信也のブログ

MYDB 5. ページインデックスとDMの実装

11 min

本章で扱うコードはすべて backend/dm/pageIndex、backend/dm/dataItem、および backend/dm にあります。

はじめに

本節では DM 層の締めくくりとして、シンプルなページインデックスの実装を紹介します。また、DM 層が上位に提供する抽象である DataItem の実装も行います。

ページインデックス

ページインデックスは各ページの空きスペースをキャッシュしています。これにより、上位モジュールが挿入操作を行う際に、ディスクやキャッシュからすべてのページ情報を調べることなく、適切な空きスペースを持つページを素早く見つけることが可能です。

MYDB では比較的粗いアルゴリズムでページインデックスを実装しており、1 ページの空間を 40 の区間に分割しています。起動時にすべてのページ情報を走査し、ページの空きスペースを取得してこれら 40 区間に振り分けます。挿入時は要求された空きスペースを切り上げて該当区間にマッピングし、その区間の任意のページを取り出せば要件を満たします。

PageIndex の実装も非常にシンプルで、List 型の配列として表現されています。

public class PageIndex {
    // 1 ページを 40 区間に分割
    private static final int INTERVALS_NO = 40;
    private static final int THRESHOLD = PageCache.PAGE_SIZE / INTERVALS_NO;

    private List[] lists;
}

PageIndex からページを取得するのも簡単で、区間番号を計算して直接取得します：

public PageInfo select(int spaceSize) {
    int number = spaceSize / THRESHOLD;
    if(number < INTERVALS_NO) number ++;
    while(number <= INTERVALS_NO) {
        if(lists[number].size() == 0) {
            number ++;
            continue;
        }
        return lists[number].remove(0);
    }
    return null;
}

返される PageInfo にはページ番号と空きスペースの大きさが含まれます。

選択されたページは PageIndex から直接削除されるため、同一ページへの同時書き込みは許されません。上位モジュールがこのページを使い終わった後は、再び PageIndex に戻す必要があります：

public void add(int pgno, int freeSpace) {
    int number = freeSpace / THRESHOLD;
    lists[number].add(new PageInfo(pgno, freeSpace));
}

DataManager が生成される際には、すべてのページを取得して PageIndex を埋める必要があります：

// pageIndex の初期化
void fillPageIndex() {
    int pageNumber = pc.getPageNumber();
    for(int i = 2; i <= pageNumber; i ++) {
        Page pg = null;
        try {
            pg = pc.getPage(i);
        } catch (Exception e) {
            Panic.panic(e);
        }
        pIndex.add(pg.getPageNumber(), PageX.getFreeSpace(pg));
        pg.release();
    }
}

Page を使い終わったら速やかに release することが重要です。そうしないとキャッシュが溢れてしまう恐れがあります。

DataItem

DataItem は DM 層が上位に提供するデータの抽象です。上位モジュールはアドレスを通じて DM に対応する DataItem を要求し、その中のデータを取得します。

DataItem の実装は非常にシンプルです：

public class DataItemImpl implements DataItem {
    private SubArray raw;
    private byte[] oldRaw;
    private DataManagerImpl dm;
    private long uid;
    private Page pg;
}

dm の参照を保持するのは、DataItem の解放が dm の解放に依存していること（dm は DataItem のキャッシュも実装しているため）や、データ変更時のログ記録のためです。

DataItem 内に保存されるデータ構造は以下の通りです：

[ValidFlag] [DataSize] [Data]

ValidFlag は 1 バイトで、その DataItem が有効かどうかを示します。DataItem を削除する際は、この有効フラグを 0 に設定するだけで済みます。DataSize は 2 バイトで、その後に続く Data の長さを示します。

上位モジュールは DataItem を取得後、data() メソッドを通じてデータを得ます。このメソッドが返す配列はコピーではなく共有された配列であるため、SubArray を用いています。

@Override
public SubArray data() {
    return new SubArray(raw.raw, raw.start+OF_DATA, raw.end);
}

上位モジュールが DataItem を変更しようとする場合、一定の手順に従う必要があります。変更前に before()を呼び、変更を取り消したい場合はunBefore()を呼び、変更完了後はafter() を呼びます。この一連の流れは変更前のデータを保存し、適切にログを残すためのものです。DM は DataItem への変更が原子性を持つことを保証します。

@Override
public void before() {
    wLock.lock();
    pg.setDirty(true);
    System.arraycopy(raw.raw, raw.start, oldRaw, 0, oldRaw.length);
}

@Override
public void unBefore() {
    System.arraycopy(oldRaw, 0, raw.raw, raw.start, oldRaw.length);
    wLock.unlock();
}

@Override
public void after(long xid) {
    dm.logDataItem(xid, this);
    wLock.unlock();
}

after() メソッドは主に dm のメソッドを呼び出して変更操作のログを記録します。詳細は省略します。

DataItem を使い終わったら、速やかに release() を呼び出してキャッシュを解放する必要があります（DM が DataItem をキャッシュしているため）。

@Override
public void release() {
    dm.releaseDataItem(this);
}

DM の実装

DataManager は DM 層が直接外部に提供するクラスであり、同時に DataItem オブジェクトのキャッシュも実装しています。DataItem のキーはページ番号とページ内オフセットからなる 8 バイトの符号なし整数で、ページ番号とオフセットはそれぞれ 4 バイトずつです。

DataItem キャッシュの getForCache() はキーからページ番号を解析し、pageCache からページを取得し、オフセットに基づいて DataItem を解析して返します：

@Override
protected DataItem getForCache(long uid) throws Exception {
    short offset = (short)(uid & ((1L << 16) - 1));
    uid >>>= 32;
    int pgno = (int)(uid & ((1L << 32) - 1));
    Page pg = pc.getPage(pgno);
    return DataItem.parseDataItem(pg, offset, this);
}

