并行数据库技术

本文摘自博客园的博文，该文详细地介绍了并行数据的知识，特转载到这里。

1.并行数据库的体系结构

并行机的出现，催生了并行数据库的出现，不对，应该是关系运算本来就是高度可并行的。对数据库系统性能的度量主要有两种方式：

(1)吞吐量(Throughput)，在给定的时间段里所能完成的任务数量；

(2)响应时间(Response time)，单个任务从提交到完成所需要的时间。

对于处理大量小事务的系统，通过并行地处理许多事务可以提高它的吞吐量。对于处理大事务的系统，通过并行的执行事务的子任务，可以缩短系统晌应时间。

并行机有三种基本的体系结构，相应的，并行数据库的体系结构也可以大概分为三类：

 共享内存(share memeory)：所有处理器共享一个公共的存储器；（如图1所示）

 共享磁盘(share disk)：所有处理器共享公共的磁盘；这种结构有时又叫做集群(cluster)；（如图2所示）

 无共享(share nothing)：所有处理器既不共享内存，也不共享磁盘。（如图3所示）

如图所示：

（1）、 共享内存

该结构包括多个处理器、一个全局共享的内存（主存储器）和多个磁盘存储，各个处理器通过高速通讯网络（Interconnection Network）与共享内存连接，并均可直接访问系统中的一个、多个或全部的磁盘存储，在系统中，所有的内存和磁盘存储均由多个处理器共享。

这种结构的优点在于，处理器之间的通信效率极高，访问内存的速度要比消息通信机制要快很多。这种结构的缺点在于，处理器的规模不能超过32个或者64个，因为总线或互边网络是由所有的处理器共享，它会变成瓶颈。当处理器数量到达某一个点时，再增加处理器已经没有什么好处。

共享内存结构通常在每个处理器上有很大的高速缓存，从而减少对内存的访问。但是，这些高速缓存必须保持一致，也就是缓存一致性(cache-coherency)的问题。

（2）、 共享磁盘

该结构由多个具有独立内存（主存储器）的处理器和多个磁盘存储构成，各个处理器相互之间没有任何直接的信息和数据的交换，多个处理器和磁盘存储由高速通信网络连接，每个处理器都可以读写全部的磁盘存储。

共享磁盘与共享内存结构相比，有以下一些优点：

(1)每个处理器都有自己的存储器，存储总线不再是瓶颈；

(2)以一种较经济的方式提供了容错性(fault tolerence)，如果一个处器发生故障，其它处理器可以代替工作。

该结构的主要问题不是在于可扩展性问题，虽然存储总线不是瓶颈，但是，与磁盘之间的连接又成了瓶颈。

运行Rdb的DEC集群是共享磁盘的体系结构的早期商用化产品之一(DEC后来被Compaq公司收购，再后来，Oracle又从Compaq手中取得Rdb，发展成现在的Oracle RAC)。

（3）、 无共享

该结构由多个完全独立的处理节点构成，每个处理节点具有自己独立的处理器、独立的内存（主存储器）和独立的磁盘存储，多个处理节点在处理器级由高速通信网络连接，系统中的各个处理器使用自己的内存独立地处理自己的数据。

这 种结构中，每一个处理节点就是一个小型的数据库系统，多个节点一起构成整个的分布式的并行数据库系统。由于每个处理器使用自己的资源处理自己的数据，不存 在内存和磁盘的争用，提高的整体性能。另外这种结构具有优良的可扩展性——只需增加额外的处理节点，就可以以接近线性的比例增加系统的处理能力。

这种结构中，由于数据是各个处理器私有的，因此系统中数据的分布就需要特殊的处理，以尽量保证系统中各个节点的负载基本平衡，但在目前的数据库领域，这个数据分布问题已经有比较合理的解决方案。
由于数据是分布在各个处理节点上的，因此，使用这种结构的并行数据库系统，在扩展时不可避免地会导致数据在整个系统范围内的重分布（Re-Distribution）问题。

Shared-Nothing结构的典型代表是Teradata(并行数据库的先驱)，值得一提的是，MySQL NDB Cluster也使用了这种结构。

2、I/O并行(I/O Parallelism)

I/O并行的最简单形式是通过对关系划分，放置到多个磁盘上来缩减从磁盘读取关系的时间。并行数据库中数据划分最通用的形式是水平划分(horizontal portioning)，一个关系中的元组被划分到多个磁盘。

（1）、常用划分技术

假定将数据划分到n个磁盘D0，D1，…，Dn中。

(1) 轮转法(round-bin)。对关系顺序扫描，将第i个元组存储到标号为Di%n的磁盘上；该方式保证了元组在多个磁盘上均匀分布。

(2) 散列划分(hash partion)。选定一个值域为{0, 1, …,n-1}的散列函数，对关系中的元组基于划分属性进行散列。如果散列函数返回i，则将其存储到第i个磁盘。

(3) 范围划分(range partion)。

由于将关系存储到多个磁盘，读写时能同时进行，划分(partion)能大大提高系统的读写性能。数据的存取可以分为以下几类：

1) 扫描整个关系；

2) 点查询(point query)，如name = “hustcat”；

3) 范围查询(range query)，如 20 < age < 30。

不同的划分技术，对这些存取类型的效率是不同的：

 轮转法适合顺序扫描关系，对点查询和范围查询的处理较复杂。

 散列划分特别适合点查询，速度最快。

 范围划分对点查询、范围查询以及顺序扫描都支持较好，所以适用性很广。但是，这种方式存在一个问题——执行偏斜(execution skew)，也就是说某些范围的元组较多，使得大量的I/O出现在某几个磁盘。

3、查询间并行(interquery parallism)

查询间并行指的是不同的查询或事务间并行的执行。这种形式的并行可以提高事务的吞吐量，然而，单个事务并不能执行得更快(即响应时间不能减少)。查询间的并行主要用于扩展事务处理系统，在单位时间内能够处理更多的事务。

查询间并行是数据库系统最易实现的一种并行，在共享内存的并行系统(如SMP)中尤其这样。为单处理器设计的数据库系统可以不用修改，或者很少修改就能用到共享内存的体系结构。

在共享磁盘和无共享的体系结构中，实现查询间并行要更复杂一些。各个处理需要协调来进行封锁、日志操作等等，这就需要处理器之间的传递消息。并行数据库系统必须保证两个处理器不会同时更新同一数据。而且，处理器访问数据时，系统必须保证处理器缓存的数据是最新的数据，即缓存一致性问题。

4、查询内并行(intraquery parallism)

查询内并行是指单个查询要在多个处理器和磁盘上同时进行。为了理解，来考虑一个对某关系进行排序的查询。假设关系已经基于某个属性进行了范围划分，存储于多个磁盘上，并且划分是基于划分属性的。则排序操作可以如下进行：对每个分区并行的排序，然后将各个已经有序的分区合并到一起。

单个查询的执行可以有两种并行方式：

(1) 操作内并行(Intraoperation parallism)：通过并行的执行每一个运算，如排序、选择、连接等，来加快一个查询的处理速度。

(2) 操作间并行(Interoperation parallism)：通过并行的执行一个查询中的多个不同的运算，来加速度一个查询的处理速度。

注意两者间的区别，前者可以认为多个处理器同时执行一个运算，而后者是多个处理器同时执行不同的运算。

这两种形式之间的并行是互相补充的，并且可以同时存在于一个查询中。通常由于一个查询中的运算数目相对于元组数目是较小的，所以当并行度增加时，第一种方式取得的效果更显著。