2022 CMU15-445 Project 1 Buffer Pool

通过截图

Task #1 - Extendible Hash Table

该 task 的知识点名为 可扩展动态散列
https://cloud.tencent.com/developer/article/1020586
这个部分要实现一个 extendible 哈希表，内部不可以用 built-in 的哈希表，比如 unordered_map。这个哈希表在 Buffer Pool Manager 中主要用来存储 buffer pool 中 page id 和 frame id 的映射关系。
这里的算法我在课上没听懂太多，感觉给的图不是特别清晰，项目中给的 IndexOf函数，是根据低位来进行判断。

须知

要完成这个 task 首先要明确 可拓展散列 的概念，其中有 几 个关键名词，目录，桶，全局位深度和局部位深度，

1. 首先是目录，目录就是存放着桶指针的表，和一些元信息，可以看作为中控台。
2. 桶，就是用来存放数据的。
3. 全局位深度，这里写作 G ,可以看作目录中最多有 2 的 G 次方个桶。
4. 局部位深度，这里写作 L ,是桶特有的，每个桶独自保存一个 L，这代表该桶中元素的 key 的哈希值的后 L 位是相等的，后面主要用于桶的分裂，这里没有概念很正常。

这里就讲一个该 task 中最难实现的方法，插入：

1. 首先，初始深度为0，你哈希后取 index 只能为0
2. 接着插入 2 个，桶的大小在项目中是有规定的，故这里取2来讲。

3. 再插入第三个时，桶满了，此时 L == G，则采用这种策略

这里解释一下兄弟项，其实就是目录翻倍后，多出来的一倍，和原来的一倍按顺序一一对应即可，至于原理则是，翻倍后，这2部分的索引的二进制表达的第 G 位，分别为 1 ，0.（下图中便有）

4. 之后若有情况如，L < G 的 如下图中b桶如果要接着插入：

则说明存在指向相同的桶，此时不需要更新 G，只需要更新 L 并将兄弟项指向的桶进行新建，再进行 kv 重排列便可

代码

void ExtendibleHashTable<K, V>::Insert(const K &key, const V &value) {
  std::scoped_lock<std::mutex> lock(latch_);
  // 先保存着 ，待会随着深度变化，再次调用结果可能会不一致
  auto index = IndexOf(key);
  auto bucket = dir_[index];
  // 有剩余空间则直接插入
  if (bucket->Insert(key, value)) {
    // 这里是唯一正确的出口
    return;
  }
  // 开始重整
  // 若局部深度等于全局深度，则更新全局深度与目录容量
  if (bucket->GetDepth() == GetGlobalDepthInternal()) {
    size_t len = dir_.size();
    dir_.reserve(2 * len);
    std::copy_n(dir_.begin(), len, std::back_inserter(dir_));
    global_depth_++;
  }
  // 莫名其妙到这里 item 失效了 原来是 vec 的自动扩容，导致本来的地址不能用了要重新获取 bucket, index
  // 也会变，要用之前的
  bucket = dir_[index];
  // 若局部深度小于全局深度，则更新局部深度并拿个新 Bucket 用
  if (bucket->GetDepth() < GetGlobalDepthInternal()) {
    // 开始分裂
    auto bucket0 = std::make_shared<Bucket>(bucket_size_, bucket->GetDepth() + 1);
    auto bucket1 = std::make_shared<Bucket>(bucket_size_, bucket->GetDepth() + 1);
    num_buckets_++;
    // 点睛之笔 比如 当前深度为 1，你不可能 把 1 左移 1位去判别兄弟节点，你应该把有效位的最后一位拿来
    int mask = 1 << bucket->GetDepth();
    for (auto &[k, v] : bucket->GetItems()) {
      size_t hashkey = std::hash<K>()(k);
      // 根据本地深度表示的有效位最后一位判别，若为 1，插入新建的那个bucket
      if ((hashkey & mask) != 0) {
        bucket1->Insert(k, v);
      } else {
        // 根据本地深度表示的有效位最后一位判别，若为 0，插入原有的 bucket
        bucket0->Insert(k, v);
      }
    }
    // 减少不必要的遍历，从前一位的大小开始，若是 0 则从 0 开始 ，若是 1 ，则可以节省很多，兄弟节点这一位肯定是一样的
    for (size_t i = index & mask - 1; i < dir_.size(); i += mask) {
      // 根据本地深度表示的有效位最后一位判别，若为 1，取代新建的那个bucket
      if ((i & mask) != 0) {
        dir_[i] = bucket1;
      } else {
        // 根据本地深度表示的有效位最后一位判别，若为 0，取代原有的 bucket
        dir_[i] = bucket0;
      }
    }
    latch_.unlock();
    // 递归插入本来要插入的值
    Insert(key, value);
    latch_.lock();
  }
}

