CMU15-445 PROJECT #1 - BUFFER POOL（Fall2020实验代码，已满分）

Posted 2022-12-02 nefu-ljw

实验说明：https://15445.courses.cs.cmu.edu/fall2020/project1

我的完整实验代码见github：https://github.com/nefu-ljw/database-cmu15445-fall2020（已通过gradescope所有测试点）

文章目录

• • • TASK #1 - LRU REPLACEMENT POLICY
    • • 说明
      • 代码
    • TASK #2 - BUFFER POOL MANAGER
    • • 说明
      • 代码

TASK #1 - LRU REPLACEMENT POLICY

说明

LRUReplacer的大小与缓冲池相同，因为它包含BufferPoolManager中所有帧的占位符。

LRUReplacer被初始化为没有frame。在LRUReplacer中只会考虑新取消固定的frame。

实现课程中讨论的LRU策略，即实现以下函数：

1. Victim(T*): Replacer跟踪与所有元素相比最近最少访问的对象并删除，将其页号存储在输出参数中并返回True，为空则返回False。
2. Pin(T)：在将page固定到BufferPoolManager中的frame后，应调用此方法。它应该从LRUReplacer中删除包含固定page的frame。
3. Unpin(T)：当page的pin_count变为0时应调用此方法。此方法应将包含未固定page的frame添加到LRUReplacer。
4. Size()：此方法返回当前在LRUReplacer中的frame数量。

实现细节由您决定。您可以使用内置的STL容器。您可以假设不会耗尽内存，但必须确保操作是线程安全的。

代码

（1）src/include/buffer/lru_replacer.h，在BufferPoolManager类中添加成员变量：

class LRUReplacer : public Replacer 
 //...省略代码...
 private:
  // TODO(student): implement me!
  std::mutex mut;                                                           // 互斥锁
  std::list<frame_id_t> LRUlist;                                            // 双向链表，存放frame_id_t
  std::unordered_map<frame_id_t, std::list<frame_id_t>::iterator> LRUhash;  // 哈希表，frame_id_t 映射 链表迭代器
  size_t max_size;                                                          // 最大容量
;

（2）src/buffer/lru_replacer.cpp，补充函数实现：

/**
 * 使用LRU策略删除一个victim frame，这个函数能得到frame_id
 * @param[out] frame_id id of frame that was removed, nullptr if no victim was found
 * @return true if a victim frame was found, false otherwise
 */
bool LRUReplacer::Victim(frame_id_t *frame_id) 
  // C++17 std::scoped_lock
  // 它能够避免死锁发生，其构造函数能够自动进行上锁操作，析构函数会对互斥量进行解锁操作，保证线程安全。
  std::scoped_lock lockmut;
  if (LRUlist.empty()) 
    return false;
  
  // list<int>a，那么a.back()取出的是int类型
  *frame_id = LRUlist.back();  // 取出最后一个给frame_id（对传入的参数进行修改）
  LRUhash.erase(*frame_id);    // 哈希表中删除其映射关系
  // 以上均要加*，才能改变函数外调用时传入的参数
  LRUlist.pop_back();  // 链表中删除最后一个
  return true;


/**
 * 固定一个frame, 表明它不应该成为victim（即在replacer中移除该frame_id）
 * @param frame_id the id of the frame to pin
 */
void LRUReplacer::Pin(frame_id_t frame_id) 
  std::scoped_lock lockmut;
  // 哈希表中找不到该frame_id
  if (LRUhash.count(frame_id) == 0) 
    return;
  
  auto iter = LRUhash[frame_id];
  LRUlist.erase(iter);
  LRUhash.erase(frame_id);


/**
 * 取消固定一个frame, 表明它可以成为victim（即将该frame_id添加到replacer）
 * @param frame_id the id of the frame to unpin
 */
void LRUReplacer::Unpin(frame_id_t frame_id) 
  std::scoped_lock lockmut;
  // 哈希表中已有该frame_id，直接退出，避免重复添加到replacer
  if (LRUhash.count(frame_id) != 0) 
    return;
  
