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CMU-15445(5)——PROJECT#1-BufferPoolManager-Task#3

backend 2025/7/28 23:23:02

PROJECT#1-BufferPoolManager

Task #3 - Buffer Pool Manager

本节实现 PROJECT#1 最后一个 TASK，主要内容是使用 TASK1 和 TASK2 实现的 LRU-K Replacement Policy 和 DiskScheduler（前者会跟踪页面的访问情况，以便在需要为新页面腾出空间时决定淘汰哪个帧；后者会通过 DiskManager 调度磁盘的读写操作），从磁盘获取数据页并将其存储到内存中，当缓冲池管理器被显式要求写出脏页，或者需要淘汰某个页以为新页腾出空间时，也会调度将脏页写回磁盘。整体架构如下图所示：

BusTub 通过名为 FrameHeader 的辅助类实现对内存中帧的管理，所有页面数据的访问均需通过该类进行 —— 其提供的 GetData 方法可返回指向帧内存的原始指针，供 DiskScheduler 与 DiskManager 借此将磁盘物理页内容复制到内存。Buffer Pool Manager无需解析页面具体内容，仅需维护页面 ID（page_id_t）及对应的 FrameHeader 即可；当页面在磁盘与内存间移动时，系统会重用同一 FrameHeader 对象存储不同页面，即在系统生命周期内，每个 FrameHeader 可承载多轮不同的页面数据存储任务。源码分析如下：

class FrameHeader {friend class BufferPoolManager;friend class ReadPageGuard;friend class WritePageGuard;public:explicit FrameHeader(frame_id_t frame_id);private:auto GetData() const -> const char *;auto GetDataMut() -> char *;void Reset();const frame_id_t frame_id_;std::shared_mutex rwlatch_;std::atomic<size_t> pin_count_;bool is_dirty_;std::vector<char> data_;
};

FrameHeader 有五个私有成员变量：

frame_id_ 作为缓冲区中帧的索引；
pin_count_ 是引用计数，类似智能指针的 ref_count；
is_dirty_ 是脏页标记，表示页是否需要写回磁盘（内存数据页跟磁盘数据页内容不一致的时候，称这个内存页为“脏页”，内存数据写入到磁盘后，内存和磁盘上的数据页的内容就一致了）；
rwlatch_ 是读写锁，运行多个读线程并发访问，同时保证写操作的互斥性；
data_ 是页面数据存储，初始化大小为 static constexpr int BUSTUB_PAGE_SIZE = 4096（4KB）。

并提供了三个私有函数：

GetData()：返回指向vector所管理数组首元素的指针，其返回的指针内容是不能修改的。
GetDataMut()：同样返回指向vector所管理数组首元素的指针，只不过其返回的指针是可变的。
Reset()：将 data_ 清空为零值，重置pin_count_和is_dirty_

接下来实现 BufferPoolManager 和 ReadPageGuard / WritePageGuard，包含以下文件：

src/include/buffer/buffer_pool_manager.h
src/buffer/buffer_pool_manager.cpp
src/storage/page/page_guard.cpp
src/include/storage/page/page_guard.h

buffer_pool_manager.h

首先实现 BufferPoolManager，简单看一下 BusTub 提供的初始代码：

namespace bustub {class BufferPoolManager;
class ReadPageGuard;
class WritePageGuard;class FrameHeader {...}class BufferPoolManager {public:BufferPoolManager(size_t num_frames, DiskManager *disk_manager, size_t k_dist = LRUK_REPLACER_K,LogManager *log_manager = nullptr);~BufferPoolManager();auto Size() const -> size_t;auto NewPage() -> page_id_t;auto DeletePage(page_id_t page_id) -> bool;auto CheckedWritePage(page_id_t page_id, AccessType access_type = AccessType::Unknown)-> std::optional<WritePageGuard>;auto CheckedReadPage(page_id_t page_id, AccessType access_type = AccessType::Unknown) -> std::optional<ReadPageGuard>;auto WritePage(page_id_t page_id, AccessType access_type = AccessType::Unknown) -> WritePageGuard;auto ReadPage(page_id_t page_id, AccessType access_type = AccessType::Unknown) -> ReadPageGuard;auto FlushPageUnsafe(page_id_t page_id) -> bool;auto FlushPage(page_id_t page_id) -> bool;void FlushAllPagesUnsafe();void FlushAllPages();auto GetPinCount(page_id_t page_id) -> std::optional<size_t>;private:const size_t num_frames_;std::atomic<page_id_t> next_page_id_;std::shared_ptr<std::mutex> bpm_latch_;std::vector<std::shared_ptr<FrameHeader>> frames_;std::unordered_map<page_id_t, frame_id_t> page_table_;std::list<frame_id_t> free_frames_;std::shared_ptr<LRUKReplacer> replacer_;std::shared_ptr<DiskScheduler> disk_scheduler_;LogManager *log_manager_ __attribute__((__unused__));
};
}  // namespace bustub