DataItem キャッシュの解放は DataItem をデータソースに書き戻す必要があり、ファイルの読み書きはページ単位で行われるため、DataItem が属するページを release すれば十分です：

@Override
protected void releaseForCache(DataItem di) {
    di.page().release();
}

既存ファイルから DataManager を作成する場合と空ファイルから作成する場合では若干の違いがあります。PageCache や Logger の生成方法が異なるほか、空ファイルから作成する際は最初のページの初期化が必要で、既存ファイルから開く場合は最初のページの検証を行い、リカバリが必要かどうかを判断します。また最初のページのランダムバイトを再生成します。

public static DataManager create(String path, long mem, TransactionManager tm) {
    PageCache pc = PageCache.create(path, mem);
    Logger lg = Logger.create(path);
    DataManagerImpl dm = new DataManagerImpl(pc, lg, tm);
    dm.initPageOne();
    return dm;
}

public static DataManager open(String path, long mem, TransactionManager tm) {
    PageCache pc = PageCache.open(path, mem);
    Logger lg = Logger.open(path);
    DataManagerImpl dm = new DataManagerImpl(pc, lg, tm);
    if(!dm.loadCheckPageOne()) {
        Recover.recover(tm, lg, pc);
    }
    dm.fillPageIndex();
    PageOne.setVcOpen(dm.pageOne);
    dm.pc.flushPage(dm.pageOne);
    return dm;
}

最初のページの初期化や検証は基本的に PageOne クラスのメソッドで実装されています：

// ファイル作成時に PageOne を初期化
void initPageOne() {
    int pgno = pc.newPage(PageOne.InitRaw());
    assert pgno == 1;
    try {
        pageOne = pc.getPage(pgno);
    } catch (Exception e) {
        Panic.panic(e);
    }
    pc.flushPage(pageOne);
}

// 既存ファイルを開く際に PageOne を読み込み、正当性を検証
boolean loadCheckPageOne() {
    try {
        pageOne = pc.getPage(1);
    } catch (Exception e) {
        Panic.panic(e);
    }
    return PageOne.checkVc(pageOne);
}

DM 層は上位に対して読み込み、挿入、変更の 3 つの機能を提供します。変更は読み出した DataItem を通じて行うため、DataManager は read()とinsert() メソッドを提供すれば十分です。

read() は UID からキャッシュ経由で DataItem を取得し、有効フラグを検証します：

@Override
public DataItem read(long uid) throws Exception {
    DataItemImpl di = (DataItemImpl)super.get(uid);
    if(!di.isValid()) {
        di.release();
        return null;
    }
    return di;
}

insert() メソッドは pageIndex から挿入データを格納可能なページを取得し、ページを得た後はまず挿入ログを書き込み、その後 pageX を使ってデータを挿入し、挿入位置のオフセットを返します。最後にページ情報を pageIndex に再登録します。

@Override
public long insert(long xid, byte[] data) throws Exception {
    byte[] raw = DataItem.wrapDataItemRaw(data);
    if(raw.length > PageX.MAX_FREE_SPACE) {
        throw Error.DataTooLargeException;
    }

    // 利用可能なページを取得試行
    PageInfo pi = null;
    for(int i = 0; i < 5; i ++) {
        pi = pIndex.select(raw.length);
        if (pi != null) {
            break;
        } else {
            int newPgno = pc.newPage(PageX.initRaw());
            pIndex.add(newPgno, PageX.MAX_FREE_SPACE);
        }
    }
    if(pi == null) {
        throw Error.DatabaseBusyException;
    }

    Page pg = null;
    int freeSpace = 0;
    try {

@Override
public long insert(long xid, byte[] data) throws Exception {
    byte[] raw = DataItem.wrapDataItemRaw(data);
    if(raw.length > PageX.MAX_FREE_SPACE) {
        throw Error.DataTooLargeException;
    }

    // 利用可能なページを取得試行
    PageInfo pi = null;
    for(int i = 0; i < 5; i ++) {
        pi = pIndex.select(raw.length);
        if (pi != null) {
            break;
        } else {
            int newPgno = pc.newPage(PageX.initRaw());
            pIndex.add(newPgno, PageX.MAX_FREE_SPACE);
        }
    }
    if(pi == null) {
        throw Error.DatabaseBusyException;
    }

    Page pg = null;
    int freeSpace = 0;
    try {
        pg = pc.getPage(pi.pgno);
        // まずログを書き込む
        byte[] log = Recover.insertLog(xid, pg, raw);
        logger.log(log);
        // 次に挿入操作を実行
        short offset = PageX.insert(pg, raw);

        pg.release();
        return Types.addressToUid(pi.pgno, offset);

    } finally {
        // 取得したページを pageIndex に再登録
        if(pg != null) {
            pIndex.add(pi.pgno, PageX.getFreeSpace(pg));
        } else {
            pIndex.add(pi.pgno, freeSpace);
        }
    }
}

DataManager を正常に閉じる際は、キャッシュとログのクローズ処理を行い、最初のページのバイト検証を設定することを忘れてはいけません：

@Override
public void close() {
    super.close();
    logger.close();

    PageOne.setVcClose(pageOne);
    pageOne.release();
    pc.close();
}

以上で DM 層の説明は終わりです。

今日は 2021 年 12 月 11 日、A-SOUL の 1 周年記念ライブです。A-SOUL の 1 周年おめでとうございます！これからも 2 周年、3 周年、10 周年と続きますように！鳥の巣（北京国家体育場）で会いましょう！！！

私たちは、ASOUL！

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