  // 已达最大容量，无法添加到replacer
  if (LRUlist.size() == max_size) 
    return;
  
  // 正常添加到replacer
  LRUlist.push_front(frame_id);  // 注意是添加到首部还是尾部呢？
  // 首部是最近被使用，尾部是最久未被使用
  LRUhash.emplace(frame_id, LRUlist.begin());


/** @return replacer中能够victim的数量 */
size_t LRUReplacer::Size()  return LRUlist.size(); 

TASK #2 - BUFFER POOL MANAGER

说明

您需要在系统中实现BufferPoolManager。BufferPoolManager负责从DiskManager读取数据库页并将它们存储在内存中。BufferPoolManager也可以在明确指示这样做或当它需要驱逐页面为新页面腾出空间时，将脏页面写入磁盘。

为了确保您的实现与系统的其余部分一起正常工作，我们将为您提供一些已经填充的功能。您也不需要实现实际将数据读取和写入磁盘的代码（这在我们的实现中称为DiskManager）。我们将为您提供该功能。

系统中的所有内存页面都由Page对象表示。在BufferPoolManager并不需要了解这些页面的内容。但作为系统开发人员，了解Page对象只是缓冲池中内存的容器，因此并不特定于唯一页面，这一点很重要。也就是说，每个Page对象都包含一块内存，DiskManager将使用该内存块来复制它从磁盘读取的物理页的内容。当它来回移动到磁盘时，BufferPoolManager将重用相同的Page对象来存储数据。这意味着在系统的整个生命周期中，同一个Page对象可能包含不同的物理页面。该Page对象的标识符(page_id)会跟踪它包含的物理页面；如果Page对象不包含物理页，则其page_id必须设置为INVALID_PAGE_ID。

每个Page对象还为“固定”该页面的线程数维护一个计数器。您的BufferPoolManager不允许释放被固定的页面，并且跟踪每个Page对象是否脏。您的工作是在取消固定页面之前记录页面是否被修改。您的BufferPoolManager必须先将脏页的内容写回磁盘，然后才能重用该对象。

您的BufferPoolManager实现将使用您在本作业的前面步骤中创建的LRUReplacer类。使用LRUReplacer来跟踪何时访问Page对象，以便可以决定在必须释放frame以腾出空间来从磁盘复制新物理页时驱逐哪个对象。

您需要在源文件 src/buffer/buffer_pool_manager.cpp 中实现以下定义的函数：

• FetchPageImpl(page_id)
• NewPageImpl(page_id)
• UnpinPageImpl(page_id, is_dirty)
• FlushPageImpl(page_id)
• DeletePageImpl(page_id)
• FlushAllPagesImpl()

代码

（1）src/include/buffer/buffer_pool_manager.h，添加两个函数声明（FindVictimPage、UpdatePage）：

/**
 * 主要数据结构是一个page数组(pages_)，frame_id作为其下标。
 * 还有一个哈希表(page_table_)，表示从page_id到frame_id的映射。
 * BufferPoolManager reads disk pages to and from its internal buffer pool.
 */
class BufferPoolManager 
 protected:
  //...省略代码...
    bool FindVictimPage(frame_id_t *frame_id);
  void UpdatePage(Page *page, page_id_t new_page_id, frame_id_t new_frame_id);

  /** Number of pages in the buffer pool. */
  size_t pool_size_;
  /** Array of buffer pool pages. 大小为pool_size_，下标为[0,pool_size_) */
  Page *pages_;
  /** Pointer to the disk manager. */
  DiskManager *disk_manager_ __attribute__((__unused__));
  /** Pointer to the log manager. */
  LogManager *log_manager_ __attribute__((__unused__));
  /** Page table for keeping track of buffer pool pages. */
  std::unordered_map<page_id_t, frame_id_t> page_table_;
  /** Replacer to find unpinned pages for replacement. 大小为pool_size_*/
  Replacer *replacer_;
  /** List of free pages. 最开始，所有页都在free_list中*/
  std::list<frame_id_t> free_list_;
  /** This latch protects shared data structures. We recommend updating this comment to describe what it protects. */
  std::mutex latch_;
;

