的、代码执行效率高并且扩展性强的设计思想。提出了一种基于数组存储和向量处理的内存分析处理框架Array OLAP,简化OLAP的存储模型和查询处理模型。在Array OLAP计算框架中,维表规范化为基于向量的维过滤器,事实表规范化为带有多维索引的度量属性。通过多维索引计算,一个多维查询被简化为事实表上的向量索引扫描并根据度量表达式进行聚集计算。规范化的向量查找和向量索引扫描具有较好的代码执行效率,并且阶段化的处理模型更好地适应不同的计算平台,将计算阶段分配给最适合的计算平台。同时,Array OLAP是一种面向数据仓库模式特点的设计,向量处理模型设计简单,对于数据仓库维表较小且增长缓慢的特点具有较好的效率。描述了在不同平台上的Array OLAP计算框架并且通过基准测试评估Array OLAP的性能,通过与当前的内存分析型数据库的性能对比,Array OLAP性能超过主流的内存分析型数据库并且可以平滑地迁移到新的硬件平台。     

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.     

一种改进的分组序号聚集算法

ROLAP是OLAP（联机分析处理）中使用最广泛的一种类型,其主要功能是管理决策所需要的总结数据。总结数据一般都涉及多表连接和分组聚集操作,提高这些操作的性能成为提高OLAP操作响应速度的关键。为此,提出一种基于分组序号的新聚集算法IMuGA。算法充分利用时间维表特殊性,通过对事实表关键字直接获得分组属性值,减少了多表连接中时间维度的连接次数,提高了联机分析处理查询效率。实验结果表明,该算法是有效的。     

列存储中的OLAP多查询优化方法

为了使列存储OLAP(on-line analytical processing)操作中I/O和CPU开销较大的扫描、连接、聚集操作实现有效的共享和复用,提出了一个多查询优化技术。根据列存储以及OLAP操作的特点,提出了一系列转换规则,为OLAP查询请求产生的一组相关查询语句生成一个单一全局查询计划。为了达到共享复用的目的,在全局计划中引入新的过滤结点、分组结点、合并结点和聚集结点。同时,借用MuGA(multiply group by algo-rithm)算法,通过分组结点、合并结点、连接结点实现维表及事实表元组的分组序号标记,从而实现列扫描、列连接的共享。并为聚集结点提出了一个多阶段聚集算法,结合最终生成的事实表复合分组序号,实现聚集操作的复用。在SSB(star schema benchmark)数据集上设计实验,证明了该多查询优化策略的有效性。     

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.     

位图连接索引服务机制研究

位图连接索引是数据仓库中一种有效的优化表间连接操作性能的索引机制。在大内存分析处理应用场景下,位图连接索引不仅需要权衡索引的内存和CPU开销,还需要进一步考虑处理器平台所带来的性能收益和数据访问延迟。提出了基于服务的位图连接索引管理机制,其主要特点体现在三个方面：独立于数据库的自管理索引机制;基于存储空间约束的TOP K关键字位图连接索引机制;处理器敏感（processor-conscious）的位图连接索引技术。索引服务将索引从数据库中内置的数据结构变成数据库外的索引服务层,通过对用户查询负载的分析模块和索引服务管理模块改变传统的由数据库管理员人工管理索引的模式,同时借助于协处理器和内存云技术提高索引服务的性能和灵活性。实验测试结果表明,索引服务机制能够有效地提高索引存储和访问效率,在通用GPU的强大并行处理能力的支持下,位图连接索引服务的性能和数据库整体查询处理性能都得到了显著的提升。     

Parallel Star Join+DataIndexes: efficient query processing in data warehouses and OLAP

On-line analytical processing (OLAP) refers to the technologies that allow users to efficiently retrieve data from the data warehouse for decision-support purposes. Data warehouses tend to be extremely large, it is quite possible for a data warehouse to be hundreds of gigabytes to terabytes in size (Chauduri and Dayal, 1997). Queries tend to be complex and ad hoc, often requiring computationally expensive operations such as joins and aggregation. Given this, we are interested in developing strategies for improving query processing in data warehouses by exploring the applicability of parallel processing techniques. In particular, we exploit the natural partitionability of a star schema and render it even more efficient by applying DataIndexes-a storage structure that serves both as an index as well as data and lends itself naturally to vertical partitioning of the data. DataIndexes are derived from the various special purpose access mechanisms currently supported in commercial OLAP products. Specifically, we propose a declustering strategy which incorporates both task and data partitioning and present the Parallel Star Join (PSJ) Algorithm, which provides a means to perform a star join in parallel using efficient operations involving only rowsets and projection columns. We compare the performance of the PSJ Algorithm with two parallel query processing strategies. The first is a parallel join strategy utilizing the Bitmap Join Index (BJI), arguably the state-of-the-art OLAP join structure in use today. For the second strategy we choose a well-known parallel join algorithm, namely the pipelined hash algorithm. To assist in the performance comparison, we first develop a cost model of the disk access and transmission costs for all three approaches.     

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。     

数据仓库中的一种提高多表连接效率的有效方法

联机分析处理OLAP查询经常涉及多表连接,所以提高多表连接的性能就成了提高OLAP查询处理的关键性问题.针对目前直接提高多表连接效率的方法、并行多表连接算法和连接索引,提出了变形多表连接索引.该方法基于使用SQL语句表述的查询模型库QMB建立一系列符合条件的变形多表连接事实表,并建立这些变形多表连接事实表的索引.在特定的多表连接查询中,变形多表连接事实表能替代原事实表与各维表连接,并在查询处理过程中动态更新.理论分析和实验结果表明,该方法可以有效地提高多表连接的查询效率.     