FrameHeader 类在上面分析过了，是一个管理内存帧及其相关的元数据的辅助类。

BufferPoolManager 类是本节的重点，负责管理内存中的数据页，包括从磁盘读取数据页、将数据页写入磁盘、缓存常用数据页以及淘汰不常用的数据页等功能。其主要私有成员变量如下：

num_frames_：缓冲池中的帧数，可用于初始化 replacer_；
next_page_id_：下一个要分配的页面 ID；
frames_：存储帧头的vector容器，帧头通过智能指针进行管理；
page_table_：页面 ID 到帧 ID 的映射表；
free_frames_：存储空闲帧的 ID；
replacer_：使用 TASK1 实现的 LRUKReplacer，选择要淘汰的页面；
disk_scheduler_：使用 TASK2 实现的 DiskScheduler，用于磁盘调度；

我们主要负责实现公有函数，这里简单分析一下其功能，为后续实现做铺垫：

BufferPoolManager 的四参数构造函数主要是为了初始化 replacer_ 、 disk_scheduler_ 以及 page_table_、frames_，replacer_ 的 K 默认是 LRUK_REPLACER_K（10）；
Size()：返回缓冲池中的帧数，很简单，直接返回 num_frames_ 即可；
NewPage()：分配一个新的页面，并返回其页面 ID，大概流程如下：
1. 从 free_frames_ 获取可用空闲帧；
2. 如果 free_frames_ 为空，则通过 replacer_ 淘汰页面获取空闲帧，并判断该帧是否为脏页（如果不是脏页，说明内存的数据和磁盘数据相同，可以直接从页表中删除被淘汰的页面，否则得先通过 disk_scheduler_ 构造写请求将淘汰页的数据写入磁盘更新数据，然后再从页表中删除被淘汰的页面），然后从页表中删除被淘汰的页面；
3. 给新页分配 id ，并显式增加 next_page_id_ 的值（使用原子变量的fetch_add方法增加）；
4. 初始化帧并更新页表（绑定新页与帧）；
5. 通过替换其添加新帧的历史记录时间，并置为非淘汰状态；
6. 返回新页id
DeletePage(page_id_t page_id)：删除指定页面 ID 的页面，主要流程如下：
1. 检查页表中是否存在该页面
2. 如果存在则获取页面所在的帧头，并判断该页是否被其他线程访问（pin_count_ > 0）
3. 如果页面未被其他线程访问，则判断是否为脏页，是否需要写回磁盘
4. 从页表中删除该页面的映射，并将该帧id添加至free_frames_
5. 通过替换其将该帧设为非淘汰，并通过 disk_scheduler_ 的 DeallocatePage 释放磁盘空间
6. 最后重置帧状态
WritePageGuard 简单来说就是RAII自动管理锁和pin计数的模块，具体实现可参考 page_guard.h
CheckedWritePage(page_id_t page_id, AccessType access_type = AccessType::Unknown)：获取一个只读的页面保护，确保对页面数据的线程安全访问，注意流程如下：
1. 检查页面是否已在缓冲池中；若在缓冲池中则获取内存中的页，然后通过 replacer_ 记录访问并置该页为非淘汰状态；
2. 若页面不在内存中，尝试分配（free_frames_）或淘汰帧（调用replacer_->Evict()，注意淘汰时需要处理脏页，然后需要从页表中删除被淘汰的页）；
3. 从磁盘读取目标页面到刚才分配或淘汰的帧中，并更新缓冲池元数据（帧对应的新page_id，引用计数、is_dirty_等）
CheckedReadPage(page_id_t page_id, AccessType access_type = AccessType::Unknown)：以检查模式读取页面，并返回一个 ReadPageGuard 对象；操作流程和 CheckedWritePage 相似，区别仅只是返回对象的类型不同
FlushPageUnsafe(page_id_t page_id)：不安全地刷新页面，其实就是只加缓冲池全局锁来确保页表遍历期间的一致性，但是不获取帧锁，因此刷新过程中页面可能被其他线程修改，导致数据不一致，因此在判断该页是脏页后，需要立即将该页置为干净页，以免其他线程同时修改。不过该方式仅能一定程度上防止多线程修改，但是不能保证一定有效，因此存在风险。我这里建议将 is_dirty_ 的类型修改为原子类型，然后通过 CAS 保证全局一致性，这样既能实现了高效的批量刷新，也能一定程度上保证数据安全。
FlushPage(page_id_t page_id)：用于将给定 ID 的页面数据安全刷新至磁盘，具体流程为：首先获取缓冲池全局锁以确保线程安全，随后检查该页面是否存在于内存的页表中，若不存在则直接返回；若存在则获取该页面对应的内存帧，通过获取帧的写锁来确保刷新过程中无其他线程访问，接着判断页面是否为脏页，若是脏页则通过 disk_scheduler_->Schedule 将数据刷新至磁盘，并在刷新完成后清除脏页标志。
FlushAllPagesUnsafe()：不安全地刷新所有页面，主要思路是先遍历所有页，然后复用FlushPageUnsafe(page_id_t page_id)的操作。
需要注意，该函数不需要通过 future 异步等待结果，将写申请加入请求队列后直接遍历下一个页，无需判断上一个页是否写入磁盘。
FlushAllPages()：将内存中所有页面数据安全刷新到磁盘，主要思路是先遍历所有页，然后复用FlushPage(page_id_t page_id)的操作即可；
GetPinCount(page_id_t page_id)：获取指定页面的引用计数，很简单，加锁然后从页表中获取页对应的帧，然后返回帧中的引用计数即可，若页表中不存在该页，返回 std::nullopt 即可。