对BufferPoolManager类中成员变量的理解：

• pages就是缓冲区当前存的pool_size个page，可以用frame_id作为下标取出缓冲区的单个page
• page_id表示由diskmanager分配得到的page编号，目前是id自增策略，它的大小完全有可能超过pool_size
• frame_id表示缓冲区中的每页占的位置，它的范围只能是[0,pool_size)
• page_table表示现在放入缓冲区的page_id与对应占的位置frame_id，若page_id在页表中即表示page在缓冲区中

（2）src/buffer/buffer_pool_manager.cpp，补充函数实现：

/*
将脏页写入磁盘，更新page元数据(data, is_dirty, page_id)和page table
（自己补充的函数）
*/
void BufferPoolManager::UpdatePage(Page *page, page_id_t new_page_id, frame_id_t new_frame_id) 
  // 1 如果是脏页，一定要写回磁盘，并且把dirty置为false
  if (page->IsDirty()) 
    disk_manager_->WritePage(page->page_id_, page->data_);
    page->is_dirty_ = false;
  

  // 2 更新page table
  page_table_.erase(page->page_id_);                 // 删除页表中原page_id和其对应frame_id
  if (new_page_id != INVALID_PAGE_ID)               // 注意INVALID_PAGE_ID不要加到页表
    page_table_.emplace(new_page_id, new_frame_id);  // 新的page_id和其对应frame_id加到页表
  

  // 3 重置page的data，更新page id
  page->ResetMemory();
  page->page_id_ = new_page_id;


/*
从free_list或replacer中得到*frame_id；返回bool类型
（自己补充的函数）
*/
bool BufferPoolManager::FindVictimPage(frame_id_t *frame_id) 
  // 1 缓冲池还有freepages（缓冲池未满），即free_list非空，直接从free_list取出一个
  // 注意，在此函数中从free_list首部取出frame_id，在DeletePage函数中从free_list尾部添加frame_id
  if (!free_list_.empty()) 
    *frame_id = free_list_.front();
    free_list_.pop_front();
    return true;
  
  // 2 缓冲池已满，根据LRU策略计算是否有victim frame_id
  return replacer_->Victim(frame_id);


/**
 * Fetch the requested page from the buffer pool.
 * 如果页表中存在page_id（说明该page在缓冲池中），并且pin_count++。
 * 如果页表不存在page_id（说明该page在磁盘中），则找缓冲池victim page，将其替换为磁盘中读取的page，pin_count置1。
 * @param page_id id of page to be fetched
 * @return the requested page
 */
Page *BufferPoolManager::FetchPageImpl(page_id_t page_id) 
  // 1.     Search the page table for the requested page (P).
  // 1.1    If P exists, pin it and return it immediately.
  // 1.2    If P does not exist, find a replacement page (R) from either the free list or the replacer.
  //        Note that pages are always found from the free list first.
  // 2.     If R is dirty, write it back to the disk.
  // 3.     Delete R from the page table and insert P.
  // 4.     Update P's metadata, read in the page content from disk, and then return a pointer to P.
  std::scoped_lock locklatch_;
  auto iter = page_table_.find(page_id);
  // 1 该page在页表中存在（说明该page在缓冲池中）
  if (iter != page_table_.end()) 
    frame_id_t frame_id = iter->second;  // iter是pair类型，其second是page_id对应的frame_id
    Page *page = &pages_[frame_id];      // 由frame_id得到page
    replacer_->Pin(frame_id);            // pin it
    page->pin_count_++;                  // 更新pin_count
    return page;
  
  // 2 该page在页表中不存在（说明该page不在缓冲池中，而在磁盘中）
  frame_id_t frame_id = -1;
  // 2.1 没有找到victim page
  if (!FindVictimPage(&frame_id)) 
    return nullptr;
  
