地震前兆OracleLOB數(shù)據(jù)壓縮與交換及其訪問效率研究

王建軍 趙銀剛 劉高川

摘要：針對目前地震前兆Oracle數(shù)據(jù)庫存在的存儲空間大、交換速度慢、讀寫速度慢等問題，分別用Bzip2，Gzip，GzipIO這3種壓縮算法對Clob和Blob的壓縮和未壓縮數(shù)據(jù)進行讀寫和交換速度測試，使用直接讀取、分段讀取、分段+線程池讀取3種方法進行了讀庫速度測試。結(jié)果表明：①無論在存儲、交換還是讀寫速度方面Blob均優(yōu)于Clob;②Blob+Gzip為地震前兆分秒數(shù)據(jù)的“最佳”存儲結(jié)構(gòu)，讀寫和交換速度有大幅度提升，數(shù)據(jù)庫整體容量降至目前的7%（或更少），秒數(shù)據(jù)的交換速率至少是目前的789倍;③最簡單且被軟件開發(fā)者廣泛使用的直接讀取方法讀庫效率較差，分段+線程池技術(shù)無論在Clob還是Blob、壓縮還是未壓縮時都表現(xiàn)出較高的讀庫效率，給LOB數(shù)據(jù)讀取速度帶來飛躍式的提升。

關(guān)鍵詞：Oracle;LOB;數(shù)據(jù)壓縮;交換效率;訪問效率

中圖分類號：P31573?? 文獻標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1000-0666（2019）03-0447-07

0 引言

隨著信息化社會的發(fā)展，存儲、傳輸和處理急劇增長的海量信息的壓力越來越大。為了節(jié)省信息的存儲空間和提高信息的傳輸效率，數(shù)據(jù)壓縮作為解決海量信息存儲和傳輸?shù)闹С旨夹g(shù)受到極大重視（鄭翠芳，2011）。數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)一般分為有損壓縮和無損壓縮。無損壓縮是指重構(gòu)壓縮數(shù)據(jù)（還原、解壓縮）與原數(shù)據(jù)必須完全相同，適用于要求重構(gòu)信號與原始信號完全一致的場合（李雷定等，2009;鄭翠芳，2011）。壓縮算法必須能夠提供較高的數(shù)據(jù)壓縮率以支持實時數(shù)據(jù)庫海量存儲的特點，壓縮和解壓縮兩個過程都必須具有較好的速度性能（劉紅霞，牛富麗，2010）。

Bzip2是基于Burrows-Wheeler變換（BWT）的無損壓縮算法，是一種不依賴于數(shù)據(jù)內(nèi)部重復(fù)性的變換方法，它能將數(shù)據(jù)中相同的字符有效地聚集到一起，為進一步壓縮創(chuàng)造條件（李冰等，2015;Seward，2002，2007）。它能夠把普通的數(shù)據(jù)壓縮至10%～15%，壓縮和解壓效率都非常高，按照開源軟件協(xié)議在其網(wǎng)站上可下載完整的C，Java，C#源代碼及相應(yīng)的dll接口文件。它因為較高的壓縮比和速度性能在國外被廣泛應(yīng)用（Gilchrist，2008;Pankratius et al，2009;Mccool et al，2012;Salazar，Sánchez，2017），但在國內(nèi)的應(yīng)用仍然偏少（李冰等，2015）。數(shù)據(jù)壓縮算法有Bzip2和Gzip兩種，Net的SystemIOCompression提供另一種Gzip壓縮算法，本文簡稱為GzipIO。

2007年底地震前兆臺網(wǎng)“十五”系統(tǒng)正式建成并投入運行，該軟件系統(tǒng)是一個分層的4級互聯(lián)互通分布式系統(tǒng)，由臺站、省局、國家中心和學(xué)科中心4級構(gòu)成。為便于各級數(shù)據(jù)交換，全國采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（Oracle10g）和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)（周克昌等，2009，2010;劉高川，2008）。軟件系統(tǒng)主要有2個：管理系統(tǒng)（B/S架構(gòu)，服務(wù)器運行）和處理系統(tǒng)（C/S架構(gòu)，客戶端PC機運行），前者每天定時將臺站數(shù)據(jù)逐級交換至省局、國家中心和學(xué)科中心（劉高川，2008），后者負責(zé)每天的數(shù)據(jù)預(yù)處理和產(chǎn)品數(shù)據(jù)計算。