RRTA：一种基于顺序读取的有效Top-K查询算法

Top-K查询是一种被广泛应用的操作,它根据给定的评分函数在潜在的海量数据中返回k个分值最高的元组。传统的TA算法要求能够支持随机读,NRA算法虽然放宽了对随机读的限制,但是增长阶段需要在内存中维护大量的元组,运行时将占用大量的内存资源。提出的RRTA算法相比NRA算法对数据的存储进行了重新的规划,创建一个新的表将内存上的开销转换到较廉价的外存开销,只需顺序读取就可以进行有效的Top-K查询,同时将表进行了划分,在并行处理的情况下更能提高程序的效率,能够很好地运行在内存有限的环境中。     

多路R树连接的加权处理

空间连接运算是空间数据查询中最重要、最耗时的基本操作之一,其中基于R树的空间连接(RJ)被认为是一种高效的处理机制,但在空间连接的精化阶段处理复杂的空间数据时需要很大的系统开销。基于MBR及直接查询谓词,提出了一种加权处理方法,并扩展了R树结构及MRJ算法。从而优化了多路R树连接的筛选处理,能得到更加有效的候选集;同时,减少了磁盘访问次数,可节省CPU及I/O的时间开销。还通过应用实例验证了其在空间数据库查询优化方面的优势。     

基于统计的无阻塞连接算法

数据流上的关系查询处理技术是数据库研究领域的一大热点。优化无阻塞连接算法的关键在于提高内存连接阶段的效率。当内存空间满时,需要将内存数据刷新到外存相应分区,良好的刷新策略对于改进算法的性能至关重要。利用数据分布的特征,对关系连接的输出流,使用基于统计的方法,查找使用频率最低的元组,将使用频率较低的元组刷新到外存,以提高内存数据的效率。基于统计分析策略提高了刷新策略的准确性和效率及算法的适用范围。     

Optimization and evaluation of disjunctive queries

It is striking that the optimization of disjunctive queries-i.e. those which contain at least one OR-connective in the query predicate-has been vastly neglected in the literature, as well as in commercial systems. In this paper, we propose a novel technique, called bypass processing, for evaluating such disjunctive queries. The bypass processing technique is based on new selection and join operators that produce two output streams: the TRUE-stream with tuples satisfying the selection (join) predicate and the FALSE-stream with tuples not satisfying the corresponding predicate. Splitting the tuple streams in this way enables us to “bypass” costly predicates whenever the “fate” of the corresponding tuple (stream) can be determined without evaluating this predicate. In the paper, we show how to systematically generate bypass evaluation plans utilizing a bottom-up building-block approach. We show that our evaluation technique allows us to incorporate the standard SQL semantics of null values. For this, we devise two different approaches: one is based on explicitly incorporating three-valued logic into the evaluation plans; the other one relies on two-valued logic by “moving” all negations to atomic conditions of the selection predicate. We describe how to extend an iterator-based query engine to support bypass evaluation with little extra overhead. This query engine was used to quantitatively evaluate the bypass evaluation plans against the traditional evaluation techniques utilizing a CNFor DNF-based query predicate     

Bitwise dimensional co-clustering for analytical workloads

Analytical workloads in data warehouses often include heavy joins where queries involve multiple fact tables in addition to the typical star-patterns, dimensional grouping and selections. In this paper we propose a new processing and storage framework called bitwise dimensional co-clustering (BDCC) that avoids replication and thus keeps updates fast, yet is able to accelerate all these foreign key joins, efficiently support grouping and pushes down most dimensional selections. The core idea of BDCC is to cluster each table on a mix of dimensions, each possibly derived from attributes imported over an incoming foreign key and this way creating foreign key connected tables with partially shared clusterings. These are later used to accelerate any join between two tables that have some dimension in common and additionally permit to push down and propagate selections (reduce I/O) and accelerate aggregation and ordering operations. Besides the general framework, we describe an algorithm to derive such a physical co-clustering database automatically and describe query processing and query optimization techniques that can easily be fitted into existing relational engines. We present an experimental evaluation on the TPC-H benchmark in the Vectorwise system, showing that co-clustering can significantly enhance its already high performance and at the same time significantly reduce the memory consumption of the system.     

联机分析查询处理中的一种聚集算法

联机分析处理(online analytical processing,简称OLAP)查询是涉及大量数据的即席复杂查询,从SQL(structured query language)角度来看,这些查询通常都包含多表连接和分组聚集操作.从OLAP查询处理角度出发,提出一种新的基于排序的聚集查询算法MuSA(sort-based aggregation with multi-table join).该方法充分考虑到数据仓库星型模式的特点,将聚集操作和新的多表连接算法MJoin相结合,排序时采用     

一种有效的空间数据仓库区域聚集查询索引结构

空间数据仓库有效地支持对空间数据的管理和分析,提供更加全面的决策支持.讨论了一种有效的空间决策支持手段——空间区域聚集查询的实现.基于aggregate cubetree和aR-tree提出了一个可以有效地在空间维和非空间维上进行区域聚集查询的索引结构aCR-tree及其相关算法,并计算分析了查询算法的时间复杂度.与现有技术相比aCR-tree降低了存储代价和每次查询访问的节点数,通过实验证明,该索引结构可以提供较好的存储性能和查询性能.