CN103049521B - 可实现多属性复合条件查询的虚拟表索引***及方法 - Google Patents

可实现多属性复合条件查询的虚拟表索引***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及计算机应用技术领域，尤其是一种针对多属性复合条件查询的虚拟表索引***及方法。本发明由三个关键部件索引管理器、条件分析器和预执行引擎构成；本发明在虚拟表上构建针对多个属性的索引键值；在执行查询时，计算施加到该虚拟表的查询条件；依据键值索引，预先针对各个属性独立判断是否需要执行该虚拟表映射的物理实体表，从而确保将查询只施加到满足相应键值条件的子虚拟表上执行。本发明有效解决了虚拟表多属性的复合条件查询；可以用于虚拟表索引中。

Description

可实现多属性复合条件查询的虚拟表索引***及方法
技术领域
本发明涉及计算机应用技术领域，尤其是一种针对多属性复合条件查询的虚拟表索引***及方法。
背景技术
随着Internet上应用的数据规模迅速增长，单一数据库表往往无法支撑所有业务数据，需要将大数据分成若干物理子表分块存储和管理，通过数据中间件将这些物理子表整合起来形成一张“容量无限”的虚拟表。而随着网络应用处理和计算变得越来越复杂，一次针对虚拟表的数据查询计算可能涉及到对多个分布数据源(块)的即时访问，这种大量基于分布数据源上的联合查询，由于受数据规模、查询复杂度、传输带宽等因素的影响，访问性能常常是这类应用的瓶颈；因此，针对这类应用模式的查询如何在虚拟层构建索引机制，快速定位子表同时避免不必要的子表查询是解决查询性能问题的关键之一。
从技术方法层面，主要有两种思路实现针对多个分布数据源(块)查询的索引机制，来提高访问的性能。
思路一是：针对子表的存储位置索引，方便快速定位数据块子表的物理存储位置。大规模数据的存储与访问需要对数据分片分块的存储和管理，此时建立每个数据块的索引机制能方便请求快速定位到目标数据源上。
思路二是：主键键值分段索引，一张子表会保存一个数据表里面按照主键键值的某段连续的数据，从开始主键到结束主键，一张完整的表格是保存在多个物理子表中。这种机制对支持基于主键的简单逻辑运算的查询非常有效，能确保将查询只施加到满足相应键值条件的数据子表上。但是不能支持多属性查询谓词条件、相对复杂的运算逻辑的查询。
如Bigtable这种顺序表(OrderedTable)存储模型采用了层次化的MetaData模型建立tablet表的索引，既支持存储位置索引，又支持键值分段索引，但只能支持基于主键的区间查询，不能支持多属性的复合条件查询，如关系数据库的SQL查询标准。
发明内容
本发明解决的技术问题之一在于提出构建支持分布式复合条件查询的虚拟表索引***，解决当前的存储位置索引和键值索引不能支持多属性条件、复杂运算逻辑查询的问题。本发明引用的虚拟表概念和技术是基于本发明的发明人的另一项专利ZL200810119858.4(名称：一种网络***及其管理方法)；本发明所述虚拟表及其管理和使用方式均引用该专利。
本发明解决的技术问题之二在于提出构建支持分布式复合条件查询的虚拟表索引方法，解决当前的存储位置索引和键值索引不能支持多属性条件、复杂运算逻辑查询的问题。
本发明解决上述技术问题之一的技术方案是：所述的***由三个关键部件索引管理器、条件分析器和预执行引擎构成；
所述的索引管理器，管理虚拟表属性的索引键值，支持虚拟表多个属性的单个键值、区间键值的管理；
所述的条件分析器，对施加在虚拟表上的查询条件分解并对谓词分析；依次对有索引的属性按照SQL语法分析整个查询条件，用真值true替换屏蔽掉含其他属性的谓词表达式后，只留下该属性的查询谓词条件，以便判断该属性索引是否满足此条件；此时，如果某属性的索引键值是区间，条件分析器进一步通过该区间值再计算被真值替换后的查询条件中关于该属性的谓词的真/假，并用布尔结果(true/false)替换该谓词；如果该步骤无法计算，则表示直接返回需要对该虚拟表执行查询的推断结果；