中國地震臺網(wǎng)中心前兆臺網(wǎng)部是全國地震前兆數(shù)據(jù)的匯集中心，同時也是容量最大的前兆數(shù)據(jù)庫。截至2018年8月，該數(shù)據(jù)庫中存儲了3 328套觀測儀器（秒采樣儀器364套，分采樣儀器2 126套，時、日采樣儀器838套）的產(chǎn)出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫總量約8 000 GB，目前仍在以每年約800 GB的速度遞增，其中時間分辨率為分和秒的數(shù)據(jù)（以下簡稱為分秒數(shù)據(jù)）總量占到數(shù)據(jù)庫總是的95%以上。因為所有分秒數(shù)據(jù)全部采用Clob+ASCII未壓縮的存儲格式，數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)了存儲空間大、交換速度慢、讀寫速度慢、運維困難等問題。如“處理系統(tǒng)”遠程讀取FHDZ-M15地磁儀器1天6個要素的秒采樣數(shù)據(jù)需要約4 min;中國地震臺網(wǎng)中心前兆臺網(wǎng)部（8 000 GB）冷備份到另一臺服務(wù)器需要連續(xù)拷貝10天左右，這10天必須關(guān)閉數(shù)據(jù)庫并停止所有服務(wù)，這種冷備份方式顯然不實用;而熱備份系統(tǒng)（由地震系統(tǒng)自主研發(fā)）因為軟件原因只能對應(yīng)一臺服務(wù)器，如果主庫和備庫同時出現(xiàn)問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，結(jié)果將是災(zāi)難性的。

Oracle數(shù)據(jù)庫中，Clob和Blob（簡稱LOB）是2個典型的大對象數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，在各級數(shù)據(jù)庫中都有廣泛使用。Clob只能存儲單字節(jié)字符數(shù)據(jù)，多用于存儲長文本數(shù)據(jù);Blob用于存儲無結(jié)構(gòu)的二進制數(shù)據(jù)，主要存儲圖像、視頻、音頻及Word文檔等帶格式數(shù)據(jù)（張靜，王永敏，2011）。為提高地震前兆數(shù)據(jù)庫的存取效率，國內(nèi)地震行業(yè)學(xué)者分別進行了如下研究：姚運生等（2006）提出把一串觀測數(shù)據(jù)以二進制存儲為一個記錄的新的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu);李井岡等（2008）對比了Clob和Blob的存取速度，發(fā)現(xiàn)Blob具有更高的效率，主要原因如下：一是二進制數(shù)據(jù)比字符串型數(shù)據(jù)存取快;二是Blob類型占用更少的空間，網(wǎng)絡(luò)傳輸快;劉堅等（2009）把LZMA壓縮算法封裝成API動態(tài)鏈接庫，調(diào)用接口函數(shù)壓縮大數(shù)據(jù)后保存至Blob字段，調(diào)用數(shù)據(jù)時將數(shù)據(jù)解壓縮還原，不僅節(jié)省了數(shù)據(jù)庫的磁盤空間，同時也提高了數(shù)據(jù)存取效率。

本文基于NET開發(fā)平臺，分別使用Bzip2，Gzip，GzipIO這3種壓縮算法對Clob和Blob的壓縮和未壓縮數(shù)據(jù)進行了讀寫速度、交換速度測試和比較，使用直接讀取、分段讀取、分段+線程池讀取3種技術(shù)進行了讀庫速度測試，對每種壓縮算法和讀庫方法的優(yōu)缺點進行了歸納和總結(jié)，以此檢驗適用于地震前兆數(shù)據(jù)庫的“最佳”壓縮算法和讀庫方法。