page_guard.h

page_guard.h 主要为了实现 ReadPageGuard 和 WritePageGuard，其实就是RAII自动管理锁和pin计数的辅助类，主要思想是通过RAII保证：

自动加锁 / 解锁：构造函数获取锁，析构函数释放锁
引用计数管理：自动维护页面的固定计数（pin_count_）
线程安全：通过读写锁（std::shared_mutex）实现读 - 写分离

协助我们避免大多数复杂重复操作。

ReadPageGuard 和 WritePageGuard大部分方法都相同除了少部分代码，因此可以考虑设计一个基类 PageGuard ，让ReadPageGuard 和 WritePageGuard继承。基本代码如下：

class PageGuard {protected:page_id_t page_id_;std::shared_ptr<FrameHeader> frame_;std::shared_ptr<LRUKReplacer> replacer_;std::shared_ptr<std::mutex> bpm_latch_;std::shared_ptr<DiskScheduler> disk_scheduler_;bool is_valid_;virtual void AcquireLock() = 0;virtual void ReleaseLock() = 0;public:auto GetPageId() const -> page_id_t;auto GetData() const -> const char *;void Flush();void Drop();PageGuard(PageGuard &&that) noexcept;auto operator=(PageGuard &&that) noexcept -> PageGuard &;virtual ~PageGuard() = default;
};

首先看一下保护成员：

page_id_ 是准备读/写页面的唯一 id
frame_ 是存储待读/写页面数据帧的共享指针
replacer_ 用于管理页面替换
bpm_latch_ 保护内部数据结构的锁（修改替换器状态（如标记帧可淘汰）或操作帧元数据时，需持有此锁）
disk_scheduler_ 调度器，用来管理页面和磁盘直接的数据读写
is_valid_ 标记当前 Guard 是否持有合法资源，只有当前 Guard 持有合法资源时，才可以通过析构或者 Drop() 释放资源