所述的预执行引擎，通过相应属性的索引键值判断部分被真值表达式(true)和布尔结果替换后的查询条件的真/假，确定相应属性的索引是否满足查询条件；如果不满足，则直接返回不对该虚拟表执行查询的推断结果；否则，继续判断其他属性索引；含多元谓词表达式时，默认为满足执行条件；索引键值为区间值时只取开始和结束值。
本发明解决上述技术问题之二的技术方案是：在虚拟表上构建针对多个属性的索引键值；在执行查询时，计算施加到该虚拟表的查询条件；依据键值索引，预先针对各个属性独立判断是否需要执行该虚拟表映射的物理实体表，从而确保将查询只施加到满足相应键值条件的子虚拟表上执行。
预先确定哪些子表含有满足该查询条件的数据记录；具体是：在虚拟层，通过在各个子表上基于子表的索引，预先判断该子表的数据集合是否满足查询条件，只定位到满足条件的子表进行查询；而对于无查询过滤条件、未建立索引或者基于索引难于判断特例，直接对子表施加查询。
按照某个属性键值建立B+树的子表索引结构，B+树的每个叶子节点代表一个子表；在叶子节点对子表建立1个或多个其他属性的索引，索引值是单值或区间值。
两次对查询条件的替换是通过对SQL查询条件分析形成的语法树，针对每个索引属性，进行单独分析判断。
对区间内的值通过代入区间值将谓词表达式转化成比较逻辑计算布尔结果。
本发明的虚拟表索引***不同于数据库表的索引。数据库表的索引是为了快速定位数据记录，而虚拟表的索引是为快速确定带有某个条件的查询是否有必要施加在该虚拟表上，主要是为查询调度，提高分布式查询效率。由于一般数据分表都具有确定的规则性，常常将满足一定条件数据存储到一个子表中，比如铁路每年的货运摘要数据是按照月份分开存储到12张子表中，以方便同比分析。因此，虚拟表的索引是从子表的整体角度来确定索引的，而不是针对特定的一条记录建索引，因此索引数量相对很少。
本发明通过在虚拟层建立虚拟表多属性的索引，在查询分解时，通过索引对查询条件预判断是否成立，从而确定是否需要定位和查询物理子表。相对于“键-值”和顺序表模型的数据库***只支持基于主键的区间查询，本发明可以针对多属性建立索引，支持对多属性的复合条件查询的判断；支持多属性查询谓词条件、相对复杂的运算逻辑的查询，如支持关系数据库的SQL标准。
本发明所述的物理子表概念是从元数据角度抽象定义的，不涉及对子表数据存储和管理的物理***，因此也可以不加区别的称为一种虚拟表。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明：
图1是本发明***结构图；
图2是本发明索引管理结构图；
图3是本发明的核心算法图。
具体实施方式
本发明是在虚拟表上，可以构建针对多个属性的索引键值。在执行查询时，计算施加到该虚拟表的查询条件；依据键值索引，预先针对各个属性独立判断是否需要执行(该虚拟表映射的物理实体表)，从而确保将查询只施加到满足相应键值条件的子虚拟表上执行。相对现有的技术，本发明支持多属性查询谓词条件、相对复杂的运算逻辑的查询，如支持关系数据库的SQL标准。
为实现上述目的，本发明一种支持分布式查询的虚拟表索引的机制及方法，由三个关键部件构成：索引管理器、条件分析器、预执行引擎。
索引管理器：管理虚拟表属性的索引键值，支持虚拟表多个属性的单个键值、区间键值的管理。
条件分析器：对施加在虚拟表上的查询条件分解并对谓词分析。依次对有索引的属性，按照SQL语法分析整个查询条件，用真值true替换屏蔽掉含其他属性的谓词表达式后，只留下该属性的查询谓词条件，以便判断该属性索引是否满足此条件。此时，如果某属性的索引键值是区间，条件分析器还需要通过该区间值，再计算被真值替换后的查询条件中关于该属性的谓词的真/假，并用布尔结果(true/false)替换该谓词，如果该步骤无法计算，则表示直接返回需要对该虚拟表执行查询的推断结果。
