CMU 15-445 (FALL 2022) Project #1 Buffer Pool题解

前言

最近有空了，做了15-445的第一个lab。因为这个学期网上评测已经结束了，所以还没来得及在线上测试。
Project1 Buffer Pool中有三个小Task,第一个是实现可拓展哈希（网上有很多资料，我觉得也可以用C++已经封装好的容器代替）。第二个是LRU-K算法的实现，在我之前这篇博客中讨论过缓存替换策略：LRU-K算法详解及其C++实现 CMU15-445 Project#1
然后在这里主要讨论第三个Task,BufferPoolManagerInstance的实现。

题目讲解

• 在实现缓冲池之前，我们先需要知道两个概念的区别：frame和page。
• 在这里frame是指在内存中的一块区域，用于存放page。frame在内存中是固定的
• page是包含了元信息（比如是否是脏页面、page_id等）和page_data的一个类。page可以存放在frame中，也可以将数据写在disk上以便被缓存池丢掉。

属性

在类BufferPoolManagerInstance主要有以下属性

• pool_size_
  • pool_size_是缓冲池的大小，也是最多frame个数。
• Page *pages_
  • 指向一个Page数组，用于存放所有的Page。
• free_list_
  • 一个list,里面存放了空闲的frame_id
• 还有之前实现的哈希表、lru_k_replacer、打开了当前对应文件的disk_manager
• BufferPoolManagerInstance是class Page的友元，可以直接访问Page的属性，我们需要用到Page以下的属性
  • data_是一个字符数组，用于存放数据
  • page_id_
  • is_dirty_ 记录是否是脏页面
  • pin_count_ 记录被pin住的数量，当pin_count==0时，这个页面才能够被驱逐

方法

NewPgImp

• 功能：为当前的数据库增加一页，并且返回该页。
• 如果内存中有空闲的frame,(free_list不空)则直接把该页放到这个frame上。否则通过之前的LRU_K策略驱逐一个frame,这里如果frame中的page是脏的，需要用之后的Flush方法写回磁盘。
• 这里要注意，生成一个Page后记得把它的data_清零，然后驱逐、增加等操作都要影响page_table_和replacer_的数据，记得哈希表去掉旧的page_id并添加新的键值对。
• 新的page按照题目意思pin_count_为1，不能够被驱逐。

FetchPgImp

• FetchPgImp传入一个page_id，并返回对应页面的指针。
• 如果通过hash表查到该page在内存中，直接返回，记得LRU-K记录一下访问历史。
• FetchPgImp驱逐过程和上一个方法类似。但是要加一步：从磁盘中将之前的data读入内存
  disk_manager_->ReadPage(page_id,pages_[frame_id].GetData());
  注意
• 如果要fetch的页面已经在pool中了，那么要进行以下操作
  • lru-k要进行record
  • 手动setEvictable为false
  • pincount++
• 如果不在pool中，那么也要进行以上操作，并且pincount = 1
• 上面这个卡了我很久，因为在文档里也没写具体的要求，大家写的时候注意一下

UnpinPgImp

• 如果对应页面pin_count>0将pin_count_--
• 当pin_count为0，设置该页面可被驱逐

FlushPgImp

• 通过disk_manager的WritePage将页面写入disk中
• 将脏页面标记设置为false.

FlushAllPgsImp

• Flush所有页面，注意这里不能写frame为空的位置
• 可以设置一个标记数组，将free_list遍历一遍找出空的frame,然后再遍历一次buffer_pool，不为空则flush。带来的时间和空间复杂度冗余都是$O(poolsize)$，可以接受。

DeletePgImp

• 删除指定Page

代码实现

• 在这个Project中我学到了几个c++的用法。
• Page *pages_; pages_ = new Page[pool_size_];之后，pages_指向一个数组。
• 在创建新page时，pages_[frame_id]是一个Page类型，不能通过指针创建，比如pages_[frame_id] = new Page()是错的。也不能pages_[frame_id] = Page()，因为Page没有拷贝方法。我们可以通过new(&pages_[free_frame]) Page();在指定位置上构造一个新的Page。这里new里面的参数是一个地址。
• 同理，pages_[frame_id]不是一个指针，所以我们在删除页的时候，不能使用delete pages_[frame_id],可以通过pages_[frame_id].~Page()来调用析构函数。
  

然后其他的代码实现按照题目要求做就行了，注意每次frame的变更对page_table_、replacer_的影响，遇到错误使用GDB或者通过IDE调试工具来调试找到问题。

关于多线程

我自己直接用的是大锁，也就是在每个函数的第一排加了一行
std::scoped_lock lock(latch_);

注意如果用这种方法，那么你的函数之间是不能相互调用的，比如你在、FetchPgImp中，准备驱逐一个脏页面，那么你是不能调用FlushPgImp的，否则会引起死锁。同理AllocatePage()前面也是不能加锁的，因为AllocatePage()会被FetchPgImp调用。
如果要写更细粒度的话，可以尝试读写锁分开，然后用Page里面的小锁。不过写的粗糙一点也能过就是了