1 測試數(shù)據(jù)和研究方法

11 測試數(shù)據(jù)選取

本文選用的測試數(shù)據(jù)全部為2009年1月1日至蘭州FHDZ-M15地磁儀器記錄的共31天的6個要素分秒數(shù)據(jù)。該儀器為秒采樣，每個要素每天包括86 400個秒采樣數(shù)據(jù)，分數(shù)據(jù)由秒采樣數(shù)據(jù)通過高斯濾波計算得到，每個要素每天包括1 440個分數(shù)據(jù)。

本文測試選用的本地服務(wù)器位于甘肅省地震局信息機房，遠程服務(wù)器位于中國地震局地球物理研究所信息機房，本地和遠程的測試數(shù)據(jù)和表結(jié)構(gòu)完全相同。測試軟件為Net開發(fā)平臺編寫的客戶端軟件（運行在辦公室的PC機上）。

地震前兆數(shù)據(jù)庫中分秒數(shù)據(jù)的表結(jié)構(gòu)見表1，觀測數(shù)據(jù)用Clob+ASCII未壓縮的存儲格式，每套儀器每個要素每天一條記錄。

12 LOB數(shù)據(jù)壓縮和解壓縮方法

Net中引用Bzip2提供的接口文件ICSharp CodeSharpZipLibdll后，通過命名空間ICSharpCodeSharpZipLib，調(diào)用BZip2OutputStream和BZip2InputStream分別完成Bzip2壓縮和解壓過程，調(diào)用GzipOutputStream和GzipInputStream分別完成Gzip壓縮和解壓過程，通過調(diào)用SystemIO CompressionGzipStream分別完成GzipIO壓縮和解壓過程。

13 數(shù)據(jù)庫連接和LOB讀寫方法

Net使用ADONET完成數(shù)據(jù)庫訪問，OracleConnection進行數(shù)據(jù)庫連接，OracleDataAdapter和DataTable完成LOB數(shù)據(jù)讀取和暫存，OracleCommand完成LOB數(shù)據(jù)寫入。

14 3種LOB讀庫方法

（1）直接讀?。簩浖_發(fā)者而言，LOB數(shù)據(jù)最簡單最常用的讀庫方法就是直接使用Select LobName讀取。

（2）分段讀?。簾o論Clob還是Blob都可以使用Oracle自帶的DBMS_LOB包中的substr函數(shù)來分段讀取數(shù)據(jù)，即DBMS_LOBsubstr（lobName，n，pos），lobName為Lob字段名，n為讀取的字節(jié)數(shù)，pos為讀取的起始位置。分段讀取時Clob每次可讀取的最大長度為4 000字節(jié)，Blob為2 000字節(jié)，因此必須循環(huán)多次執(zhí)行，每次循環(huán)都要重新設(shè)置讀取的起始位置（pos），循環(huán)結(jié)束后需要把同一條記錄的LOB數(shù)據(jù)按先后順序拼接起來。

（3）分段+線程池讀?。篘ET的ThreadPool類提供線程池管理，將分段讀取的SQL語句依次放入線程池中，可以實現(xiàn)分段讀取并行執(zhí)行（多個線程同時讀?。?。圖1為該方法讀庫流程圖，使用時還需要編寫一個單獨的子線程類，該類中需要創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)庫連接，執(zhí)行分段讀取的SQL語句;任務(wù)全部添加進線程池后，還需要一個while循環(huán)，判斷所有線程全部執(zhí)行結(jié)束后才能退出循環(huán)執(zhí)行后續(xù)操作。

