主内存数据库系统设计/MMDB概述
第3章：主内存数据库系统简介
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许多应用程序，如电信、过程控制、航空预订、股票市场等，都需要实时访问数据。除了维护数据一致性外，这些应用程序还需要对访问数据库的事务进行及时响应。主内存数据库，随着大容量廉价内存的普及而变得可行，可以提供比基于磁盘的数据库系统更好的性能和一致的吞吐量。由于数据永久驻留在主内存中，它不会涉及任何影响吞吐量的磁盘 I/O。实际上，对于基于磁盘的系统，吞吐量的标准偏差将非常大，实时应用程序将无法针对这种不可预测的吞吐量进行基准测试。这导致了一种新型的数据库管理系统的发展，称为主内存数据库 (MMDB) 系统。它也被称为“内存数据库 (IMDB) 管理系统”和“实时数据库 (RTDB) 管理系统”。
由于这种类型的数据库管理系统的基本底层假设发生了变化，因此导致了对传统基于磁盘的管理系统的存储、关系和 SQL 引擎的每个组件的研究和设计。
一次磁盘块传输大约需要 5 毫秒，而主内存访问需要 100 纳秒。通过将整个数据库保留在内存中，这些磁盘 I/O 被转换为内存访问，从而使吞吐量提高了数倍。这引发了一个有趣的问题：“如果在 DRDB 中所有数据都被缓存在缓冲池中，那么它们的性能会与 MMDB 一样好吗？”不幸的是，答案是否定的。这是因为数据结构和访问算法是为基于磁盘的系统设计的，当整个数据库完全在内存中时无法正常工作。关于主内存数据库，有一些常见的误解。
它们支持持久事务吗？
是的。尽管整个数据库都在主内存中，但备份副本存储在磁盘中，以在发生崩溃的情况下启用恢复。
多个用户可以同时访问数据库吗？
是的。多个用户和多个线程可以访问数据库，并通过闩锁和锁进行同步。
数据在主内存中的驻留对以下方面具有重要影响：
- 数据表示
- 数据访问算法 - 查询处理
- 恢复
- 并发控制
本书将更详细地讨论 DRDB 和 MMDB 实现之间的差异，以及 MMDB 如何比 DRDB 快得多。
图 4 描述了主内存数据库管理系统。它几乎包含所有存在于磁盘驻留数据库管理系统中的组件。SQL 引擎、关系引擎和存储引擎下的组件实现与 DRDB 组件有很大不同。
图 4：MMDB 系统架构
在 MMDB 的情况下，对应于数据库的物理实体是共享内存段或内存映射文件。这些进程间通信 (IPC) 机制允许在进程之间共享内存。有一些 JAVA 嵌入式主内存数据库只需要多线程访问。这些 DBMS 使用堆内存作为数据库。对于多进程访问，我们应该使用共享内存 IPC 或内存映射 IPC 机制。通常，控制信息与数据记录分开存储，以避免控制信息的损坏。
内存分为三个主要段。
控制段包含锁表、进程表、事务表、撤销日志和重做日志。这些结构是短暂的，是数据库管理系统操作所必需的。
目录段包含有关表、索引、字段等的元数据。
用户段包含所有表的记录和这些表的索引记录（如果有）。
在 MMDB 的情况下，SQL 语句的优化和执行发生了巨大变化。基于成本的优化主要基于磁盘 I/O 的数量，而不是 CPU 周期。这些基于成本的优化是整个 DBMS 中最复杂的系统。DRDB 使用基于成本和基于规则的优化器。但在 MMDB 的情况下，基于规则的优化器就足够了。
当我们不需要使用两遍算法来实现操作时，所有关系操作算法都会发生变化。此外，在 DRDB 的情况下，当我们执行第一遍时，我们会将所有字段的数据从磁盘复制到内存。在 MMDB 的情况下，我们将使用指针间接寻址，并避免数据复制和磁盘 I/O。
对于 MMDB，T-Tree 索引结构在空间和 CPU 周期方面优于 DRDB 的 B-Tree。
由于 MMDB 事务不再等待磁盘 I/O，这会导致大量争用问题和死锁，从而影响吞吐量。在 MMDB 中，需要避免这一点并比 DRDB 更加重视。
在 DRDB 中，分配是基于磁盘块进行的。但在 MMDB 中，它应该在内存中进行。这会导致分配算法的大量优化，从而节省空间和 CPU 周期。数据库模块在 DRDB 的情况下与文件管理器模块一起工作，而在 MMDB 的情况下，它与 OS IPC 抽象层一起工作。