预执行引擎：通过相应属性的索引键值(区间值只取开始和结束值即可)判断部分被真值表达式(true)和布尔结果替换后的查询条件的真/假，确定相应属性的索引是否满足查询条件。如果不满足，则直接返回不对该虚拟表执行查询的推断结果；否则，继续判断其他属性索引。一些特殊情况，为简化判断，预执行引擎默认为满足执行条件，比如含多元谓词表达式。
如图1所示，由于数据规模大导致分的数据子表较多，一次应用的查询请求，不能全部施加到各个子表执行，需要预先确定哪些子表含有满足该查询条件的数据记录(区间结果或者单条记录)。在虚拟层，通过在各个子表上(T1，T2，...Tn)基于子表的索引，预先判断该子表的数据集合是否满足查询条件，只定位到满足条件的子表进行查询(Ti，...Tj)。而对于一些特例(包括无查询过滤条件、未建立索引或者基于索引难于判断)的查询，直接对子表施加查询。
如图2所示，为快速定位子表，可以按照某个属性键值建立类似B+树的子表索引结构，B+树的每个叶子节点代表一个子表。在叶子节点对子表建立1个或多个(其他)属性的索引，索引值可以是单值和区间值。属性索引值是从子表的整体角度定义的值区间，索引值区间范围越小(少)，越容易判断。所以在虚拟层适合建立索引的列是基数高、选择度低的列，而在数据库层的索引为便于定位某条具体记录正好相反(基数定义：行数/唯一值数；选择度定义：1/唯一值数)。考虑到不同应用场景中，索引值会随着数据增加/修改/删除、子表的拆分/合并等情况而变化，这种变化的频度和复杂度在各种场景中不一致，本发明不强调索引值的一致性同步方法。可以通过人工建立索引、也可以在数据操作时实时维护索引。
由于在GAV(GlobalAsView)/LAV(LocalAsView)这类传统的数据集成应用中，虚拟视图的schema与物理数据源的schema不尽相同，是通过映射机制来确定。因此，针对每个子表都需要对查询条件进行重新分析，以将应用的查询映射到子表的查询。而对于一般的“键-值”、顺序表数据模型，由于各子表的属性是一致的，不需要针对每个子表分别做条件分析。因此本发明的方法可以同时应用到“键-值”、顺序表、传统关系数据库集成领域。
图3表示了本发明的核心算法；核心算法中两次对查询条件的替换(Step2，Step3)是关键步骤。通过对SQL查询条件分析形成的语法树，算法针对每个索引属性，进行单独分析判断。假设铁路货运明细表中，数据分表是按照月份(Month)和线路(Line)编号来分若干子表管理的(其索引如下表所述。当子表太多时，也可以按照图2以Line值建立索引树)。
表 Month index Line index
……
Ti __1001～__1031 0005
……
Tj __1101～__1130 0006
……
对于一个查询0005号线路某周的货运明细信息的过滤条件：month＞20121008andmonth＜20121014andline＝0005。
对Ti表，首先判断Month索引。执行Step2结果是：month＞＝20121008andmonth＜20121014andtrue。执行Step3时，对于month＞＝20121008谓词，首先替换index中的通配符号index成20121001～20121031，通过转化谓词成计算20121001＜＝20121008and20121008＜＝20121031的成果为true。同样处理month＜20121014谓词后条件为：trueandtrueandtrue。Step4计算tmp_result结果为true，从而result＝false。
