主記憶體資料庫系統設計/MMDB概述
第3章：主記憶體資料庫系統簡介
目錄 — 上一頁: 資料庫管理系統簡介 — 下一頁: 儲存引擎
許多應用程式，如電信、過程控制、航空預訂、股票市場等，都需要即時訪問資料。除了維護資料一致性外，這些應用程式還需要對訪問資料庫的事務進行及時響應。主記憶體資料庫，隨著大容量廉價記憶體的普及而變得可行，可以提供比基於磁碟的資料庫系統更好的效能和一致的吞吐量。由於資料永久駐留在主記憶體中，它不會涉及任何影響吞吐量的磁碟 I/O。實際上，對於基於磁碟的系統，吞吐量的標準偏差將非常大，即時應用程式將無法針對這種不可預測的吞吐量進行基準測試。這導致了一種新型的資料庫管理系統的發展，稱為主記憶體資料庫 (MMDB) 系統。它也被稱為“記憶體資料庫 (IMDB) 管理系統”和“即時資料庫 (RTDB) 管理系統”。
由於這種型別的資料庫管理系統的基本底層假設發生了變化，因此導致了對傳統基於磁碟的管理系統的儲存、關係和 SQL 引擎的每個元件的研究和設計。
一次磁碟塊傳輸大約需要 5 毫秒，而主記憶體訪問需要 100 納秒。透過將整個資料庫保留在記憶體中，這些磁碟 I/O 被轉換為記憶體訪問，從而使吞吐量提高了數倍。這引發了一個有趣的問題：“如果在 DRDB 中所有資料都被快取在緩衝池中，那麼它們的效能會與 MMDB 一樣好嗎？”不幸的是，答案是否定的。這是因為資料結構和訪問演算法是為基於磁碟的系統設計的，當整個資料庫完全在記憶體中時無法正常工作。關於主記憶體資料庫，有一些常見的誤解。
它們支援持久事務嗎？
是的。儘管整個資料庫都在主記憶體中，但備份副本儲存在磁碟中，以在發生崩潰的情況下啟用恢復。
多個使用者可以同時訪問資料庫嗎？
是的。多個使用者和多個執行緒可以訪問資料庫，並透過閂鎖和鎖進行同步。
資料在主記憶體中的駐留對以下方面具有重要影響：
- 資料表示
- 資料訪問演算法 - 查詢處理
- 恢復
- 併發控制
本書將更詳細地討論 DRDB 和 MMDB 實現之間的差異，以及 MMDB 如何比 DRDB 快得多。
圖 4 描述了主記憶體資料庫管理系統。它幾乎包含所有存在於磁碟駐留資料庫管理系統中的元件。SQL 引擎、關係引擎和儲存引擎下的元件實現與 DRDB 元件有很大不同。
圖 4：MMDB 系統架構
在 MMDB 的情況下，對應於資料庫的物理實體是共享記憶體段或記憶體對映檔案。這些程序間通訊 (IPC) 機制允許在程序之間共享記憶體。有一些 JAVA 嵌入式主記憶體資料庫只需要多執行緒訪問。這些 DBMS 使用堆記憶體作為資料庫。對於多程序訪問，我們應該使用共享記憶體 IPC 或記憶體對映 IPC 機制。通常，控制資訊與資料記錄分開儲存，以避免控制資訊的損壞。
記憶體分為三個主要段。
控制段包含鎖表、程序表、事務表、撤銷日誌和重做日誌。這些結構是短暫的，是資料庫管理系統操作所必需的。
目錄段包含有關表、索引、欄位等的元資料。
使用者段包含所有表的記錄和這些表的索引記錄（如果有）。
在 MMDB 的情況下，SQL 語句的最佳化和執行發生了巨大變化。基於成本的最佳化主要基於磁碟 I/O 的數量，而不是 CPU 週期。這些基於成本的最佳化是整個 DBMS 中最複雜的系統。DRDB 使用基於成本和基於規則的最佳化器。但在 MMDB 的情況下，基於規則的最佳化器就足夠了。
當我們不需要使用兩遍演算法來實現操作時，所有關係操作演算法都會發生變化。此外，在 DRDB 的情況下，當我們執行第一遍時，我們會將所有欄位的資料從磁碟複製到記憶體。在 MMDB 的情況下，我們將使用指標間接定址，並避免資料複製和磁碟 I/O。
對於 MMDB，T-Tree 索引結構在空間和 CPU 週期方面優於 DRDB 的 B-Tree。
由於 MMDB 事務不再等待磁碟 I/O，這會導致大量爭用問題和死鎖，從而影響吞吐量。在 MMDB 中，需要避免這一點並比 DRDB 更加重視。
在 DRDB 中，分配是基於磁碟塊進行的。但在 MMDB 中，它應該在記憶體中進行。這會導致分配演算法的大量最佳化，從而節省空間和 CPU 週期。資料庫模組在 DRDB 的情況下與檔案管理器模組一起工作，而在 MMDB 的情況下，它與 OS IPC 抽象層一起工作。