GaussDB Ustore存储引擎解读

GaussDB是华为云推出的一款高性能数据库产品，其内核新增的Ustore存储引擎为企业级用户提供了更高性能的数据库服务。Ustore存储引擎，又名In-place Update存储引擎（原地更新），是GaussDB内核新增的一种存储模式，旨在解决传统Append Update（追加更新）行存储引擎在特定场景下的性能瓶颈。以下是对GaussDB Ustore存储引擎的详细解读。

一、Ustore存储引擎的背景与优势

在数据库系统中，存储引擎负责数据的存储、检索和管理。不同的存储引擎有不同的设计理念和优化目标，以适应不同的应用场景。传统的Append Update行存储引擎在处理业务中的增、删以及HOT（Heap Only Tuple）Update（即同一页面内更新）时表现良好，但在处理跨数据页面的非HOT UPDATE场景时，垃圾回收效率不够高效，导致存储空间占用问题。

为了解决这个问题，GaussDB推出了Ustore存储引擎。Ustore存储引擎采用原地更新策略，将最新版本的"有效数据"和历史版本的"垃圾数据"分离存储。这种设计不仅提高了数据页面内更新的HOT UPDATE的垃圾回收效率，还有效减少了多次更新元组后存储空间占用的问题。

二、Ustore存储引擎的核心特性

高效存储与回收

Ustore存储引擎将最新版本的"有效数据"存储在数据页面上，并单独开辟一段UNDO空间，用于统一管理历史版本的"垃圾数据"。这种设计使得数据空间不会由于频繁更新而膨胀，同时"垃圾数据"集中回收效率更高。

此外，Ustore存储引擎还采用NUMA-Aware的UNDO子系统设计，使得UNDO子系统可以在多核平台上有效扩展。同时，采用多版本索引技术解决索引清理问题，有效提升了存储空间的回收复用效率。
高性能与稳定性

Ustore存储引擎对插入、更新、删除等不同负载的业务，性能以及资源使用表现相对均衡。在频繁更新类的业务场景下，更新操作采用原地更新模式，可以获得更高、更平稳的性能表现。这种设计使得Ustore存储引擎非常适合"短"（事务短）、"频"（更新操作频繁）、"快"（性能要求高）的典型OLTP类业务场景。
细粒度资源控制

Ustore引擎提供多维度的事务"监管"方式，可基于事务运行时长、单事务使用UNDO空间大小、以及整体UNDO空间限制等方式对事务运行进行"监管"。这种细粒度资源控制方式可以防止异常、非预期内的行为出现，方便数据库管理员对数据库系统资源使用进行规范和约束。
丰富的企业级功能

Ustore存储引擎结合UNDO空间，可以实现更高效、更全面的闪回查询和回收站机制。这种机制能够快速回退人为"误操作"，为GaussDB提供了更丰富的企业级功能。同时，Ustore存储引擎还支持并行创建索引、索引空间管理算法优化等特性，进一步提升了数据库的性能和稳定性。

三、Ustore存储引擎的技术实现

原地更新策略

Ustore存储引擎采用原地更新策略，直接在原有位置上进行数据的更新。这种策略减少了存储空间的占用，并且支持更高的并发性能。然而，原地更新可能涉及到数据的移动和重建，特别是在更新操作导致数据大小变化时，可能需要重新分配和调整存储空间。为了解决这个问题，Ustore存储引擎采用了多种优化技术，如UNDO回滚段技术、页面并行回放技术等，以确保数据的完整性和一致性。
UNDO子系统设计

Ustore存储引擎的UNDO子系统采用NUMA-Aware设计，具有更好的多核扩展性。UNDO空间统一分配、集中回收，复用效率更高。这种设计使得Ustore存储引擎在处理大量并发事务时能够保持较高的性能和稳定性。
多版本索引技术

Ustore存储引擎采用多版本索引技术，解决索引清理问题。这种技术使得索引空间能够得到有效利用和回收，进一步提升了存储空间的回收复用效率。同时，多版本索引技术还支持更高效的并发访问和查询性能。
闪回查询与回收站机制

Ustore存储引擎结合UNDO空间实现了更高效、更全面的闪回查询和回收站机制。这种机制能够快速回退人为"误操作"，为数据库管理员提供了更丰富的数据恢复和容错手段。同时，闪回查询和回收站机制还支持分区表等高级特性，进一步提升了数据库的可用性和灵活性。

四、Ustore存储引擎的应用场景与优势

Ustore存储引擎适用于需要频繁更新和随机访问的场景，如金融核心业务场景、电商交易场景等。在这些场景中，数据库需要处理大量的并发事务和更新操作，对性能和稳定性有较高要求。Ustore存储引擎通过原地更新策略、UNDO子系统设计、多版本索引技术等特性，为这些场景提供了高效、稳定、可靠的数据库服务。

与传统的Append Update行存储引擎相比，Ustore存储引擎具有以下优势：

更高的性能和稳定性：通过原地更新策略和多版本索引技术，提高了数据更新和查询的效率，降低了存储空间的占用。
更丰富的企业级功能：通过UNDO空间和闪回查询机制，提供了更丰富的数据恢复和容错手段。
更好的多核扩展性：通过NUMA-Aware的UNDO子系统设计，支持在多核平台上有效扩展，提高了数据库的并发处理能力。

五、总结与展望

GaussDB Ustore存储引擎是华为云推出的一款高性能数据库存储引擎，旨在解决传统行存储引擎在特定场景下的性能瓶颈。通过原地更新策略、UNDO子系统设计、多版本索引技术等特性，Ustore存储引擎为需要频繁更新和随机访问的场景提供了高效、稳定、可靠的数据库服务。

未来，随着技术的不断发展，GaussDB将继续结合AI自治技术等先进技术，对Ustore存储引擎进行更智能、更安全、更高效的技术优化。同时，GaussDB也将不断推出新的特性和功能，以满足不同应用场景的需求，为企业数字化转型注入新的动力。

综上所述，GaussDB Ustore存储引擎是一款具有高性能、高稳定性、丰富企业级功能的数据库存储引擎，适用于需要频繁更新和随机访问的场景。通过不断优化和创新，GaussDB将继续为企业提供更加优质、高效的数据库服务。