然后就是实现 RAII 的重点，我们需要在构造函数中获取读/写锁，然后在析构函数中释放，并且能自动维护页面的引用计数，先从构造函数说起：

在 ReadPageGuard 的五形参构造函数中，我们需要先将形参接收的资源通过 std::move 转移到当前对象中，然后将当前对象的有效标记 is_valid_ 为 true 表示对象持有合法资源。

然后获取 frame_ 的读锁（调用 std::shared_mutex::lock_shared 方法，该方法能获取互斥的共享所有权，若有其他线程以排他性所有权保有互斥，则lock_shared的调用者将阻塞执行，直到能取得共享所有权）。

此外还需要对互斥 bpm_latch_ 加锁（因为 frame_ 的读锁用于保护帧所存储页面的数据，而bpm_latch_ 保护当前Guard对象的数据结构；），然后通过 replacer_ 将当前帧存储页置为非淘汰状态，并修改帧的引用计数。
在移动构造函数中，我们将另一个 Guard 对象的资源通过 std::move 转移后，需要显式将另一个对象的 is_valid_ 置为 false，以免其意外释放资源
在移动赋值运算符中，除了需要重复移动构造函数的操作外，还需要执行 Drop() 释放当前对象的资源，因为在调用 = 之前，当前对象可能持有其他合法资源，我们需要在获取另一个对象资源前释放当前持有资源。
Drop() 用于提前手动释放Guard持有的资源，实现时需要确保资源被正确释放且不会导致双重释放。大概思路是先分别判断 is_valid_ 和 pin_count_--，只有当前者有效时我们才能保证当前 Guard 持有的资源是合法有效的，当后者等于零时（pin_count_减一后等于零）才可以将页面标定为淘汰，最后再释放读锁。
Flush()用于手动刷新脏页到磁盘，大概思路是判断当前对象是否有效或其帧对象标记为脏页，二者满足其一则通过 disk_scheduler_ 构造写请求将当前页刷新到磁盘，最后将帧标记为干净页。

我们需要在 GetDataMut() 函数中手动将指定帧的 is_dirty_ 置为 true，以防数据丢失。

Q&A

CheckedWritePage 函数中我首先加了全局锁 std::scoped_lock<std::mutex> lk(*bpm_latch_)，然后在 WritePageGuard 对象时，我又对 bpm_latch_ 进行加锁，导致死锁，这里其实可以减少锁粒度，CheckedWritePage 中的锁在 return WritePageGuard 时就结束，在 WritePageGuard 中重新开始加锁。
GetDataMut() 函数在返回缓存区指针前，必须将 is_dirty_ 手动设置为 true，否则在我们手动执行 Drop() 后，该帧的数据被置为可淘汰，如果此时调用了 NewPage()，就有可能丢失该页面的数据，我这里在 DropTest 测试中就遇到了这个情况。

test

首先cd到build目录下，然后将page_guard_test中测试函数第二个形参的前缀DISABLE_去掉，执行命令：

make page_guard_test -j `nproc`
./test/page_guard_test

本地测试成功：

在这里插入图片描述

最后测试的时候才发现我实现的是2025 Spring 的TASK，晕头了我，其实2025相比2024只不过多实现了几个函数，差距不大。

submit

首先在本地进行格式验证，先安装clang-fromat,clang-tidy

sudo apt-get install clang-format
apt-get install clang-tidy

然后在build文件夹下依次执行以下命令：

make format
make check-clang-tidy-p0

如果报错提示：

在这里插入图片描述

那么需要我们手动指定 clang-format 的路径，再重新进行 CMake 配置和编译：

rm -rf CMakeCache.txt CMakeFiles
cmake -DCLANG_FORMAT_BIN=$(which clang-format) ..

然后重新执行 make format

最后 cd到build下执行：

make submit-p1

在根目录下生成名为 project1-submission.zip 的压缩包，里面主要包含了PROJECT#1的三个TASK的头文件和cpp文件。我们将 project1-submission.zip 提交至Gradescope：https://www.gradescope.com/courses/817456即可。

我提交检测的时候，说除了所需的代码文件外，还需要 GRADESCOPE.md 签名文件，大概查了下，这是23年开始新加的要求，除了PROJECT#0不需要外，其他项目都需要。运行下面指令生成：