ZB^(+)-tree:一种ZNS SSD感知的新型索引结构

ZNS SSD是近年来提出的一种新型固态硬盘(solid state drive,SSD),它以分区(Zone)的方式管理和存取SSD内的数据.相比于传统SSD,ZNS SSD可以有效提升SSD的读写吞吐,降低写放大,减少SSD的预留空间.但是,ZNS SSD要求Zone内必须采用顺序写模式,并且Zone上的空间分配、垃圾回收等任务都需要用户自行控制.ZNS SSD的这些特性对于传统数据库系统的存储管理、索引、缓存等技术均提出了新的挑战.针对如何使传统的B^(+)-tree索引结构适配ZNS SSD的问题,提出了一种ZNS SSD感知的新型索引结构——ZB^(+)-tree(ZNS-aware B^(+)-tree).ZB^(+)-tree是目前已知的首个ZNS SSD感知的索引,它以B^(+)-tree为基础,利用ZNS SSD内部支持少量随机写的常规Zone(conventional zone,Cov-Zone)和只支持顺序写的顺序Zone(sequential zone,Seq-Zone),通过常规Zone来吸收对ZNS SSD的随机写操作.ZB^(+)-tree将索引节点分散存储在常规Zone和顺序Zone中,并为2种Zone内的节点分别设计了节点结构,使ZB^(+)-tree不仅能够吸收对索引的随机写操作,而且又可以保证顺序Zone内的顺序写要求.在实验中利用null_blk和libzbd模拟ZNS SSD设备,并将现有的CoW B^(+)-tree修改后作为对比索引.结果表明,ZB^(+)-tree在运行时间、空间利用率等多个指标上均优于CoW B^(+)-tree.

B^+-Tree的改进算法在可复用软构件库中的应用

文章通过对B+-Tree索引算法的改进,将其应用到可复用软构件库中。该改进算法继承了B+-Tree的优点,结合可复用软构件库的特点,将构件库多维数据索引转化为B+-Tree一维数据索引进行存储、查询。通过对比分析,证明了该构件库索引算法大大改进了构件库中构件的查找效率。

一种新的分布式并行索引树——DPB^+-Tree

随着数据规模的增大,查询越来越复杂,分布式并行索引以其高性能而逐渐成为解决复杂查询问题的有效手段。本文提出一种适合于分布式并行的新索引树结构——DPB^+-Tree,该索引树以B^+树和 hash结构为基础,其叶子结点被组织为有n个散列表元的hash表链,从树的根结点到叶子结点,结点副本数量逐渐减少,并且其数量的变化是动态的。对DPB^+-Tree响应时间的仿真结果表明 DPB^+-Tree系统提高了系统的查询效率,与其它相关策略,如CPB方法比较具有较明显优势。

基于B^+-tree索引的多元时间序列相似查询

为提高多元时间序列相似查询执行效率,采用了基于距离索引结构的相似查询算法。利用主成分分析方法对多元时间序列数据降维并在此基础上进行聚类,以聚类质心为参考点,将各类变换到一维空间,利用B+-tree结构进行索引查询,找到与查询序列最相似的k个MTS序列。实验表明查询效率和准确性都有比较大的提高。

一种基于B^+-tree索引的有效相似查询算法

提出了一种多元时间序列相似查询算法.在距离索引结构相似查询算法的基础上,利用主成分分析方法对多元时间序列进行降维,并对主成分进行聚类,在聚类质心与各类之间的范数所构成的一维空间上,对聚类建立B+-tree索引结构,然后利用k近邻查询算法查找出与查询序列最相似的k个MTS序列.实验结果表明,文中算法的候选比率与查询时间明显低于Muse算法,且候选比率与查询时间受聚类个数影响不大,说明文中算法具有一定的优越性.

并行B^+-tree的存储结构及其操作

The techniques and methods for implementing parallel B+ -tree are firstpresented. Then, the parallel algorithms for data maintenance of B+ -tree, parallelalgorithms for maintaining schemes of the relations with parallel B+ - tree indices, and theparallel data operation algorithms based on the B+ -trees are propised. The proposedparallel B+ -trees and related parallel algorithms have been used in a parallel relationaldatabase system designed and implemented by the author. It is shown in practicethat the proposed parallel B+ -tree and algorithms are very efficient and very effective.

优化的XML查询匹配:基于B^+-Tree索引的包含段的结构化联接算法

高效的结构化联接方法是XML查询的关键。本文提出一种新颖的结构化联接方法,使用了包含段结构化XML文档树,并且使用了B^+-Tree索引技术支持该新方法,从而在基于栈的结构化联接过程中得以忽略若干时空耗费,提高处理效率。

基于DPB^+-Tree的数据迁移策略研究

提出了一种适合于数据迁移、又能保证分布并行特性的树结构DPB+-Tree,讨论了基于DPB+-Tree的数据迁移策略,其中数据节点迁移采用分布式提交协议来保证原子性,索引重构通过对溢出链的hash重排来实现,迁移算法则通过设置负载系数的两个阈值来对负载倾斜进行判断。经模拟实验结果表明,该数据迁移策略能够有效改善系统的负载均衡和吞吐率特性。