  // 2.2 找到victim page，将其data替换为磁盘中该page的内容
  Page *page = &pages_[frame_id];
  UpdatePage(page, page_id, frame_id);  // data置为空，dirty页写入磁盘，然后dirty状态置false
  disk_manager_->ReadPage(page_id, page->data_);  // 注意，从磁盘文件database file中page_id的位置读取内容到新page->data
  replacer_->Pin(frame_id);                       // pin it
  // page->pin_count_++;                          // FIX BUG in project2 checkpoint2（pin count置1也可以）
  page->pin_count_ = 1;
  assert(page->pin_count_ == 1);  // DEBUG
  return page;


/**
 * Unpin the target page from the buffer pool. 取消固定pin_count>0的在缓冲池中的page
 * @param page_id id of page to be unpinned
 * @param is_dirty true if the page should be marked as dirty, false otherwise
 * @return false if the page pin count is <= 0 before this call, true otherwise
 */
bool BufferPoolManager::UnpinPageImpl(page_id_t page_id, bool is_dirty) 
  std::scoped_lock locklatch_;
  auto iter = page_table_.find(page_id);
  // 1 该page在页表中不存在
  if (iter == page_table_.end()) 
    return false;
  
  // 2 该page在页表中存在
  frame_id_t frame_id = iter->second;  // iter是pair类型，其second是page_id对应的frame_id
  Page *page = &pages_[frame_id];      // 由frame_id得到page
  // 2.1 pin_count = 0
  if (page->pin_count_ == 0) 
    return false;
  
  // 2.2 pin_count > 0
  // 只有pin_count>0才能进行pin_count--，如果pin_count=0之前就直接返回了
  page->pin_count_--;  // 这里特别注意，只有pin_count减到0的时候才让replacer进行unpin
  if (page->pin_count_ == 0) 
    replacer_->Unpin(frame_id);
  
  if (is_dirty) 
    page->is_dirty_ = true;  // this logic is NOT equal to: page->is_dirty_ = is_dirty
  
  return true;


/**
 * Flushes the target page to disk. 将page写入磁盘；不考虑pin_count
 * @param page_id id of page to be flushed, cannot be INVALID_PAGE_ID
 * @return false if the page could not be found in the page table, true otherwise
 */
bool BufferPoolManager::FlushPageImpl(page_id_t page_id) 
  // Make sure you call DiskManager::WritePage!
  std::scoped_lock locklatch_;
  if (page_id == INVALID_PAGE_ID) 
    return false;
  
  auto iter = page_table_.find(page_id);
  // 1 该page在页表中不存在
  if (iter == page_table_.end()) 
    return false;
  
  // 2 该page在页表中存在
  frame_id_t frame_id = iter->second;  // iter是pair类型，其second是page_id对应的frame_id
  Page *page = &pages_[frame_id];      // 由frame_id得到page
  // 不管dirty状态如何，都写入磁盘
  disk_manager_->WritePage(page->page_id_, page->data_);
  page->is_dirty_ = false;  // 注意这句话！刷新到磁盘后，dirty要重置false
  // 注意，不能调用UpdatePage，因为那个函数里面还进行了元数据的重置
  // UpdatePage(page, page_id, frame_id);
  return true;


/**
 * Creates a new page in the buffer pool. 相当于从磁盘中移动一个新建的空page到缓冲池某个位置
 * @param[out] page_id id of created page
 * @return nullptr if no new pages could be created, otherwise pointer to new page
 */
Page *BufferPoolManager::NewPageImpl(page_id_t *page_id) 
  // 0.   Make sure you call DiskManager::AllocatePage!
  // 1.   If all the pages in the buffer pool are pinned, return nullptr.
  // 2.   Pick a victim page P from either the free list or the replacer. Always pick from the free list first.
  // 3.   Update P's metadata, zero out memory and add P to the page table.
  // 4.   Set the page ID output parameter. Return a pointer to P.
  std::scoped_lock locklatch_;
  frame_id_t frame_id = -1;
  // 1 无法得到victim frame_id
  if (!FindVictimPage(&frame_id)) 
    // LOG_INFO("无victim frame_id");
    return nullptr;
  