2 LOB數(shù)據(jù)壓縮和交換速度測試

21 LOB數(shù)據(jù)壓縮測試

分別使用Bzip2，Gzip，GzipIO這3種壓縮算法，對蘭州FHDZ-M15地磁儀器產(chǎn)出的2009年1月分秒數(shù)據(jù)進行壓縮測試。表2顯示平均每條記錄的壓縮比，無論分或秒數(shù)據(jù)，Bzip2的壓縮比最高，Gzip次之，GzipIO最低;Bzip2壓縮后每條記錄的容量最小，意味著占用更小的存儲空間;但其壓縮和解壓時間最長，遠高于其他2種算法，意味著讀庫（解壓）和寫庫（壓縮）消耗的時間更長。Gzip的壓縮時間大概是GzipIO的25倍，二者的解壓時間相差很小，但分秒數(shù)據(jù)的二進制壓縮比分別提高了5%和3%。

22 LOB數(shù)據(jù)交換速度測試

目前地震前兆管理系統(tǒng)軟件在數(shù)據(jù)交換時采用的是“dbLink+Insert”技術(shù)，數(shù)據(jù)交換的核心命令為insert into XX from XX@dbLinkName，dbLinkName為遠程數(shù)據(jù)庫的dbLink。根據(jù)目前的地震前兆數(shù)據(jù)交換機制，交換過程中無需解析LOB數(shù)據(jù)，因此壓縮和解壓效率對交換速度沒有影響，能影響到交換速度的只是每條記錄的容量大小。登錄遠程（北京）數(shù)據(jù)庫后直接運行該交換命令，其執(zhí)行時間作為實際交換時間，即平均每條記錄由本地（蘭州）傳輸?shù)竭h程（北京）的時間。蘭州FHDZ-M15地磁儀器2009年1月所有分秒數(shù)據(jù)平均每條記錄的數(shù)據(jù)交換速度測試結(jié)果見表3，預(yù)估交換倍率=“Clob未壓縮”容量/其他容量，實際交換倍率=“Clob未壓縮”交換時間/其他交換時間。

由表3可見，無論Clob還是Blob，3種壓縮結(jié)構(gòu)的實際交倍率都沒有預(yù)估交換倍率高，秒數(shù)據(jù)Blob壓縮的實際交換倍率有7～9倍的提升，而分數(shù)據(jù)的實際交換倍率提升幅度很小;秒數(shù)據(jù)Blob和Clob這2種未壓縮結(jié)構(gòu)相比，在存儲容量完全相同的情況下實際交換倍率卻有184倍的提升。

3 LOB數(shù)據(jù)讀寫速度測試

31 3種壓縮算法的讀寫速度測試

使用直接讀取方法對Blob和Clob的4種存儲結(jié)構(gòu)（3種壓縮+未壓縮）進行讀寫速度測試，由表4可見：①就寫庫速度而言，無論Clob還是Blob速度最快是GzipIO，Gzip次之，兩者相差極小，Bzip2因為壓縮時間長導(dǎo)致本地寫庫速度遠慢于其它;②就讀取速度而言，Clob中Bzip2最快，Blob中Gzip最快，即便偶有慢于其他方法的現(xiàn)象，讀取速度仍與最快速度相差最小;③對同一種壓縮或未壓縮結(jié)構(gòu)，2種LOB類型的寫庫速度基本相當(dāng)，但Blob的讀庫速度遠優(yōu)于Clob。

32 3種LOB讀庫方法的讀取速度測試

分別使用3種LOB讀庫方法對壓縮和未壓縮結(jié)構(gòu)進行讀庫速度測試，測試結(jié)果見表5：①直接讀取方法在Clob未壓縮中讀取效率最差，遠慢于其他2種方法;在Blob中除了秒數(shù)據(jù)1天本地讀取速度較快外，其他讀取效率最差，并且隨著讀取天數(shù)的增加，與分段+線程池方法的讀取速度差距增大。②分段讀取方法在Clob未壓縮中相對直接讀取速度有大幅度提升，但在Blob秒數(shù)據(jù)讀取時表現(xiàn)不穩(wěn)定，頻繁出現(xiàn)讀取時間遠高于其它方法現(xiàn)象。③分段+線程池方法在Clob未壓縮中讀取速度最快，遠優(yōu)于其他2種方法，在Blob中雖偶有略慢于其它方法，仍與讀取最快速度相差極小。④無論哪種讀庫方法，Gzip的讀取速度都優(yōu)于GzipIO。

