CMU15445（2023 Spring） - Project 1. Buffer Pool

系列笔记

环境配置
Project 0. C++ Primer
Project 1. Buffer Pool(ing)

作业链接

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本次project分为三个部分：LRU-k、缓冲池、读写锁，感觉跟往年的大差不差

Task 1 LRU-K Replacement Policy

LRU应该都比较熟悉，可以参照LeetCode 146，也就是当cache装满后，踢掉最早访问的那个页面（frame），但是朴素的LRU算法有很明显的缺点：一个我频繁访问的页面刚好有一小段时间没访问，导致被一个只访问过一次的页面给踢出去了，这明显是不合理的。而LRU-k则是它的变种，它意味着优先删除的是没有被访问到k次的页面，这样就可以避免上面那种情况的发生。

这里定义一个所谓的k-distance：先看原文：Backward k-distance is computed as the difference in time between current timestamp and the timestamp of kth previous access. A frame with fewer than k historical accesses is given +inf as its backward k-distance. 可以知道，首先我们根据当前时间now减去页面的最早访问时间，就可以得到页面的k-distance，其中当页面访问次数小于k时，这个值需要加上一个+inf。形式上，我们可以得到：
$$D(frame)=\{\begin{array}{ll}now-lastTime(frame)& \text{cnt(frame) >= k}\\ +inf& \text{cnt(frame) < k}\end{array}$$
然后是删除策略，删除策略就是删除k-distance最大的那个值，+inf自然大于别的值，因此我们会优先删除访问次数小于k的页面，如果有多个访问次数小于k的页面怎么办呢？原文是这么写的：When multiple frames have +inf backward k-distance, the replacer evicts the frame with the earliest overall timestamp (i.e., the frame whose least-recent recorded access is the overall least recent access, overall, out of all frames). 也就是说，当多个页面的k-distance值为inf时，采用FIFO策略驱逐。当没有inf时，我们知道当前时间now固定，因此k-distance的大小与页面最早访问时间呈负相关，因此我们只需要删除最早访问时间最小的一个页面即可，也就是说此时删除策略退化成了LRU。当然，同时还应当注意页面的is_evictable_权限是否为true。

搞清楚了需求，就要想一下实现了，具体实现其实一般都是维护两个队列（链表），一个装访问k次以下的页面，为FIFO队列，一个装达到k次的页面，也就是LRU队列。其中FIFO队列没什么好说的，链表模拟即可，需要注意的是此处的LRU队列的实现，和上面给出Leetcode题目、也就是传统LRU、或者说LRU-1有所区别，LRU-1保证了每次更新页面后页面都必然会出现在链表的尾部，而LRU-K则需要根据最早访问时间的次序确定页面更新后的优先级。涉及到频繁排序，我们自然想到可以采用红黑树去模拟这个LRU队列，具体而言，我们需要维护一个装有Node指针的std::set。实现上，可以维护一个存储frame_id_t -> shared_ptr的unordered_map以实现内存管理，而对于两个队列（不是指queue哈），则存储weak_ptr。

搞清楚这些，剩下的内容就很简单了，至于线程安全，我们只需要全程加锁即可（话说应该是可以实现无锁的吧，，，不过我是懒狗，直接加大锁，也没有细粒度加锁~）

Task 2 - Buffer Pool Manager

这一部分比较简单，所谓的Buffer Pool其实就是个Page进进出出的管理器，跟着Tips走就行了，需要注意的是这里要用到前面写好的LRU-K，意味着前面实现的效率是和后面环环相扣的。。此外还要注意线程安全。

Task 3 - Read/Write Page Guards

这一个Task以前的Lab是没有的，是23Spring为了后面的B+树开发方便而新增的，整体也不难，就是利用RAII机制去管理读写保护，，，