  // 2 得到victim frame_id（从free_list或replacer中得到）
  *page_id = disk_manager_->AllocatePage();  // 分配一个新的page_id（修改了外部参数*page_id）
  Page *page = &pages_[frame_id];            // 由frame_id得到page
  // pages_[frame_id]就是首地址偏移frame_id，左边的*page表示是一个指针指向那个地址，所以右边加&
  UpdatePage(page, *page_id, frame_id);
  replacer_->Pin(frame_id);  // FIX BUG in project2 checkpoint1（这里忘记pin了）
  // page->pin_count_++;     // FIX BUG in project2 checkpoint2（pin count置1也可以）
  page->pin_count_ = 1;
  assert(page->pin_count_ == 1);  // DEBUG
  // LOG_INFO("得到victim page_id=%u victim frame_id=%u", *page_id, frame_id);
  // page_id_t = signed int；frame_id_t = signed int
  return page;


/**
 * Deletes a page from the buffer pool.
 * @param page_id id of page to be deleted
 * @return false if the page exists but could not be deleted, true if the page didn't exist or deletion succeeded
 */
bool BufferPoolManager::DeletePageImpl(page_id_t page_id) 
  // 0.   Make sure you call DiskManager::DeallocatePage!
  // 1.   Search the page table for the requested page (P).
  // 1.   If P does not exist, return true.
  // 2.   If P exists, but has a non-zero pin-count, return false. Someone is using the page.
  // 3.   Otherwise, P can be deleted. Remove P from the page table, reset its metadata and return it to the free list.
  std::scoped_lock locklatch_;
  auto iter = page_table_.find(page_id);
  // 1 该page在页表中不存在
  if (iter == page_table_.end()) 
    return true;
  
  // 2 该page在页表中存在
  frame_id_t frame_id = iter->second;  // iter是pair类型，其second是page_id对应的frame_id
  Page *page = &pages_[frame_id];      // 由frame_id得到page

  // the page still used by some thread, can not deleted(replaced)
  if (page->pin_count_ > 0) 
    return false;
  

  // pin_count = 0
  disk_manager_->DeallocatePage(page_id);  // This does not actually need to do anything for now
  UpdatePage(page, INVALID_PAGE_ID, frame_id);  // FIX BUG in project2 checkpoint2（此处不要把INVALID_PAGE_ID加到页表）
  free_list_.push_back(frame_id);               // 加到尾部
  return true;


/**
 * Flushes all the pages in the buffer pool to disk.
 */
void BufferPoolManager::FlushAllPagesImpl() 
  // You can do it!
  std::scoped_lock locklatch_;
  for (size_t i = 0; i < pool_size_; i++) 
    // FlushPageImpl(i); // 这样写有问题，因为FlushPageImpl传入的参数是page id，其值可以>=pool size
    Page *page = &pages_[i];
    if (page->page_id_ != INVALID_PAGE_ID && page->IsDirty()) 
      disk_manager_->WritePage(page->page_id_, page->data_);
      page->is_dirty_ = false;
    
  

注意pin_count的变化：

操作	pin_count变化
NewPage	pin_count置1
FetchPage	pin_count++（若page在缓冲池） 或者 pin_count置1（若page不在缓冲池）
UnpinPage	pin_count–（此函数在NewPage或FetchPage后使用才能起到"取消固定"的作用）
DeletePage	pin_count置0

最后，提交zip文件，进行打包：

zip project1.zip \\
src/include/buffer/lru_replacer.h \\
src/buffer/lru_replacer.cpp \\
src/include/buffer/buffer_pool_manager.h \\
src/buffer/buffer_pool_manager.cpp