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论文阅读 - LB+Tree:面向3DXPoint优化的B+Tree

2020年05月10日 数据库 暂无评论 阅读 31 次

 

《LB+Trees: Optimizing Persistent Index Performance on 3DXPoint Memory》(VLDB20')

 

这是个设计非常巧妙的数据结构,这里简单描述下核心内容,读者可以直接读原文,行文非常清晰。

 

Abstract

3DXPoint的有些硬件特性,跟常规NVM差不多:

  1. 3DXPoint的访存粒度是64字节Cache Line
  2. 3DXPoint比DRAM慢2倍,比SSD快几个数量级
  3. 3DXPoint的写比读慢
  4. 使用clwb/sfence等特殊指令将数据从CPU Cache持久化到3DXPoint会导致一个数量级的降低

 

3DXPoint的一些独有的特性:

  1. 一个cache line里面写一个word还是多个word不影响写性能,但写多个line比写一个line性能差。
  2. 3DXPoint内部数据带宽是256字节
  3. 访存局部性:访问数据多的时候,性能会下降,3DXPoint内部应该还有一层自己的cache。

 

LB+Tree的三个性能提升方法:

  1. Entry Moving:尽量让节点的第一个cache line空出来。
  2. Logless node split:使用NAW原子写来实现logless的节点分裂
  3. Distributed headers:对于multi-256B的节点,传统方式是将header放到整个节点的头部,LB+tree是将header分散到每个256B block上。

 

Background

安装

两种安装3DXPoint的方式

Memory Mode:将DRAM视为3DXPoint的缓存。好处是应用不需要修改,坏处是DRAM不支持持久化,再就是从3DXPoint load数据慢,

App-direct Mode:在3DXPoint上安装文件系统,使用PMDK将3DXPoint的文件mmap到进程虚拟地址空间,OS访问3DXPoint要绕过page cache。

 

指令

persist op = clwb + sfence

clwb: Cache Line Write Back 将cache line数据写回内存。

sfence: store fence,此指令前的所有store指令对其他CPU可见。

 

持久化

四种持久化的模式:

  1. logging:WAL,记录<地址、旧值、新值>
  2. shadowing:COW方式
  3. PMwCAS:多字的CAS指令
  4. NVM atomic writes(NAW)

 

NAW

8字节刷NVM是原子的。

NAW SECTION

是指代码段(类似于critical section),如果本次写请求只涉及一个used line和多个空闲line,那么先在空闲line操作,然后执行一组clwb和一个sfence来持久化used line。

这样的操作是可以保证原子的,这个结论称为NAW SECTION PERSISTENCE。

如果是多个状态D1,D2...Dk要改,基本上就是类似于2PC的方式。D1上用一个比特ongoing表示多个状态切换是否完成,然后D2..Dk需要将各自的状态切为可提交可回滚的状态,然后用NAW改掉ongoing比特。

 

已有的NVM上B+树优化

几个优化思路:

  1. 内存B+树需要注意cache friendly
  2. 叶子节点上key可以乱序,使用bitmap来指示空槽,乱序可以减少数据移动
  3. 叶节点里面key乱序,但提供一个有序的间接数组来支持二分查找
  4. 非叶子节点存放在DRAM上

 

3DXPoint上程序设计原则

  1. 降低写的line数目,而不是降低写的line内word数目
  2. 节点大小设为256字节的倍数
  3. 避免使用log,用NAW

 

LB+Tree设计

结构:

LB+Tree使用了HTM,HTM事务内不能使用clwb之类的指令,因为HTM靠缓存本地CPU修改来实现原子性。LB+Tree用lock比特来解决这个问题。

 

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不涉及node分裂合并。只改bitmap即可。所以只用一个NAW就能实现。

 

降低insert开销

基于 '一个cache line里面写一个word还是多个word不影响写性能,但写多个line比写一个line性能差' 的特性,因为每次插入必须要改header,所以尽量将新key插入line 0。如图5,insert 3的时候,将line 0腾出来。

 

logless节点分裂

 

Multi-256B节点

alt除了指示S0/S1,同时还指示了2~m的H0/H1,这m-1个H0/H1的切换是一体切换的。

 

 

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