多核处理器中支持频繁访问的B^+-Tree

针对传统B+-Tree自顶向下访问模式的缺点,提出了支持频繁访问的FAB+-Tree(Frequent Access B+-Tree)。在B+-Tree的基础上增加了Hash辅助索引,使得访问B+-Tree时直接定位到叶结点,并利用基于内存的直接访问表及位矢量列表提高更新性能。同时基于共享Cache多核处理器,提出了基于流水线的FAB+-Tree多线程访问模块,并优化了该模块的共享Cache访问性能。在实验中,基于开源数据库INGRES实现了FAB+-Tree和多线程访问模块,实验结果表明B+-Tree的访问性能得到显著提高。

HyperTree:高并发B+树索引加速器

B+树是关系型数据库中用来加速查询的常用索引结构,通过构建平衡树维护关键属性的顺序.索引提升了数据库查询性能,但其严格的有序关系增加了数据库表的维护开销.特别是在大数据场景下,数据量激增使得索引查询和维序性能进一步下降.如何平衡B+树的查询和维序性能,以及在大数据场景下提升索引查询和维序的效率,对提升索引系统性能具有重要意义.由此设计了一种专用的B+树索引加速系统,对存储和计算进行协同优化,均衡提升索引查询和维序性能.利用内存突发读写高带宽的特性设计规则的树和节点存储格式以提升内存带宽利用效率,设计高效的同构计算架构和多数据通道以提升索引操作并行度.同时设计解耦合的子树结构缓解索引维护时的树读写冲突.实验结果表明,相比于CPU,B+树索引加速系统能够提升系统查询性能超过6.84倍,提升索引维序性能提升超过29.14倍.

一种wandering B+tree问题解决方法

为了应对磁盘和固态硬盘随机写和顺序写性能差异较大的问题,文件系统和块存储系统通常采用日志结构(log-structured)技术将随机写转换为顺序写.因此,对于日志结构存储系统数据和元数据的修改都以异地写的方式执行.在日志结构存储系统中,B+tree常被用于管理元数据,这就会导致wandering B+tree问题,即树结点异地更新会导致树结构递归更新.目前,现有工作主要通过分离树结点的逻辑索引和物理地址,并使用额外的数据结构和物理设备空间存放树结点逻辑索引和物理地址的映射,从而避免递归更新树结构.但现有方法既引入额外空间开销,又存在额外物理设备空间非顺序写的问题.提出IBT B+tree,将树结点逻辑索引和物理地址均存放在树结构中.同时,基于IBT B+tree结构引入dirty链表设计,并提出了非递归更新的IBT B+tree下刷算法.IBT B+tree既解决了wandering B+tree问题,又不引入额外的数据结构和物理设备空间,消除了固定物理设备空间的非顺序写.分别实现IBT B+tree和基于F2FS中NAT设计的B+tree,在此基础上设计实现Monty-Dev块存储系统以评价2棵B+tree.实验表明,在HDD和SSD介质上,IBT B+tree在写放大和下刷效率方面均优于NAT B+tree.

LI-Tree:一个基于非易失性内存和轻量级B+树的学习索引

大数据背景下剧增的数据给经典的内存索引技术带来了巨大挑战,为了实现对海量数据的高性能索引,工业界和学术界分别从设备和结构角度推出了高性能大容量的非易失型内存(Non-Volatile Memory,NVM)和受机器学习启发的学习索引(Learned Index,LI).然而目前基于NVM的学习索引结构的相关研究非常稀少,在如何结合NVM和LI来高效地索引海量数据方面还有许多问题需要解决.本文提出了一种基于NVM的新型智能索引结构LI-Tree,充分发挥了两者的优势.具体的,LI-Tree可分为三层:由机器学习模型组成的能够提高LI-Tree单点性能的模型层、由静态数组构成的减少NVM写的数据索引层和由一系列轻量级B+树组成以避免模型层插入时频繁重训练的数据层.在真实设备上评估表明,LI-Tree相比传统B+树,插入、查询和删除性能分别提高了70%、30%和130%.另外,LI-Tree与学习索引结构ALEX,PGM-Index和XIndex对比,插入性能分别提升了80%,130%和150%.

Learned Index和B-Tree在不同分布数据上的性能对比及优化

Learned Index是一种通过训练模型来建立输入数据和存储位置之间映射关系的索引,它能学习到数据间分布的信息,而不同的数据分布将影响模型训练准确率和模型复杂度之间的平衡。为了探索Learned Index适用的场景,使用不同分布、不同数据量的数据对它和加以优化的可更新的自适应学习索引(ALEX)进行性能测试,并与B-Tree进行对比,最终发现Learned Index构建大批量数据的索引时间比B-Tree短,读操作性能、存储空间大小有明显的优势,但写操作性能较差,因此得出Learned Index更适用于大数据情景下的在线分析处理(OLAP)数据库,用于静态数据的存储和查询操作的结论。基于B-Tree的索引结构,对初版Learned Index的结构进行了优化和调整,最终使优化后Learned Index在大批量数据的读写操作性能上有明显提高,其中读操作最高达到原版Learned Index的2倍,写操作最高达到原版的3倍。