相對而言，與其他2種方法相比，無論在Clob還是Blob，壓縮還是未壓縮，分段+線程池方法都能表現(xiàn)出最高的讀庫效率，尤其在Clob未壓縮的讀取速度有飛躍式的提升。Blob+Gzip的存儲結(jié)構(gòu)結(jié)合分段+線程池讀庫方法，可使地震前兆數(shù)據(jù)庫的讀庫性能達到“最佳”。

4 討論

實驗表明Blob在存儲性能上優(yōu)于Clob，但Clob字段在提高長文本數(shù)據(jù)的檢索速度方面存在優(yōu)勢（張靜，王永敏，2011）。上述測試結(jié)果再次驗證了Blob無論在存儲、交換還是讀寫速度方面均優(yōu)于Clob，但Clob+ASCII未壓縮格式可以使用DBMS_ LOBsubstr函數(shù)讀取部分數(shù)據(jù)（由分隔符反推每個數(shù)據(jù)的起始位置），此時的讀取速度遠優(yōu)于整體讀取，而Blob因為采取二進制存儲而無法做到。對地震前兆數(shù)據(jù)庫而言，讀取部分數(shù)據(jù)的情況極少，大量的實際應(yīng)用是整體讀?。〝?shù)據(jù)處理、繪圖、下載等）。

最佳的壓縮算法為壓縮比最高、壓縮和解壓速度最快的算法，但實際中很難同時滿足這樣的要求。Bzip2的壓縮比最高，但壓縮和解壓時間偏長，Gzip和GzipIO的壓縮和解壓時間短但壓縮比略低。壓縮和解壓2個過程都必須具有較好的速度性能，這2個問題的解是相互矛盾的，我們就是要找到兩者的平衡點，使其達到最優(yōu)性能（劉紅霞，牛富麗，2010）。

從表2，4和5的測試結(jié)果來看，3種壓縮算法的壓縮比差異導(dǎo)致平均每條記錄的容量不一樣，進而導(dǎo)致讀寫速度與壓縮算法相關(guān)，表4和5的讀寫時間包括了壓縮和解壓時間，以此來反映壓縮和解壓速度。如果單從分秒數(shù)據(jù)的讀寫速度來考慮，Gzip和GzipIO優(yōu)于Bzip2;Gzip和GzipIO相比，前者讀庫速度占優(yōu)，后者寫庫速度占優(yōu)，但Gzip的分秒數(shù)據(jù)壓縮比高出GzipIO的5%和3%，將為磁盤節(jié)省更多的存儲空間，數(shù)據(jù)交換速度將更快。

對地震前兆數(shù)據(jù)庫而言，如果采用Blob+Gzip存儲結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫整體容量降至目前的7%（或更少），分秒數(shù)據(jù)讀寫速度有大幅度提升，秒數(shù)據(jù)交換速度至少是目前的789倍，臺站數(shù)據(jù)可在最短時間內(nèi)交換到5個前兆學(xué)科中心，從而讓地震前兆數(shù)據(jù)發(fā)揮更為重要的時效性。

直接讀取方法是最簡單且被軟件開發(fā)者使用最廣泛的一種讀庫方法，但其讀庫效率較差。分段讀取方法在Clob秒數(shù)據(jù)讀取時平均循環(huán)150次（58851 Kb/4 000 b）才能讀取一條記錄，但讀取速度卻遠優(yōu)于直接讀取，這應(yīng)該是它所使用的Substr函數(shù)將大對象轉(zhuǎn)換為Varchar2類型所致;Clob每次可讀取的最大長度為4 000字節(jié)，Blob為2 000字節(jié)，在記錄容量相同的情況下，Blob的循環(huán)次數(shù)是Clob的2倍，部分程度會導(dǎo)致Blob讀取效率下降，這應(yīng)該是它在Blob秒數(shù)據(jù)讀取時表現(xiàn)不穩(wěn)定，頻繁出現(xiàn)讀取時間遠高于其他2種方法的根本原因。分段+線程池方法采用的是多線程并行讀取技術(shù)，恰好彌補了這個不足，無論在Clob還是Blob、壓縮還是未壓縮時都表現(xiàn)出了較高的讀庫效率。

