什么是内存数据库

内存数据库系统对于嵌入式开发来说是特别有用的， IMDS 中每个保存过程缩小了覆盖区 智能连接设备的增长速度正越来越快。这种装置不管是在家庭、口 袋（pocket）或者是内置于工业通信和传送系统，都已经发展为包含了 强大的CPU和完善的嵌入式系统软件。在这种设备中日益流行的一种软 件是数据库管理系统（DBMS）。虽然对桌面电脑或者服务器来说，这种 软件已经是相当成熟了，但数据库是最新才应用到达嵌入式系统的。像 所有进入新环境的生物体一样，数据库也必须经历一个发展过程。一种 新型的DBMS，内存数据库系统（IMDS），代表了DBMS应用到嵌入式 系统的最新步伐。 为什么嵌入式系统开发人员会转向数据库呢？市场竞争使得像机顶 盒、网络开关和消费者电子产品这样的设备需要变得越来越智能。要支 持扩展功能集，应用程序通常必须管理大容量的更复杂的数据。因此， 许多设备开发人员发现他们正致力于自己开发数据管理方案。在应用需 求增长时，普通的数据管理方案维护和扩展起来是特别困难的。 另外，标准化的趋势，商用现货（ommercial off-the-shelf，COTS） 嵌入式 *** 作系统，远离许多私有系统的不完整环境，从而增强数据库的 能力。广泛使用的 *** 作系统的出现，比如嵌入式Linux，形成了一个用 户群体，他们轮留进行数据库和其他工具开发（包括商业的和非商业 的），以不断增强开发平台。 因此，设备开发人员开始转向商业数据库，但已有的嵌入式DBMS 软件还不理想。嵌入式数据库最初出现在10年前，当时用于支持商业系 统，带有包括复杂缓存逻辑和异常终止恢复等功能。但在一个设备上， 例如，在一个机顶盒或者下一代传真机中，这些能力通常毫无必要，并 且应用程序容易出现超出可用内存和CPU资源的现象。 另外，建立传统数据库时是将数据存储在磁盘上。作为一种机械过 程，磁盘的I/O是非常昂贵的，尤其是要取得高性能的话。对于嵌入式 系统来，因为需要实时执行，因此相对而言，传统数据库就太慢了。 内存数据库出现的目的特别针对于满足嵌入式系统的性能需求和资 源能力。正如其名字所暗示的，IMDS完全驻留在内存中，它们不会存储 到磁盘上。

目前关系型内存数据库主要有MySQL（使用内存存储引擎）、SQL Server（In-Memory OLTP)、数蚕内存数据库、Oracle 内存数据库。

MySQL：免费产品，内存存储引擎使用较少。

SQL Server：微软的商业化产品，是为了适应大数据等业务产品新添加的存储引擎，微软SQL语句兼容性好，商业化成熟度高。

数蚕内存数据库：数蚕科技针对中小型企业的内存数据库，目前成熟度较弱，c++接口特性良好，SQL特性较弱，只支持基本的SQL语句 *** 作，不支持事务。

Oracle 内存数据库：基于内存计算的关系数据库， 提供了响应时间极 短且吞吐量极高的应用程序。

非关系型内存数据库主要有FastDB、Memcached和Redis等主流内存数据库。结构简单，支持数据结构多以基础数据结构为主，一般应用于缓存等非关键数据存储，其优点是数据查询速度快，对下层编程接口良好。

内存数据库数据结构分析

按照目前内存芯片密度每年2倍的增长速度，在未来10年中，配置1 G或更大的内存将是很平常的事。内存容量的快速增长对数据库管理系统有着深刻的影响。在某些场合，将整个数据库放进内存是可能的，正常的查询处理可以完全脱离硬盘。另外，和传统的数据库应用相比，有大量的新兴应用，目前的内存大小已经足够了。

在数据库系统中，有2种方法来使用大量的内存。

（1）增大缓冲池　将一个事务所涉及的数据都放在缓冲池中。当采取这种方法的时候，算法优化的目标仍然是最小化磁盘访问。

（2）常驻内存数据库　将整个数据库放进内存中。 这种方法需要重新设计一种数据库管理系统，需要对查询处理、并发控制与恢复的算法和数据结构进行重新设计，以更有效地使用CPU周期和内存。

1　磁盘和内存

内存数据库的索引结构和基于磁盘系统的索引结构不同，面向磁盘的索引结构的目标是最小化磁盘访问次数和空间占用，而面向内存的索引结构全部放在内存中，因此没有磁盘访问次数的最小化。这样，内存索引的目标是减少整体的计算时间同时尽可能少地占用内存。由于关系常驻内存，在索引中没有必要存储真实的属性值，而存储指向元组的指针，当需要的时候通过这些指针能够得到属性值。这样做有4个优点：

（1）单一元组指针便能访问元组的属性和元组本身，这就减少了索引的大小。

（2）避免了处理在索引中的长字段、可变长字段以及压缩技术。

（3）当更新索引 *** 作时，移动指针将比移动属性值更廉价。

（4）由于单个元组指针提供访问这个元组中的任何字段，采用一种特殊的机制多属性索引的需要将减少。

2　物理组织方法

内存数据库的总体设计目标是使内存和CPU的利用率尽可能高，而内存数据库的物理组织是实现该目标的基础，其存储结构、索引结构、中间数据存储结构都必须考虑内存的直接存取这一特征，这里介绍几种适合于内存数据库的物理组织方法。

21　区-段式

区-段式组织是基于关系数据模型的。他将存储空间逻辑划分为“分区”，每一个分区存储一个关系。由若干“段”组成，一个段是内存中固定长度的连续区域，相当于“页”，但比页大，是内外存I／O的单位，也是内存空间分配以及内存数据库恢复的单位

　一个段中的一个数据记录就是一个关系元组。每个记录有一个惟一的标识符RID（Record Identifier），他是一个三元组＜P，S，L＞，其中P，S，L分别为分区号、段号、段内的记录槽号，记录槽（RecordSlots）包含了对应记录的长度和记录的首地址。这样由RID经分区表和相对应的段表找到相对应的记录槽，按槽中的地址和长度便可直接存取所要的记录。其实，对于内存数据库，存取方法返回的不必是所需的记录数据的副本，只需将其槽中的地址返回即可。

2．2　影子内存式

按影子内存式组织的内存数据库空间可以划分为2部分：一部分是MMDB的主拷贝；另一部分为“影子拷贝”。

在事务的正常 *** 作期间，每次查询都产生一个分别对于影子内存SM（ShadowMemory）和主拷贝PDB（Primary DataBase）的双地址，且总是先对SM试探，若不成功，再对PDB *** 作。所有的更新 *** 作都在SM中进行，且都记录在活动日志中（Active Log）。每当一个事务提交时，由他所产生的在SM中的“后映像”拷贝到PDB中。使用影子内存的优点是：

（1）减少了日志缓冲区，因为其后映像区和用户区合二为一。

（2）省去因事务失败或系统故障时的UNDO *** 作，只清除相应的影子内存即可。

（3）减少对MMDB（PDB）存取，各事务可并行对各SM区 *** 作。

（4）缩短恢复过程，这是因为一方面如（2）所述，省去UNDO型 *** 作，只需做REDO型 *** 作；另一方面还可以就当前事务对SM做“部分恢复”以后，就先启动正常事务处理，然后按需要逐步恢复PDB。

影子内存式和区-段式可以组合使用

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