这里讲我卡很久的一个点

1. Insert 的时候先找是否已存在 若存在直接覆盖值就好了 就是因为顺序错了导致线上测试才没过

Task #2 - LRU-K Replacement Policy

该 task 的知识点名为 LRU-K算法
https://blog.csdn.net/love254443233/article/details/82598381
这个部分要实现一个 LRU-K 替换器，比刚刚简单多了，看懂了上面文章，另外再替换策略上加一层：先排除用的最少的缓存，缓存一样便排除最久未使用的缓存，这里意味着可能要用时间戳。测试后发现只要移动队列中元素位置便可，无需时间戳。历史队列和缓存队列我都采取了 list结构进行实现，因为好进行二次排序，再使用 hashmap 来进行 o(1) 的查找。
以下展示部分代码：

void LRUKReplacer::RecordAccess(frame_id_t frame_id) {
  std::lock_guard<std::mutex> lock_guard(latch_);
  BUSTUB_ASSERT((size_t)frame_id <= replacer_size_, true);
  size_t new_times = ++map_[frame_id].times_;
  // 新元素
  if (new_times == 1) {
    // std::cout << "插入frame " << frame_id << " count: " << map_[frame_id].times_ << std::endl;
    history_list_.emplace_front(frame_id);
    map_[frame_id].pos_ = history_list_.begin();
  } else {
    if (new_times == k_) {
      history_list_.erase(map_[frame_id].pos_);
      cach_list_.emplace_front(frame_id);
      // 更新索引
      map_[frame_id].pos_ = cach_list_.begin();
    } else if (new_times > k_) {
      // 已在缓存队列，更新位置
      cach_list_.erase(map_[frame_id].pos_);
      cach_list_.emplace_front(frame_id);
      // 更新索引
      map_[frame_id].pos_ = cach_list_.begin();
    }
  }
}

这里也讲一个卡了我很久的点

• RecordAccess时达到k_ 次，放入缓存队列 ，记住若小于 k_ 次，访问不会改变位置，按第一次来，因为这个所以才通不过在线测试，且缓存的evictable_应该初始化为false, 否则影响测评

Task #3 - Buffer Pool Manager Instance

该 task 的知识点名为 Buffer Pool Manager
该 task 概念比较容易，就讲一下我卡住的几个点

1. 当你实现 FetchPgImp时，记住，若返回已经存在的 frame 中 page 时，也要记得将 将Evictable设置为 false
2. UnpinPgImp中关于修改 is_dirty部分，只能从 false -> true 修改，true->false 只能写回后才能修改
3. FlushPgImp函数不需要管 is_dirty直接写回，然后更新信息
4. 当你进入一个函数时，一定要做完所有工作再交出锁，否则你永远不知道抢到该锁的是不是你想交给的那个函数。

以下展示部分代码：

// 该函数 NewPgImp 和 FetchPgImp 都用得到
auto BufferPoolManagerInstance::GetFrame(frame_id_t *frame_id) -> bool {
  frame_id_t fid;
  if (!free_list_.empty()) {
    fid = free_list_.front();
    free_list_.pop_front();
    *frame_id = fid;
    return true;
  }
  if (replacer_->Evict(&fid)) {
    // std::cout << "Evict page: " << pages_[fid].GetPageId()<< std::endl;
    if (pages_[fid].IsDirty()) {
      disk_manager_->WritePage(pages_[fid].GetPageId(), pages_[fid].GetData());
      pages_[fid].is_dirty_ = false;
    }
    page_table_->Remove(pages_[fid].GetPageId());
    *frame_id = fid;
    pages_[fid].pin_count_ = 0;
    pages_[fid].ResetMemory();
    return true;
  }
  return false;
}