分段+線程池方法的缺點是讀取過程中要消耗大量的數(shù)據(jù)庫連接，數(shù)據(jù)庫中必須設(shè)置有足夠的連接數(shù)量（Open_Cursors）。NET中線程池管理具有每個可用處理器最多25個線程的默認限制，筆者在大量的讀庫測試中監(jiān)測到的最大并發(fā)線程數(shù)只有19個，雖然在LOB讀取時同時開啟的線程總數(shù)可能高達200～300個，但實際上并發(fā)讀取的最多只能有25個，其他線程全部處于等待狀態(tài)。全國地震前兆數(shù)據(jù)庫目前的Open_Cursors總數(shù)全部設(shè)置為30 000，按此推算可同時支持1 200人使用該方法并發(fā)讀庫，而且數(shù)據(jù)庫訪問必須在地震行業(yè)專網(wǎng)下，該配置足以支持“分段+線程池”方法在地震系統(tǒng)內(nèi)部使用。

2015年10月，筆者利用Bzip2算法完成地磁學(xué)科中心數(shù)據(jù)庫Ceabak表空間壓縮，并提供給全國分析預(yù)報人員訪問，所有分秒數(shù)據(jù)全部改用Blob+Bzip2壓縮結(jié)構(gòu)，壓縮前地磁數(shù)據(jù)庫總量約為3 500 GB，壓縮后為126 GB，整體壓縮比約為36%，該壓縮數(shù)據(jù)庫運行至今未出現(xiàn)任何問題。2015年10月，筆者在全國地磁臺網(wǎng)數(shù)據(jù)處理軟件V20156版本中將Clob讀取改用分段讀取方法（之前版本采用直接讀取方法），2017年11月在V20172版本中將Clob和Blob全部改用分段+線程池讀庫技術(shù)，這2次升級后該軟件讀庫速度均有大幅度提升，目前每天的用戶總數(shù)約200人次，臺站人員利用該軟件協(xié)助地磁學(xué)科進行分秒數(shù)據(jù)遠程監(jiān)控也得已實現(xiàn)。

5 結(jié)論

本文選取2009年1月1日至31日蘭州FHDZ-M15地磁儀器的6個要素分秒數(shù)據(jù)，分別用Bzip2，Gzip，GzipIO壓縮算法進行壓縮測試，用Clob和Blob進行了讀寫和交換速度測試，并使用3種讀庫方法進行了讀庫速度測試，主要結(jié)論如下：Blob無論在存儲、交換還是讀寫速度方面均優(yōu)于Clob，但Clob在長文本數(shù)據(jù)檢索方面存在優(yōu)勢;Blob+Gzip為地震前兆數(shù)據(jù)庫分秒數(shù)據(jù)的“最佳”存儲結(jié)構(gòu)，讀寫速度均有大幅度提升，數(shù)據(jù)庫整體容量至少可降至目前的7%（或更少），秒數(shù)據(jù)交換速率至少是目前的789倍，臺站數(shù)據(jù)可在最短時間內(nèi)交換到5個前兆學(xué)科中心，從而讓地震前兆數(shù)據(jù)發(fā)揮更為重要的時效性;最簡單且被軟件開發(fā)者使用最廣泛的直接讀取方法讀庫效率較差，分段讀取方法在Clob中遠優(yōu)于直接讀取，但在Blob中表現(xiàn)不穩(wěn)定，分段+線程池技術(shù)無論在Clob還是Blob、壓縮還是未壓縮時都表現(xiàn)出較高的讀庫效率，給LOB數(shù)據(jù)的讀取速度帶來飛躍式的提升。

本文所有測試數(shù)據(jù)全部來自國家地磁臺網(wǎng)中心，在此表示誠摯的感謝！

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