继续判断Ti表的Line索引，此时执行Step2后条件为：trueandtrueandline＝0005，直接跳过Step3执行Step4通过0005值判断该条件是否成立。预执行引擎是通过向内存数据库引擎发送一个查询“selectlinefrom(select0005asline)TTwheretrueandtrueandline＝0005”获得非空结果集从而判断条件成立，这样确保含有Line属性的任意SQL标准的复杂查询条件都能判断出结果。其实对于多个单值索引，可以将他们合并在一起，只执行一次Step4即可判断是否有键值满足条件。最终判断结果是需要执行Ti表。
而对Tj表，在Month索引判断Step3后条件成falseandfalseandtrue，计算tmp_result结果false，从而result＝true，不执行Tj表。
这里的难点在Step3，由于不可能对区间内的值进行穷举的办法来判断谓词的真假(实际数据库中是通过代入具体记录列的值判断真假)，只能通过代入区间值将谓词表达式转化成比较逻辑计算布尔结果，相当于解一元方程式，考虑到复杂性目前只实现了相对简单的一阶谓词公司的求解，其他的均当作无法替换处理。

Claims (8)

1.一种支持多属性复合条件查询的虚拟表索引***，其特征在于：所述的***由三个关键部件索引管理器、条件分析器和预执行引擎构成；
所述的索引管理器，管理虚拟表属性的索引键值，支持虚拟表多个属性的单个键值、区间键值的管理；
所述的条件分析器，对施加在虚拟表上的查询条件分解并对谓词分析；依次对有索引的属性按照SQL语法分析整个查询条件，用真值true替换屏蔽掉含其他属性的谓词表达式后，只留下该属性的查询谓词条件，以便判断该属性索引是否满足此条件；此时，如果某属性的索引键值是区间，条件分析器进一步通过该区间值再计算被真值替换后的查询条件中关于该属性的谓词的真/假，并用布尔结果(true/false)替换该谓词；如果该步骤无法计算，则表示直接返回需要对该虚拟表执行查询的推断结果；
所述的预执行引擎，通过相应属性的索引键值判断部分被真值表达式(true)和布尔结果替换后的查询条件的真/假，确定相应属性的索引是否满足查询条件；如果不满足，则直接返回不对该虚拟表执行查询的推断结果；否则，继续判断其他属性索引；含多元谓词表达式时，默认为满足执行条件；索引键值为区间值时只取开始和结束值。
2.一种支持多属性复合条件查询的虚拟表索引方法，其特征在于：在虚拟表上构建针对多个属性的索引键值；在执行查询时，计算施加到该虚拟表的查询条件；依据键值索引，预先针对各个属性独立判断是否需要执行该虚拟表映射的物理实体表，从而确保将查询只施加到满足相应键值条件的子虚拟表上执行。
3.根据权利要求2所述的虚拟表索引方法，其特征在于：预先确定哪些子表含有满足该查询条件的数据记录；具体是：在虚拟层，通过在各个子表上基于子表的索引，预先判断该子表的数据集合是否满足查询条件，只定位到满足条件的子表进行查询；而对于无查询过滤条件、未建立索引或者基于索引难于判断特例，直接对子表施加查询。
4.根据权利要求2所述的虚拟表索引方法，其特征在于：按照某个属性键值建立B+树的子表索引结构，B+树的每个叶子节点代表一个子表；在叶子节点对子表建立1个或多个其他属性的索引，索引值是单值或区间值。
5.根据权利要求3所述的虚拟表索引方法；其特征在于：按照某个属性键值建立B+树的子表索引结构，B+树的每个叶子节点代表一个子表；在叶子节点对子表建立1个或多个其他属性的索引，索引值是单值或区间值。
6.根据权利要求2至5任一项所述的虚拟表索引方法，其特征在于：两次对查询条件的替换是通过对SQL查询条件分析形成的语法树，针对每个索引属性，进行单独分析判断。
7.根据权利要求2至5任一项所述的虚拟表索引方法，其特征在于：对区间内的值通过代入区间值将谓词表达式转化成比较逻辑计算布尔结果。
8.根据权利要求6所述的虚拟表索引方法，其特征在于：对区间内的值通过代入区间值将谓词表达式转化成比较逻辑计算布尔结果。
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