中科大高级数据库实验二—buffer的存储与管理.docx

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高级数据库第二次试验

姓名：

张先荣 学号：

SA16225439 班级：

软件系统设计6班

一．实验目的

为了了解数据库Buffer的工作原理，对数据库底层有个更加深入的了解，实现一个简单的模拟的缓冲管理器，本次试验涉及到缓冲管理器，缓冲技术，散列技术，文件存储结构，磁盘空间等。

详细步骤如下：

（1）模拟实现一个块在磁盘和缓冲区之间的交互。

（2）要求创建一个data.dbf,然后创建存储管理器对文件的读写进行操作。

（3）建立一个缓冲区管理器与存储管理器交互、

（4）测试500000条数据库请求的txt文件，读取指定的页号到页面缓冲区，计算磁盘IO次数与命中率。

二．实验环境

硬件环境：

联想G470笔记本

内存：

8G

软件环境：

开发系统:

Windows7

开发工具：

VisualStudio2013

开发语言：

C++版本：

.NET4.5

三．实验思路

由题目描述我们可以设计出以下几个主要类：

1.File_Create类：

用来创建指定的data.dbf文件；

2.DSMgr类：

用来读写data.dbf文件，实现指定page_id的page

的读写；

3.BMgr类：

用来管理Buffer中bframe，维护数组ptof[]、ftop[]，还有对buffer空间不够用时挑选置换bframe的LRU算法；

4.BCB类：

用来维护与缓冲区Buffer关联的page信息

5.bFrame类：

定义Buffer中的bFrame，即page在缓冲区中的存在形式；

6.LRU类：

最近最少使用算法，当Buffer空间已满时用来挑选置换的bFrame，里面维护一个frameid；

这里我们先假设页面的大小为4096，缓冲区一共有1024个页面，开始在磁盘上存储了50000个页，按照目录进行存储。

然后用哈希表映射页框号到页号，页号到页框号。

如图表1所示：

图表1磁盘与内存

其中，BCB类和bFrame类按照buffer2.txt文件定义，LRU类是包含了一个LRUNode类，定义了LRU节点信息，用于维护被关联的frameID。

我们在

LRU定义双向链表，因此，在置换的时候直接从尾节点找到并删除即可。

因为我们page一共定义了50000个（pageid范围0-49999），而缓冲区大小只有1024个（frameid范围0-1023），所以pageid不能和frameid等值对应，因此需要一个哈希函数将pageid映射到一个对应的frameid，这里采取最简单的做法frameid=pageid%1024，那么在查找的时候，ptof[pageid%1024]表示已经存在的page应该存放的位置，直接去里面找；如果是新读进来的块，则更新BCB块信息，再将BCB块挂到这个位置的链表上去。

这个数组主要还是用于查找已存在的page所属的BCB块。

为实际Buffer中维护的只有1024个page，每次需要将空闲的一个

bFrame找一个出来并且读page到这个frameid的bFrame中，令ftop[frameid]

=pageid，表示当前页框号为frameid的bFrame中关联着页号为pageid的

page。

同时创建一个BCB块包含pageid和这个找到的空闲的frameid等信息，并挂到ptof[pageid%1024]的位置上去。

这种情况只适用于Buffer中的1024个bFrame还有空闲的情况。

四．实验流程

流程图如图2所示。

图表2流程图

五.实验类图

实验类如图3所示：

图表3类图

六.概要设计。

1.BufferManager,用来管理Buffer中bframe，维护数组ptof[]、ftop[]，还有对buffer空间不够用时挑选置换bframe的LRU算法.

2.DSManager,用来读写data.dbf文件，实现指定page_id的page的读写；

3.其他一些类：

4.将对应page_id的page读入到buffer中。

如果buffer已满，则需要选择换出的frame

5.设置特定bcb中的dirty值为1

七.实验结果

1.如图所示，当buffersize=1024，操作总页数是500000，此时的IO总次数是362321，命中率是27.5%，程序运行总时间是29.3s

图表4buffersize=1024

2.如图所示，当buffersize=2048，操作总页数是500000，此时的IO总次数是325001，命中率是34.9%，程序运行总时间是29.8s

图表5buffersize=2048

3.如图所示，当buffersize=5049，操作总页数是500000，此时的IO总次数是271259，命中率是45.7%，程序运行总时间是42.79s

图表6buffersize=5049

4.如图所示，当buffersize=10000，操作总页数是500000，此时的IO总次数是225925，命中率是54.8%，程序运行总时间是49.8s

图表6buffersize=10000

统计的I/O次数、命中buffer次数和命中率。

可以发现随着BufferSize

的增加，磁盘I/O数越小，命中次数越多，命中率越高。

八.详细代码

#include"BufferManager.h"#include"DSManager.h"#include"Operate.h"

#include#include#include#include

classBufferManager

{

public:

BufferManager（）;

intFixPage（intpage_id）;

NewPageFixNewPage（bFramebuf[]）;//NewPageintUnfixPage（intpage_id）;

intNumFreeFrames（）;intSelectVictim（）;intHash（intpage_id）;

voidRemoveBCB（BCB*ptr,intpage_id）;voidRemoveLRUEle（intfrid）;

voidSetDirty（intframe_id）;voidUnsetDirty（intframe_id）;voidWriteDirtys（）;

boolFindFrame（intpage_id）;voidPrintFrame（intframe_id）;

voidcalcLRUList（BCB*ptr,intfrid）;intftop[DEFBUFSIZE];

BCB*ptof[DEFBUFSIZE];

bFramebuf[DEFBUFSIZE];

};

classDSManager

{

public:

DSManager（）;

intOpenFile（stringfilename）;intCloseFile（）;

bFrameReadPage（intpage_id）;

intWritePage（intpage_id,bFramefrm）;intSeek（intoffset,intpos）;

FILE*GetFile（）;voidIncNumPages（）;intGetNumPages（）;

voidSetUse（intindex,intuse_bit）;intGetUse（intindex）;

private:

FILE*file;intnumPages;

intpages[MAXPAGES];

};

#pragmaonce

#defineDEFBUFSIZE2048

#defineFRAMESIZE4096

#defineMAXPAGES 100000

#defineCOUNT500000structbFrame{

charfield[FRAMESIZE];

};

structNewPage{

intpage_id;intframe_id;

};

structBCB{

BCB（）;

intpage_id;intframe_id;intlatch;intcount;intftime;intstime;intdirty;BCB*next;

};

structLRUEle{

LRUEle（）;

intfid;

doubleb2dtime;LRUEle*less_recent;LRUEle*more_recent;

};

classOperate

{

public:

Operate（void）;

~Operate（void）;

};

#pragmaonce

#include"BufferManager.h"#include"DSManager.h"#include#include

#include#includeusingnamespacestd;

DSManagerds;

BufferManagerbm;

LRUEle*lru;

LRUEle*mru;

BufferManager:

:

BufferManager（）

{

inti=0;

for（i=0;i

{

ptof[i]=NULL;//初始化BCB数组

ftop[i]=-1;

}

ds.OpenFile（"data.dbf"）;

}

intBufferManager:

:

FixPage（intpage_id）

{

intfid=-1;

intframe_id=Hash（page_id）;BCB*bcb=ptof[frame_id];while（bcb!

=NULL）

{

if（bcb->page_id==page_id）

{

break;

}

bcb=bcb->next;

}

if（bcb!

=NULL）

{

if（bcb->stime!

=-1）

{

bcb->ftime=bcb->stime;

}

}

else

{

calcLRUList（bcb,bcb->frame_id）;returnbcb->frame_id;

bcb=ptof[frame_id];fid=SelectVictim（）;

buf[f