面向科技文献多维语义组织的混合倒排索引构建方法

[目的/意义]为满足科研人员对科技文献内部细粒度语义信息进行高效查询的迫切需求,前期研究提出了面向科技文献的多维语义索引体系,然而基于HashMap的常见倒排索引会导致查询效率低下。本文旨在通过面向不同维度语义特征建立混合倒排索引,以改进语义查询性能。[方法/过程]本文以Treap、B+树等多种数据结构探索适合不同语义维度的倒排索引构建方法,并将其组合形成多种适用于科技文献多维语义组织的混合倒排索引构建方法,并通过对比实验,在排序查询和布尔查询条件下分析验证不同类型倒排索引构建方法的查询性能。[结果/结论]实验结果表明,组合形成的8种混合倒排索引构建方法中,表2所示的C3(HHHB)被证明在排序查询条件下具有最高的效率,而C4(TTTB)则在布尔查询条件下被证明最为高效。本文的方法能有效解决单一索引结构导致的查询效率问题。

一种集成R树、哈希表和B^*树的高效轨迹数据索引方法

为兼顾时空索引方法的空间利用率、时间效率和查询种类,提出了一种新的轨迹数据索引方法——HBSTR树。其基本思想是:轨迹采样点以轨迹节点的形式成组集中管理,哈希表用于维护移动目标的最新轨迹节点,轨迹节点满后作为叶节点插入时空R树,另外采用B*树对轨迹节点构建一维索引,既有利于提升索引创建效率,又同时满足时空条件搜索和特定目标轨迹搜索等多种查询类型。为提升时空查询效率,提出了新的时空R树评价指标和节点选择子算法改进时空R树插入算法,同时提出了一种时空R树的数据库存储方案。试验结果表明,HBSTR树在创建效率、查询效率和支持查询类型等方面综合性能优于现有方法,支持大规模实时轨迹数据库的动态更新和高效访问。

RFN-B^+树索引文件及其有效性

在对比传统的Ｂ树和Ｂ＋树的定义和操作算法的基础上，定义了一种新的Ｂ＋树：ＲＦＮ－Ｂ＋树，以获得更高的空间利用率和可用性．首先比较和分析了ＲＦＮ－Ｂ＋树与传统Ｂ＋树的空间效率，然后讨论了ＲＦＮ－Ｂ＋树索引文件的有效性以及支持这种有效性的全链接指针结构和两个备用模块：基于虚拟根结点的随机检索算法和重构结点的算法．

基于B^+树的索引字段加密

针对索引字段加密难的问题,提出一种基于B+树的索引字段加密处理技术。该技术采用DBMS内部加密机制,选取在页/段映射到块时使用加密组件对索引字段进行加密,它能够使加密后的索引仍然保持有序,不会失去索引的快速查询功能。为了进一步保证索引字段本身的安全性,对索引按结点实施加密。实验中,模拟Postgresql中B+树的构造方法,研究基于B+树的加密索引字段的查询性能,并在页结点数和B+树深度参数变化时,对分结点加密的查询性能进行测试。研究结果表明:基于B+树的索引字段加密的查询速度虽然比明文查询速度下降20%左右,但采用分结点加密方式能够有效地减少解密代价,避免索引字段加密对查询性能产生较大影响。

面向嵌入式数据库的改进B^+-树索引机制

B^+-树是数据库中常用的索引机制,它最大的优点是效率高,而最大的缺点是空间利用率较差。这对空间资源非常有限的嵌入式数据库来说影响尤为巨大。本文针对B^+-树的这个缺点,研究了一种改进B^+-树,并将改进后的B+-树索引机制成功地应用在嵌入式数据库-伯克利数据库中。这种改进B+-树索引机制不仅继承了B^+-树效率高,能同时进行随机查找和顺序查找的优点,还克服了B^+-树空间利用率较差的缺点,更提高了数据库查找记录的速度。实验结果证明了改进B^+-树索引机制比B+-树索引机制具有更高的空间利用率。

B^+树索引文件结构的优化设计

指出当普通B+树的数据块设计为定长时，数据块长度的选择具有一个最优的选取设计过程。给出了在两种数据库系统模型中，对B+树索引文件结构的优化设计：（1）在具有限量内存的数据库系统DBSLAM（DatabaseSystemswithLimitedAmountofMainMemory）模型中，只是缓存B+树中的部分结点；（2）具有极大数量内存的数据库系统DBSVLAM(DatabasesystemswithVeryLargeAmountofMainMemory)模型中，将缓存B+树中的所有结点。对于DBSLAM和DBSVLAM，分别建立了一个时间开销模型和一个时空开销模型，并以此作为系统优化的基础。

基于并行B^+-树的并行Join算法的设计、分析与实现

B＋-树是一种有效的数据库存储结构，被普遍应用于各种关系数据库系统．把B＋-树并行化，使之用于并行数据库系统显然是一项很有意义的重要工作．本文研究了适用于并行数据库的并行B＋-树存储结构，提出两类基于并行B＋-树的并行Join算法．理论和实验结果表明，这些算法效率高于其它并行Join算法．