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David Veith

• In dieser Arbeit werden drei Themenkomplexe aus dem Bereich der Externspeicheralgorithmen näher beleuchtet: Approximationsalgorithmen, dynamische Algorithmen und Echtzeitanfragen. Das Thema Approximationsalgorithmen wird sowohl im Kapitel 3 als auch im Kapitel 5 behandelt. In Kapitel 3 wird ein Algorithmus vorgestellt, welcher den Durchmesser eines Graphen heuristisch bestimmt. Im RAM- Modell ist eine modifizierte Breitensuche selbst ein günstiger und äußerst genauer Algorithmus. Dies ändert sich im Externspeicher. Dort ist die Hauptspeicher-Breitensuche durch die O(n + m) unstrukturierten Zugriffe auf den externen Speicher zu teuer. 2008 wurde von Meyer ein Verfahren zu effizienten Approximation des Graphdurchmessers im Externspeicher gezeigt, welches O(k · scan(n + m) + sort(n + m) + √(n·m/k·B)· log(n/k) + MST(n, m)) I/Os bei einem multiplikativen Approximationsfehler von O(√k · log (k)) benötigt. Die Implementierung, welche in dieser Arbeit vorgestellt wird, konnte in vielen praktischen Fällen die Anzahl an I/Os durch Rekursion auf O(k · scan(n + m) + sort(n + m) + MST(n, m)) I/Os reduzieren. Dabei wurden verschiedene Techniken untersucht, um die Auswahl der Startpunkte (Masterknoten) zum rekursiven Schrumpfen des Graphen so wählen zu können, dass der Fehler möglichst klein bleibt. Weiterhin wurde eine adaptive Regel eingeführt, um nur so viele Masterknoten zu wählen, dass der geschrumpfte Graph nach möglichst wenigen Rekursionsaufrufen in den Hauptspeicher passt. Es wirdgezeigt, dass die untere Schranke für den worst case-Fehler dabei auf Ω(k^{4/3−e}) mit hoher Wahrscheinlichkeit steigt. Die experimentelle Auswertung zeigt jedoch, dass in der Praxis häufig deutlich bessere Ergebnisse erzielt werden. In Kapitel 4 wird ein Algorithmus vorgestellt, welcher, nach dem Einfügen einer neuen Kante in einen Graphen, den zugehörigen Baum der Breitensuche unter Verwendung von O(n · (n/B^{2/3} + sort(n) · log (B))) I/Os mit hoher Wahrscheinlichkeit aktualisiert. Dies ist für hinreichend große B schneller als die statische Neuberechnung. Zur Umsetzung des Algorithmus wurde eine neue deterministische Partitionsmethode entwickelt, bei der die Größe der Cluster balanciert und effizient veränderbar ist. Hierfür wird ein Dendrogramm des Graphen auf einer geeigneten Baumrepräsentation, wie beispielsweise Spannbaum, berechnet. Dadurch hat jeder Knoten ein Label, welches aufgrund seiner Lage innerhalb der Baumrepräsentation berechnet worden ist. Folglich kann mittels schneller Bit-Operationen das Label um niederwertige Stellen gekürzt werden, um Cluster der Größe µ = 2 i zu berechnen, wobei der Clusterdurchmesser auf µ beschränkt ist, was für die I/O-Komplexität gewährleistet sein muss, da der Trade-off aus MM_BFS zwischen Cluster- und Hotpoolgröße genutzt wird. In der experimentellen Auswertung wird gezeigt, dass die Performanz von dynamischer Breitensuche sowohl auf synthetischen als auch auf realen Daten oftmals schneller ist als eine statische Neuberechnung des Baums der Breitensuche. Selbst wenn dies nicht der Falls ist, so sind wir nur um kleine, konstante Faktoren langsamer als die statische Implementierung von MM_BFS. Schließlich wird in Kapitel 5 ein Approximationsalgorithmus vorgestellt, welcher sowohl dynamische Komponenten beinhaltet als auch die Eigenschaft besitzt, Anfragen in Echtzeit zu beantworten. Um die Echtzeitfähigkeit zu erreichen, darf eine Anfrage nur O(1) I/Os hervorrufen. Im Szenario dieser Arbeit wurden Anfragen zu Distanzen zwischen zwei beliebigen Knoten u und v auf realen Graphdaten mittels eines Distanzorakels beantwortet. Es wird eine Implementierung sowohl für mechanische Festplatten als auch für SSDs vorgestellt, wobei kontinuierliche Anfragen im Onlineszenario von SSDs in Millisekunden gelöst werden können, während ein großer Block von Anfragen auf beiden Architekturen in Mikrosekunden pro Anfrage amortisiert gelöst werden kann.