[发明专利]以用户为中心且基于多级缓存的海洋时空数据访问方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机数据处理领域，具体涉及一种以用户为中心且基于多级缓存的海洋时空数据访问方法。

背景技术

海洋时空数据不仅包含三维空间数据，而且涵盖各类时序多变量空间数据，如气象、水文、海洋生物，以及实时灾难预警、航线调整等信息。海洋时空数据具有多源、异质、结构复杂、数据量大以及空间分布不均匀等特性，面对用户极具个性化的访问需求，需要提供能够高效调度和管理海洋时空数据的海洋地理信息系统。

缓存能缓解处理器和磁盘I/O之间的性能差距，是提高数据访问效率的有效机制，尤其在数据量大、访问频繁的情况下缓解性能更为明显，随着硬件技术的发展，内存容量大幅提高，为缓存策略的发展带来新的机遇。传统的缓存策略受容量的限制，需以进程为数据访问单位，考虑全体访问数据的缓存。

假设访问数据集为

某时刻驻留集为

T={a₁,a₂,a₃,…,a_i}，其中

缓存策略主要基于访问频率和访问时间，即访问频率较高和最近访问的数据驻留在时刻驻留集T中，但是在实际应用中，用户完整的数据请求可能需要多个进程才能完成，尤其是涉及到多方面数据时，缓存带来的效益并非对全体用户公平一致，因此，以进程为单位的缓存策略并不能适应用户个性化的数据访问模式。

在三维海洋信息系统中，所有用户都是同等地位的，用户不应以访问的先后顺序或以访问量的大小作为优先的条件。

作为缓存策略的核心，不同的缓存策略必然产生不同的替换算法。传统的缓存替换算法主要利用对数据块的访问频率或者最近的访问时间为标准，判断数据块在本次替换操作中是否应该被替换。经典的替换算法以LRU、MRU、LFU三类代表，另外常见的基于频率和时间平衡策略的算法有UFU、ARC、MQ/2Q等，然而，这些替换算法的判断标准都比较单一，且基本上只对一类访问模式有比较好的效果，对其他的访问模式效果并不明显。

多级缓存从逻辑上对数据分层缓存，主要分为两类：基于层次感知的缓存和基于侵略性协作的缓存。前者通过猜测判断缓存数据的冗余情况来改变自身的缓存结果；后者则是通过对其他缓存的侵略性协作改变当前缓存数据。总体来说，二者仍然基于访问频率和访问时间的平衡策略。

为了满足三维海洋信息系统实时数据访问要求，快速响应用户数据请求，需要研究高效的缓存策略。海洋信息系统单次访问数据量较大，如查看某海港实时海况，在三维海洋信息系统中不仅要获取海港三维模型，而且要读取海港实时天气数据。传统的缓存策略尽量缓存最近访问最多的数据，当缓存池空闲容量不足时，新用户的访问数据需要等到替换完成后才能全部加载到缓存池中，新用户等待时间较长。

发明内容

本发明提供了一种以用户为中心且基于多级缓存的海洋时空数据访问方法，以用户为中心，保证每个用户能够公平享有数据缓存带来的优势，同时，能够减小磁盘I/O，降低数据的交换频率，同时基于海洋时空数据的自身特点，通过预读机制进一步提高数据访问的效率。

一种以用户为中心且基于多级缓存的海洋时空数据访问方法，所述海洋时空数据存放于多台数据服务器中，每台数据服务器中建立有：

数据库，用于存放海洋时空数据；

缓存池，用于存放数据库中被用户访问过的数据；

缓存列表，用于存放该数据服务器的各用户的访问记录。

数据服务器针对所有用户建立缓存列表，记录每个用户在缓存服务器上的访问时间以及访问的数据，相同数据被访问的次数等信息。

缓存池中以数据项的形式存储所有被用户访问过的数据，数据项除了包含数据信息外，还包括与数据相关的信息，例如数据大小、数据位置、访问记录等。

进行海洋时空数据访问的步骤为：

（1）用户通过客户端指定查询条件，客户端向中间服务器发出查询请求。

本申请的客户端中建立有数据缓存区、按R树组织的空间索引（记录海洋空间中每块区域对应的所有数据的ID）以及请求队列。

用户指定查询条件时，如果查询条件指向单个数据，则根据该单个数据的ID查找数据缓存区，如果数据不在数据缓存区中，则将该数据的ID放入请求队列中，同时记录此次请求的时间戳。