能耗有效的数据库查询处理技术研究

【摘要】绿色计算旨在研究面向可持续发展的低成本、低能耗的新型计算机系统、模型和应用。近年来,低碳、节能、环保等理念日益受到国家和社会的关注,也促使人们开始关注计算机系统的能耗问题。如何使计算机系统在满足性能需求的前提下尽量地节约能耗,即如何提高计算机系统的能耗有效性,已经成为一个新的研究热点。本文针对能耗有效的数据库系统进行了相关研究。数据库系统中的能耗有效性旨在使用更少的电能来提供相同的服务,例如：处理的事务数量、响应的I/O请求数量等等。能耗有效性越高,说明数据库系统可以用更少的能耗就能够响应同样数量的操作,换句话说,可以用更少的能耗达到同样的性能。为了构建能耗有效的数据库系统,本文着重想回答两个问题：1、数据库系统中哪些部件是影响能耗的主要因素?在性能方面,已经知道I/O代价是影响数据库系统性能的主要因素。但对于能耗指标,还没有一个明确的答案。本文围绕这一问题,设计和搭建了一个能耗基准测试平台,通过实验从多角度对数据库系统的能耗和性能进行了测试,包括不同类型数据库管理系统执行的性能和能耗结果、不同类型负载在不同系统配置下执行的性能和能耗结果,明确了提升数据库系统能耗有效性的关键所在。2、数据库查询处理过程如何能够更好地体现能耗有效性?查询处理器是现在数据库系统中决定性能的关键部件,但现有的设计只考虑了时间性能,没有顾及能耗。所以,本论文围绕这一问题,研究了如何在查询处理器中加入能耗代价,实现能耗有效的查询优化技术。具体而言,本文的主要贡献包括：(1)设计并实现了一个数据库系统能耗有效性基准测试平台,并对数据库系统的能耗和性能进行了测试。已有研究中使用的能耗测试方法,大多是采用万用表测量或者软件模拟的方式,只能实现粗粒度的系统级能耗测试,无法实时地反映数据库系统在响应查询时各个部件所花费的能耗和性能细节。本文设计的测试平台能够较好地解决这些问题,并且可以实现测试自动化。通过大量的实验,对不同软件、硬件和参数设置下数据库系统的能耗有效性进行了测试和分析,为设计能耗有效的算法奠定了基础。(2)提出了一种能耗有效的查询优化方法。本文中首先提出了基于回归分析方法建立操作符层功耗预测模型,可以准确地预测给定查询在执行过程中平均功耗。接着,在已有查询优化器中提出了结合预测能耗成本和时间成本的新的查询执行代价计算模型,引入了性能退化度调节因子,可以有效地调节两者权重,进而进行执行计划的选取。最后,在真实数据库系统PostgreSQL和TPC测试负载下,进行了大量实验,证明了方法的有效性。
【作者】邢宝平；
【导师】金培权；
【作者基本信息】中国科学技术大学，计算机应用技术，2014，硕士
【关键词】数据库系统；能耗有效性；测试平台；查询优化；

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